智能水路运输系统的发展与应用:案例分析与前景展望.pdf
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1、1智能航运发展规划动态1.1欧盟先进、高效和绿色多式联运系统AEGIS项目欧洲提出了在2050年将50%以上的公路运输转移到铁路或水路的发展目标,这对于实现可持续增长至关重要。然而,水路运输的发展受制于其依赖铁路和陆路的转运和运输,因此面临一些不利因素。为了克服这个挑战,航运行业迫切需要1种全新的组织运营模式,以促进欧洲近海和内河航运的发展,包括船舶、港口及其之间的数字信息交换。特别值得注意的是,船舶、港口和作业任务的自动化对于实现这个目标至关重要。为了应对这个挑战,欧盟委员会资助了 Ad-vanced,Efficient and Green Intermodal Systems(AE-GIS
2、)项目的开展。该项目旨在开发应对近海和内河航运发展挑战的新知识和技术,推动水路运输系统的竞争力提升。AEGIS项目认为通过船舶和港口的自动化,可以更灵活地为用户提供水路运输服务,同时进一步减少运输碳排放并降低对环境的影响。最终,AEGIS项目致力于将水路运输延伸至物流链的末端,为解决“最后一公里”运输问题提供新的解决方案。图1比利时和荷兰近海、内河联运案例11.2欧盟MOSES可持续短途水路运输港口在欧盟的经济贸易中扮演着重要而不可或缺的角色。据统计,约74%的货物进出口和37%的贸易活动依赖于港口进行完成,使其成为多式联运体系中的关键节点。目前,欧盟航运集装箱供应链主要依赖于轴辐式网络结构,
3、内河港口则充当着长程运输的转运枢纽,通过短途支线运输或道路运输将货物运送至内陆地区,实现多式联运。为了加强短途运输与内河航道的有机融合,推动货物运输从碳密集型的道路运输方式向更高效的水路运输方式转变,欧盟地平线2020计划资助了由雅典国立技术大学主导的自主船舶创新技术与物流运营优化项目(MOSES项目)。该项目旨在利用船舶创新技术、加强基础设施建设以及优化交通物流运营,显著提升欧洲水路运输的绿色、智能、高效和安全水平。图2MOSES项目应用场景及基础操作流程21.3基于河流信息服务的水路运输走廊管理项目欧盟 RIS enabled Corridor Management Execu-tion(
4、RIS COMEX)项目涵盖了13个欧洲国家和14个合作企业。该项目的目标是在现有各国基础设施和服务的基础上,实施和运营基于无缝数据业务交换的跨境河流信息服务。该项目的实施周期为20162020 年 RIS enabled Corridor Management智能水路运输系统的发展与应用:案例分析与前景展望刘佳仑1,2,3陈然1,2,4李诗杰1,2胡欣珏1,2,3(1.武汉理工大学水路交通控制全国重点实验室武汉 430063;2.武汉理工大学智能交通系统研究中心武汉 430063;3.武汉理工大学交通与物流工程学院武汉 430063;4.武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心武汉 4300
5、63)智能水路运输系统的发展与应用:案例分析与前景展望刘佳仑陈然李诗杰胡欣珏175交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期(CoRISMa)项目通过制定欧洲利益相关方在运输管理和交通管理方面的统一方法,为实现明确而统一的欧洲水路运输走廊管理愿景迈出了重要一步。该项目为支持RIS的水路运输走廊管理铺平了道路。RIS COMEX项目的主要目标是将CoRISMa的概念付诸实践。该项目旨在定义、规范和实施跨境水路运输走廊的RIS服务,以实现基于RIS数据的业务交流。通过实施和运营跨境河流信息服务,RIS CO-MEX项目旨在实现可持续运营的目标。图3欧洲水路运输走廊2内河智能船舶发展动态
6、2.1荷兰智能航运路线图之“内河货船”发展愿景面向智能航运发展,2021年11月SMASH!发布了智能航运路线图,描绘了智能航运技术的5种应用场景,包括内河货船、内河渡船、沿海货船、远洋海船、无人艇筏。面向以上应用场景,SMASH!提出了10个研发领域,包括技能和行业认可、责任与保险、立法、通信与安全、技术实施和市场接受度、航道船闸和桥梁、港口、导航和制导、船舶内部系统、远程和岸基控制。内河货船是指可在内河航道上进行货物运输的船舶,莱茵河流域内典型的已经具备现实增强功能的货运船舶有以下几种:集装箱船(containerschip)、内河货船(spits)、深吸式砂船(diepzuigend z
7、and-schip)、干货船(droge lading schip)、推航船(du-wvaart)、汽车运输船(autoschip)、油船(tanker)、粉粒体船(poedertanker)。目前由于内河船员数量短缺,当务之急是通过船舶自动化、智能化技术,减少船舶驾驶员配置数量。预计到2030年,荷兰内河货船总数的25%将实现“自主人工辅助”的自动化水平(国际海事组织IMO第3阶段,莱茵河管委会CCNR第4阶段)。随着大量的智能化设备和船舶投入运营,发展必要的技能与技术需要和立法工作同时进行。在船舶自动化发展进程中,需通过确定船舶的功能需求、岸基支持、与基础设施的交互来获得监管部门的认可,以
8、发展荷兰以及欧洲的水路法规。图4莱茵河流域典型货运船舶32.2欧盟内河货船编队航行项目NOVIMAR2017年,受欧盟地平线2020项目资助,由来自9个国家的22个机构共同参与建立了NOVel Iwt andMARitime transport concepts(NOVIMAR)项目,引入Vessel Train的概念,提高水上运输的经济性。VesselTrain是由1艘含有船员的领导船、以及不同级别的低载人或无人跟随船共同构成的多船编队航行系统。跟随船具备船员操控能力,由船员操纵的领导船进行领导,使跟随船在航行过程中可配备更少的船员,同时采用无人驾驶或低载人驾驶技术来降低劳动力成本,增加经济
9、效益,以增强水路运输整体竞争力。目前,NOVIMAR项目围绕Vessel Train系统架构、虚拟仿真、物理实验等内容进行研究探索,包括概念提出、虚拟仿真、模型试验和实船试验等研发流程。结合现有船舶技术的发展,提出以领导跟随的编队模式进行控制,跟随船可由领导船控制,紧急情况下可由船上船员进行控制。船型设计上,采用新型的滚装船设计以满足内河近海的货运需求。货物联运上,研发新型货物装卸系统,提升了集装箱的装卸效率,进一步提高了运输效率。图5NOVIMAR虚拟仿真42.3欧盟面向智能内河航运的自主驳船项目(AUTOBarge)近年来,由于地理条件的限制,运输需求的迅速176智能水路运输系统的发展与应
10、用:案例分析与前景展望刘佳仑陈然李诗杰胡欣珏增长给运输网络和环境带来了巨大的负荷。驳船物流运输行业也面临着重大挑战。如何改善内河驳船的客观环境,并应对市场所面临的困境,以提高驳船物流行业的发展水平,成为该行业内共同关注的问题。为了提高内河水路在经济效益上的竞争力,并推动内河自主航运的高水平发展,欧盟启动了面向智能内河航运的自主驳船项目(AUTOBarge)。AU-TOBarge项目的主要目标是通过引入智能技术和自主航行的驳船,改进内河水路运输的效率和可持续性。该项目旨在通过自主驳船的应用,提高内河水路运输的安全性、效率和环境友好性,从而增强内河水路在经济竞争中的地位。项目的关注点包括开发智能驳
11、船技术、建立自主航行系统以及优化内河水路的物流运营。通过引入自主驳船技术,AUTO-Barge项目旨在提高内河驳船行业的可持续发展能力,促进内河水路的繁荣和发展。图6欧盟的AUTOBarge自主驳船项目52.4比利时SEAFAR内河货船2020 年 7 月,SEAFAR 在 1 条 135 m 长的驳船Zonga号上进行了远程驾驶过闸试验,由船舶侧/基础设施侧融合多源异构信息,实现船岸协同感知,基于视景影像增强驾驶能力,由岸基控制中心提供支持和辅助,实时集成分析船舶运行状况,具备同时管理和操作多条船舶的能力。2021年2月,SEAFAR在1条110 m长的集装箱船舶Deseo上实现了由泽布吕赫
12、港到安特卫普港的全航程远程驾驶,在岸基驾控中心实时显示水平方向上船舶正前方左右舷各112.5和正后方左右舷各45的航行视景影像,应用5G技术以实现移动通信传输,控制权的切换由岸基批准。目前,SEAFAR远程驾驶系统已应用于荷兰De Vlaamse Waterweg nv 的 Watertrucks+项目的测试,岸基驾控中心的操作员远程控制船舶并以6 km/h的航速驾驶,沿佛兰德斯的伊瑟运河和帕森达勒-尼乌波特运河航道运输建筑材料。3沿海智能船舶发展动态3.1荷兰智能航运路线图之“沿海货船”发展愿景沿海航运对以荷兰为代表的西北欧经济体具有重要意义。欧洲货物的区域运输和大型远洋货船的货物再分配均由
13、沿海货船完成。荷兰境内的造船厂设计并建造了大量的沿海货船,这些沿海货船由不同规模的航运公司持有并经营,最终用于欧洲水域内外货物运输。预计到2030年,荷兰沿海货船将越来越多地具备半自主功能(在部分航程中实现自主导航,例如在船舶交通管制系统(vessel traffic service,VTS)或限制区域外)、自主平台监视和控制以及与外界的自动通信,涵盖一系列标准情况,在降低人员配备的同时实现安全操作。与2020年相比,沿海货船数量预计增长30%并将在未来持续增长,争夺更小的航行空间,越来越多的海上风电场限制了本已繁忙的北海航道。并且为解决船员短缺问题,预计到2030年,第1代的半自主船舶将在降
14、低船员配备的情况下实现运营。船员负责操纵,由岸基控制中心给予支持,使其全面了解船舶状况。VTS/限制区域之外,在技术上和法律上使用无人桥航行是可行的。机组人员需要随时待命,以在发生异常情况时恢复控制。图8沿海货船2030年愿景63.2挪威Yara Birkeland全电动智能航行集装箱船挪威 Yara 公司与 Kongsberg 公司联手打造的Yara Birkeland 全电动智能航行集装箱船项目,于2017年9月启动,2021年11月试航,先后历经5年。在延迟预期交付计划3年后,Yara Birkeland终于实船试航,未来仍将经为期2年的试验期才能最终交付投入商业运营。该项目一方面体现了
15、当下船舶设计建造的顶级水平和未来智能船舶技术发展的愿景;另一方面,高额造价、延期交船等种种迹象均表明了该项目进展的不易和技术创新的困难。图7岸基支持航行下的Zonga号177交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期该项目早期披露整体项目投入约1.11亿美元用于技术研发和实船建造,最终投入2 500万美元建造80 m的120TEU箱船,单船的成本造价过于高昂,是否能够推广值得思考。当然,在整个项目研发和推进过程中,凝练的技术、锻炼的队伍和获得的影响是无法估量的。同时,以挪威船级社DNV、康斯伯格集团Kongsberg、挪威科技大学NTNU、挪威水池(原MARINTEK、现SINTE
16、F)形成的产、学、研、用、检的联合体,在国际海事组织IMO的影响力和国际智能船舶发展话语权的主动性,值得我国相关行业借鉴和关注。Yara Birkland项目迈出了从蓝图到实船的关键一步。在关注国际同行进展的同时,也应取其精华去其糟粕,辨证的思考和看待问题。首先,该船的航行场景较为简单,处于相对封闭的峡湾之中,自然环境(风浪流等)影响较弱、通航环境(通航密度、复杂交汇等)较为清爽,同内河、沿海等交通环境有一定差异;其次,该船的航速较低、载货量小、虽然绿色但不经济,能否维持船只本身的收支平衡是个问题;再次,从面向自主航行功能实现的角度出发,该船配置了双全回转推进器、双侧推、全电驱动,如何在后续技
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