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自主航行船舶的技术路径
时间:2019-11-25     来源:中国船检    

智能航运已经成为航运业发展的一个主要方向,船舶自主航行技术是实现智能航运的关键技术。随着人工智能技术及高速处理器在近十年来的高速发展,自主航行技术的发展已经初具雏形,具有自主航行技术的船舶已经开始进行试验,在未来几年内具有商业价值的自主航行船舶将进入运营阶段。
  自主航行船舶发展现状
  近年来,自主航行技术处于高速发展阶段,一些主要组织和厂家在自主航行船舶领域已经取得了成果:
  罗罗公司的“Falco”号轮渡,船长53.8米。完成离开码头、驶出港口、航线航行、进港、靠泊一系列动作的自主化航行。具有远程遥控功能。

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  瓦锡兰公司的“Folgefonn”号客货船,船长85米。完成离开码头、驶出港口、航线航行、进港、靠泊的自主化航行,具有远程遥控功能。

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  ABB公司的“Suomenlinna”号客轮渡,完成试验区自主航行。具有远程遥控功能。

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  康士伯公司的“Yara Birkeland”号货船,船长80米,于2019年试航。可以进行离开码头、驶出港口、航线航行、进港、靠泊的自主化航行,具有远程遥控功能。
  日本邮船计划于2019年以远程遥控方式让远洋货船横越太平洋的测试。
  商船三井的“ShiojiMaru”号训练船,船长50米,完成自动靠泊和离泊安全性能的示范试验。
  我国的“明远”号40万吨VLOC,船长392米,完成试航,具有辅助避碰决策功能。
  我国的“凯征”号30万吨VLCC,船长300米,完成试航,具有辅助避碰决策功能。
  从自主航行船舶的发展现状来看,远程遥控结合部分自主控制功能已经成为自主航行船舶发展的主要方向。根据应用场景及船型的不同,自主航行技术发展的技术路径也略有不同。
  远程遥控技术
  远程遥控船舶在MSC.99次会议上已经被IMO定义为自主航行船舶的一种形式,在完全自主航行技术成熟之前,自主航行船舶在复杂水域、交通密集、恶劣天气、设备损坏等情况下,自主航行系统无法满足船舶安全的操控需求,需要依靠远程遥控功能切换到人工操控来保障船舶的运营安全。所以,远程遥控结合部分自主控制的自主航行船舶在未来很长一段时间内将是自主航行船舶商业化运营的主要形式。在完全自主航行技术成熟之后,远程遥控也是必要的功能,远程遥控可以实现船队集群管理;监控船舶状态合理配置资源;控制船舶维护维修;收集数据优化运营效率等功能,同时结合大数据、物联网、云共享等技术可以极大提高船舶的运营效率及降低能源消耗。
  远程遥控技术在船舶上的实现相对容易。船舶不同于汽车,在现有技术条件下还无法实现对数以亿计的汽车进行远程遥控,而船舶的数量相对较少,船岸通信在通信容量、数据处理、云存储上具有明显优势。但是,远程遥控技术在船舶上的实现也存在一些技术难点,制约远程遥控技术在船舶上的应用,如船舶大部分的工作区域需要通过卫星进行船岸通信,卫星通信的方式具有易受到天气状况干扰、通信带宽小和通信延时大的缺陷。未来卫星通信技术的研究重点应集中于卫星多频段通信技术、数据压缩技术、数据提取技术、网络安全技术等,通过这些技术可以有效的解决卫星通信的技术瓶颈,促进远程遥控技术在自主航行船舶上的发展。
  船型与自主航行技术
  自主航行主要是指实现船舶的自主离泊、出港、航线优化、锚泊、进港、靠泊的全部或部分过程,三大核心技术为态势感知、运动控制和智能决策。智能决策技术是自主航行的通用技术,在不同船型的应用中使用类同的人工智能决策方式,面向的对象主要为活动目标和障碍物,并不是自主航行船舶本身,所以在不同船型上的应用基本相同。
  态势感知作为自主航行的核心技术之一,是实现船舶自主航行的基础。自主航行船舶在驶离港口、航路避碰和靠离泊的过程中,需要环境感知传感器对航行态势进行识别,传感器的安装需要覆盖船舶的全部盲区,保证船舶对周围环境的有效感知,而且需要使用不同的传感器组合来实现态势感知,以弥补单一传感器的技术缺陷。大型船舶由于体积巨大及盲区面积大,导致传感器需要覆盖的范围更广和安装的数量更多,如何实现大型船舶的态势感知需要从技术和经济的角度来综合考量。相对于大型船舶,小型船舶实现态势感知相对容易,经济成本低,可以更快的投入工程实践和商业应用中去。
  同时,大型船舶需要更多的传感器进行环境态势感知,就意味着需要处理和传输更大的数据量来重构船舶环境态势,虽然船舶与汽车不同,不需要考虑船载数据处理器的体积和功耗,对于成本的要求也不是非常敏感,但是需要考虑海量数据处理和传输,在现有芯片和计算机的技术条件下,需要仔细研究船端数据处理和传输的技术方案,以保证数据的有效性、实时性和可靠性。
  运动模型也是影响自主航行技术的主要因素,船舶运动模型与其它自主交通工具运动模型相比,最大的特点在于船舶运动具有巨大的惯性和海洋环境对船舶运动的随机干扰。惯性叠加随机干扰使船舶运动控制成为一个难点,船型的不同直接导致船舶运动模式和控制效果的不同,进行大型船舶的运动控制显然更加困难。
  小型船舶可以使用多向动力推进系统,如侧推、全回转舵机等,配合动力定位技术的使用,船舶运动轨迹的控制更加精确。在需要多向动力推进系统配合的条件下,计算机程序对船舶的控制能力比人类更加具有优势,而且小型船舶的多向动力推进系统相对于大型船舶的小角度单向动力推进系统也具有更好的操控性能,使小型船舶具有更加出色的运动能力,有效的提高控制精度和机动性能,可以在交通条件复杂的水域和靠离泊阶段可以进行有效的避碰控制,实现全水域避碰和自主靠离泊。大型船舶由于机动性能、运动模式、推进方式等特性,自主航行技术的研究应集中于宽阔水域的航路航行,在现有技术条件下还无法实现完全自主航行功能。
  远程遥控技术在自主航行船舶中的应用已经在国际组织,船级社与产品厂商之间达成了共识,是未来自主航行船舶发展的主要方向之一。如何实现稳定、可靠、安全、高效的通信技术是远程遥控船舶研究中的核心问题。随着卫星统通信技术的突破,远程遥控船舶必将进入发展的快车道。
  自主航行技术应用船型的选择是由营运需求、技术实现和经济成本所决定的。选择在小型船舶上应用自主航行技术可以更快地实现船舶完全自主化航行,自主航行技术在商业中也可以快速得到应用。选择在大型船舶上应用自主航行技术,实现远洋自主航行,可以有效的降低劳动强度、改善工作环境、减少人力资源。不同的组织应该根据应用的需求来选择自主航行技术应用的船型。

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