智能船舶引领未来航运时代发展

云脑智库 2022-09-06 00:00

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智能船舶是利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、航行环境、物流、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理与分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现自动决策、运行和自主安全航行的技术系统。作为数字与智能技术时代的新兴领域，智能船舶已成为全球航运业的趋势性发展方向，关系到整个船舶行业的升级革新。现阶段，日本、韩国以及欧洲多国均将智能船舶视为重点发展领域，相继发布多份指导性战略文件，并在船舶智能系统、智能航行、岸基远程驾控、船舶编队航行等领域开启了一系列关键性技术研究项目，旨在抢占未来智能船舶技术高地，获得未来“无人船”时代发展先机。

一、智能船舶发展现状

（一）日本聚焦基础技术开发、基础设施建设与技术标准化工作

为了更好地推动海事全产业链智能化变革、应对人口老龄化问题带来的劳动力短缺困境，日本近年来不断加大在智能船舶领域的研发投入，国内船舶行业各相关方积极致力于物联网和人工智能等先进技术研究，大力推进智能船舶基础技术开发与基础设施建设进程。与此同时，日本先后开展了一系列重点研究项目，并注重开展智能船舶标准化立项工作，以期全方位提升其智能船舶技术的国际核心竞争力。

在技术层面，日本从底层数据通信基础标准出发，总体上遵循自下而上的发展理念。2015年，日本邮船牵头开启“船舶信息管理系统”（SIMS）项目，旨在通过收集、监测和共享船岸之间的详细数据来进一步提升船舶的信息管理水平。2018年，日本国土交通省设立船舶远程驾驶示范项目，将建设岸基驾控中心和实现远程操作为目标。此外，日本船级社成立了“海事业大数据中心”，并与IBM公司联合开发有关软件，对收集机舱内的实时数据加以处理、分析，进而为设备维护、优化等提供合理的建议。目前，日本已完成对远程控制导航的测试和对自主船舶技术框架的AIP认证，并进行了多次自主航行试验。其中，无人船项目“MEGURI 2040”框架下的集装箱船“204 TEU Suzaku”与大型车客渡船“Sunflower Shiretoko”已于2022年上半年先后完成自主航行试验，极大地推动了日本智能船舶的技术进步。与此同时，日本注重抢占智能船舶国际标准化制定领域的主动权。据统计，2013至2015年间，日本牵头并发布的国际标准共计15项，牵头的在研标准共计10项。较为有代表性的是其依托“智能船舶应用平台”（SSAP）项目成果，主导制定了《船载设备和系统通信网络布设指南》、《用于现场数据共享的船舶数据服务器》和《船载机械设备的标准数据》三项国际标准，获得了较强的国际影响力。

在政策文件层面，日本密集发布多份智能船舶技术发展的政策文件，旨在全方位指导智能船舶发展。2017年，日本船级社发布《自动操作船舶概念设计指南》（Guideline of Concept Design of Automated Operated Ships），涉及智能船舶安全设计要素、风险评估、自主等级分组以及远程遥控等多个方面。2018年，日本政府发布《海洋基本计划》（Basic Plan on Ocean Policy），其中重点强调应加强对“i-Shipping”等智能船舶项目的支持，以进一步提升日本智能船舶技术水平。2020年，日本船级社发布《数字智能船舶指南》（Guidelines for Digital Smart Ships），为“数字智能船”船级符号制定了相应标准，以更好地响应业界未来需求与技术进步。

日本“Suzaku”号集装箱船

（二）韩国将三大船厂作为主导，形成了以生产建造为中心、以应用带动研发的发展格局

作为全球范围内最早开启智能船舶研究的国家，韩国依托大宇造船、现代重工与三星重工三大船企取得了智能船舶领域的发展先机，先后推出了“智能船舶1.0”“智能船舶2.0”等重大战略项目，并取得了多项成就。现阶段，韩国三大船企基本代表了韩国造船工业的实力和发展方向，三家企业几乎全部承担了韩国智能船舶的研发工作，逐渐形成了以生产建造为中心、以应用带动研发的发展格局。

在技术层面，韩国将优势的信息技术产业为牵引，在智能船舶的发展过程中充分结合并发挥其信息和数字化产业的优势。在韩国开展的一系列相关项目中，通信业机构和企业深度参与，并将诸多新兴技术系统应用到了船舶建造之中。2019年，韩国提出“自主水面船舶”（KASS）项目，该项目着力于航运业和造船业两大方向来研究船舶智能化的商用模式。2020年，现代重工将与韩国科学技术院共同开发的“现代智能导航辅助系统”（HiNAS）成功安装在1艘25万载重吨散货船上。同年，三星重工完成韩国造船业界首次远程自主航行实船海上测试，并计划今后进一步结合人工智能技术以及超高速移动通信技术，开发出更加先进的航行辅助系统。2021年，大宇造船与韩国实时影像处理平台企业N3N合作，旨在共同研发出更高水平的智能船舶平台。2022年，三星重工集团与美国船级社签署联合开发协议，双方将联合开发新型“船体应力监测系统”（HSMS），以进一步提升船舶安全性。目前，三星重工的“智能船舶解决方案”（SVESSEL）、现代重工的“综合智能船舶解决方案”（ISSS）等智能船舶技术平台体系均处在世界前列，并广泛应用到了多艘商船之上。此外，大宇造船于2018年推出了“智能船舶4.0服务架构”计划，希望构建出基于云计算、物联网等技术，实时收集数据并基于数据分析来管理船舶的架构体系，该计划使其有望成为全球智能船舶物联网基础设施服务市场的领导者。

在政策文件层面，韩国政府与企业深入联动，制定多份智能船舶发展指导性文件。2018年，韩国政府在明确的100个国家课题中提出，要挖掘培育高附加值未来型新产业（智能船舶），协同海运和造船行业共同建设海运强国。2019年，韩国政府发布《智能自航船舶及航运港口应用服务开发》（Intelligent Self-propelled Ship and Shipping Port Application Service Development），其中包括一系列重要的研发项目规划，表明韩国希望依靠高新技术来推动高附加值智能船舶研发，抢占国际造船市场新的制高点。2022年，韩国现代重工集团发布《2030年愿景》（Vision 2030），提出到2030年建成“智能型自主航行造船厂”、成为未来全球智能船舶领域领军企业的发展愿景。

韩国“智能船舶4.0服务架构”

（三）欧洲多国以高技术企业为引领，主推小型船舶自主化与无人化项目

与日韩两国相比，欧洲国家受地理环境、市场规模和产业模式等因素的影响，在智能船舶领域有着相对独特的发展模式。近年来，欧洲多国一直将技术要素作为智能船舶产业发展的核心竞争力，长期以高技术企业作为引领，旨在保持着技术层面的领先优势。与此同时，欧洲点对点短途船运市场规模广阔，因此欧洲船舶工业更倾向于开展小型船舶的自主化无人化项目。此外，欧洲的人力成本相对较高，所以各国更加注重推进无人化和少人化操作实践。

在技术层面，欧洲多国长期致力于保持智能船舶技术的先进性、稳定性与可靠性，同时注重推动新兴技术与市场需求相结合。2012年，德国MarineSoft公司主导开展了“智能化及网络支持的海上无人导航系统”（MUNIN）项目，旨在建立有关无人船舶的技术框架，同时对其技术、经济和法律法规上的可行性进行评估。2017年，英国罗尔斯·罗伊斯公司成立首个智能船舶体验空间，可向客户、供应商和合作伙伴展示最新数字解决方案如何变革船舶行业。2019年，欧盟开启自主船舶项目“AUTO SHIP”，该项目旨在改善欧洲贸易和货物运输环境，进一步完善欧洲船运市场机制。此外，由欧洲各大船企联手打造的全球首艘零排放“无人”集装箱船“Yara Birkeland”号已于2022年5月正式投入运营，标志着欧洲多国在智能船舶技术发展取得了重要的阶段性进展，也进一步验证了欧洲在智能船舶领域的高技术水准。

在政策文件层面，欧洲各大海运强国均将智能船舶技术提升至国家战略高度。2015年，英国劳氏船级社、奎纳蒂克集团和南安普敦大学合作推出了《全球海洋技术趋势2030》（Global Marine Technology Trends 2030）报告，把智能船舶列为18个关键海洋技术之一。2016年，英国罗尔斯·罗伊斯公司发布《高级无人驾驶船舶应用开发计划》（The Advanced Autonomous Waterborne Applications Initiative）白皮书，对智能船舶的未来发展阶段进行了整体规划。2017年，英国劳氏船级社发布《无人海事系统规则》（Code For Unmanned Marine Systems），从适用范围、目的、功能目标以及性能要求等方面对智能船舶进行了相应的论述。2018年，挪威船级社发布《自主船舶和遥控船舶》（Autonomous and Remotely Operated Ships），全方位、多角度对智能船舶技术进行了分析，并提出虚拟测试的概念，以期提高实船测试效率、减小实船测试成本。2019年，法国发布《自主航运》（Autonomous Shipping），对实现未来智能航运的目标提供了整体指南，其中包括通则、风险和技术评估、自动化系统的功能性、自动化系统的可靠性等诸多内容。

欧洲“Yara Birkeland”号集装箱船

二、智能船舶发展瓶颈

现阶段，世界主要海运大国的智能船舶技术发展迅速，在技术标准化、信息和数字化、自主航行等方面均取得了一系列重要突破，但距离真正的“无人船”时代还有一定距离。根据国际主流标准，智能船舶的发展主要分为四个阶段，即互联互通、系统整合、远程控制和自主操作。其中，第一和第二阶段的技术当前已相对比较成熟，只是应用程度深浅不同，而第三阶段远程控制与第四阶段自主操作所对船舶执行系统的可靠性和稳定性都有很高的要求。尽管以欧洲“Yara Birkeland”号为代表的先进智能船舶已经开始进入运营状态，但目前还未能真正实现完全自主操作。总体来看，智能船舶技术的发展仍存在诸多瓶颈。

一是全球定位系统、惯性导航系统、光学和红外系统、雷达系统等多型船用核心传感器的性能还亟待进一步提升。在现代工业体系中，传感器作为获取信息和数据的主要途径与手段，已经深入到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程等诸多领域。目前，智能船舶领域的各型核心传感器在精确性、适配性以及鲁棒性等方面的性能还不足以支撑智能船舶向更高水平发展。智能船舶在复杂的海洋环境中运行需要处理海量数据，如果各型核心传感器不能正确地生成、处理或融合数据，将导致船舶无法进行高精度的态势感知，从而影响自主系统的决策和行动。因此，更多型号、更高性能的船用核心传感器是智能船舶技术向更高水平迈进的必要支撑。

二是现有海事通信技术能力还未能完全满足智能船舶对高连接性、高安全性的要求。相比传统船舶，智能船舶对定位、导航和定时等系统的稳定性需求更高，同时对高清视频、实时雷达等服务的数据吞吐量需求更大。为了实现更加稳定的互联互通，智能船舶需要构建多种不同层次的网络和通道，以提升智能船舶与岸上的连接性以及智能船舶间的连接性，从而提升智能船舶在运行中的稳定性。此外，智能船舶领域同样面临着网络攻击的威胁，更高安全级别的通信渠道是保证智能船舶正常运行的重要前提。目前来看，5G通信技术、高功率卫星通信技术以及可见光或光保真技术能够在连接性与安全性方面对智能船舶的发展提供助力，但这些技术融入智能船舶技术发展体系还需要一定时间，且需要相关的辅助技术与配套软件，短时间内难以形成完备的技术体系，未来还需进一步发展。

三是智能船舶在动力选择、能源供应与能源优化管理等方面还存在短板。目前，船舶节能减排已成为主流，全球航运业向低碳方向发展已成为国际社会的共识，兼具成本管控与节能减排的船舶能源管理系统成为船舶行业发展的重要主题之一。相关分析表示，纯电动力推进方式是当下智能船舶发展的最优动力选择。一方面，电力推进能够有效满足节能减排的需求。另一方面，电力推进能够助力智能船舶更好地实现自主补给、自主充电、自主维护等多种功能，并有助于进一步降低其船舶运营能效指数。但就目前而言，锂硫、锂空气和铝离子等电池技术尚未完全实现商业化，超级电容等新兴技术仍处于早期开发阶段，无法为智能船舶提供连贯和结构化的能源架构和管理系统，因而在某种程度上限制了智能船舶在动力能源层面的技术进步。

三、智能船舶发展趋势

尽管智能船舶技术当前依旧面临着诸多发展瓶颈，但随着信息技术、传感技术与大数据技术等先进技术的深入发展与广泛应用，智能船舶的发展进程定将进一步加快。与此同时，日本、韩国等世界各大海运强国将进一步提升对智能船舶发展的投入力度，全方位促进智能船舶技术的发展。在全球脱碳与智能工业等时代背景下，智能船舶在国际航运领域的重要性将获得进一步提升，相关国际标准制定方面的争夺也将愈加激烈。未来，智能船舶的未来发展将呈现如下三个主要趋势。

一是智能船舶多项关键性核心技术将取得重要突破，船舶自主化智能化程度获得进一步提升。智能船舶在发展的过程中涉及到多项核心技术，除此前提到的传感器技术、通信技术与能源优化管理技术外，还包括路线规划技术、状态监测与故障诊断技术以及遇险预警救助技术等。尽管部分技术目前依旧存在理论支撑薄弱、开发阶段较早、应用化程度不足等问题，但随着各大海运强国投入力度的提升，以及同类型技术在其他工业领域的深入发展，智能船舶的关键性核心技术的发展速度将获得进一步加快，一系列重要技术突破也将随之而来。未来，在信息时代不断发展、相关技术不断进步的加持之下，智能船舶的发展将进一步加快，其自主化智能化程度将获得进一步提升。

二是相关国际标准制定领域的争夺将更加激烈，世界海运强国将持续聚焦智能船舶标准化制定工作。现阶段，智能船舶的发展方兴未艾，整体仍处在技术发展和市场培育阶段，对于发展的关键环节，如智能船舶的定义与分级、船舶智能感知、决策优化等技术还尚未形成统一的国际标准，国际规则将对未来行业发展起到重要的“塑造”作用。自2017年6月ISO/TC8/WG10智能航运工作组第一次会议以来，各大海运强国对智能航运标准化工作的关注与参与力度持续升温。除持续聚焦于标准制定工作的日本外，韩国、挪威与丹麦等国也纷纷加强在智能船舶国际标准制定领域的关注度，相继在多个领域提交标准化提案，加快国际标准化领域的谋篇布局。未来，智能船舶国际标准化制定方面的博弈将日趋激烈，成为各国在技术发展体系外的另一大主流战场。

三是智能船舶的商业应用模式将更为明确，有望开辟出独特的市场运行机制。以目前发展情况来看，智能船舶还未能形成明确的商业应用模式，多数智能船舶项目还处在前期测试阶段，并且在安全监管、适航认可、船员配置、保险购买以及责任认定等方面均处于空白期，距离实现商业化运营还有着一定的距离。不过，智能船舶产业近年来已逐步开始由技术导向和政策导向转变为市场导向，以欧洲的“Yara Birkeland”号集装箱船和我国的“智飞”号集装箱船为代表的智能船舶项目已经开始在商业应用方面进行前沿性探索，未来有望开辟出独特的智能船舶市场运行机制。

四、结语

智能船舶是未来船舶发展的必然趋势，也是引领未来航运时代发展的主流。虽然现有技术水准还未能实现自主航行与商业化运营，但随着数字化、智能化技术不断进步，加之物联网、信息技术、人工智能、5G通信技术的快速发展，智能船舶的发展前景一片大好。我国尽管在智能船舶领域取得了一定成就，但在试验标准体系构建、技术成果贡献、投资资源利用等方面还存在短板，未来还需要多领域、多行业、多部门共同研发、共同创新，以在智能船舶领域夺得头筹，真正实现制造强国、海洋强国的宏伟目标。

参考文献

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作者简介

宗山雨 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究四室，三级分析员

研究方向：海洋和核领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究

联系方式：iite_shanyu@126.com

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