智能水路运输系统的发展与应用：案例分析与前景展望.pdf

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）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，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（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 430063）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 zand-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SINTEF）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，如何在后续技术应用推广中减配、降本是巨大挑战；最后，能否最终实现减员，突破或推动法规的实质性转变值得关注和期待。图9电动和自行式集装箱船Yara Birkeland73.3瓦锡兰Intellitug智能拖轮瓦锡兰Intellitug智能拖轮项目是由技术提供商瓦锡兰牵头，与PSA Marine、劳氏船级社、新加坡近海和海洋技术中心合作，由新加坡海事和港务局与海事创新和技术基金支持的1项以智能、自主、高效、安全、清洁、灵活为目标的以人为本的拖轮智能辅助技术开发与应用项目。该项目以PSA Polaris号港作拖轮为载体，以自动识别系统、全球定位系统、光/热成像摄像机、自动识别系统接收器、K波段高分辨率雷达、运动参考单元为航行态势感知及定位手段，以自研动力定位系统为位置及动力分配手段，以智能学习算法为导航及避碰手段，以自主船舶模拟器及实船海上试航为测试手段，最终实现船舶的辅助决策与自主航行。该项目实现了K波段海事雷达的首次商用，MPA智能水面船海上试验监管沙盒的首次应用，全球首次商业水面自主船的海上试验。瓦锡兰和 PSA Marine 将持续开发与 IntelliTug 及其系统，致力于在现实生活中的港口船舶运营中持续部署智能功能，以补充和增强拖轮船长的能力和经验。图10瓦锡兰未来智能拖船83.4日本邮船公司拖轮远程驾驶示范2018 年日本邮船公司（Nippon Yusen Kaisha，NYK）和该集团公司的MTI有限公司、Keihin船坞有限公司和日本海洋科学有限公司（JMS）被日本国土交通省选中参与船舶远程驾驶的示范项目。2020年1月日本国土交通省远程驾驶示范项目以吉野丸拖轮为对象进行了远程控制测试，对岸基实时监测、路径规划和设备/船岸通信故障相应能力进行了评估，航行区域位于东京湾横滨和横须贺港之间，航程约12 km，远程控制由 400 km 外的兵库县西宫市完成。项目测试中，远程操作中心的操作员能够使用拖船配备的传感器和摄像头来识别周围情况，并制定路线计划和行动计划（防撞路线计划），然后计划由操作员和拖轮船长批准执行。NYK及其集团公司为了应对设备或船岸通信故障，于 2020 年进行了第 2 次测试，测试内容为 2项：设备故障或船岸通信中断时响应功能的测试，目的在于确认设备或船岸通讯故障条件下的船舶安全功能或维护船舶有限使用的情况；数据通信量优化测试，用于评估船舶远程控制的可用通信带宽对数据通信量的优化功能的影响。3.5三星重工T-8拖轮远程自主航行三星重工于2020年10月19日宣布，在巨济造船厂附近海域成功对 1 艘长 38 m、300 t 级实船“SAMSUNG T-8”号进行了远程自主航行测试。这是韩国造船业界首次进行的远程自主航行实船海上178测试。三星重工将自主研发的远程自主航行系统Samsung Autonomous Ship（SAS）安 装 在“SAM-SUNG T-8”号拖船上，并取得了成功验证。SAS系统能够实时分析船舶上安装的雷达、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、船舶自动识别系统（automatic identification system，AIS）等航海通信设备的信号，并识别周边船舶和障碍物。该系统根据船舶的航行特点评估船舶碰撞危险度（collisionrisk index，CRI），找到最佳避碰路径，并通过推进和转向装置实现自动控制，使船舶能够独自安全地航行至目的地。此外，通过应用全球首个适用于实船的船用360度全景式监控影像系统（Around View）和LTE/5G移动通信技术，可以在远处的陆上控制中心直接观察船舶的影像，并对船舶进行远程控制。在试运行过程中，“SAMSUNG T-8”号拖船在没有船员介入的情况下，安全地航行至约10 km外的目的地，并展示了自行避碰其他船舶和障碍物的技术，其避碰范围为1 km半径。同时，位于大田的三星重工船舶海洋研究中心的陆上远程控制中心通过高性能摄像头将船舶影像传回大屏幕，利用增强现实（augmented reality，AR）技术实时监控船舶的运行状态，并确认了造船厂周边海域环境和障碍物。于2021年2月10日，三星重工宣布将在木浦海事大学的帆船练习船“Seegeroho”上配备自主研发的远程自主导航系统SAS，最早将在木浦至济州岛的练习航线上启动该系统。4船舶智能装备发展动态4.1荷兰Mampaey公司磁力式自动系泊系统Mampaey海洋工业公司总部位于荷兰，专注于提供先进的集成牵引、系泊和靠泊系统，以满足各种综合停泊和停泊需求。该公司的主打产品和服务套件是imoor系统，可广泛应用于渡船、油轮等各类场景。Mampaey公司最近推出了1种自动磁力系泊系统，该系统在船舶与船舶或船舶与岸边之间提供完全自动化的系泊过程。该自动磁力系泊系统具有高度智能化和自动化的特点，能够实现快速而可靠的系泊操作。该自动磁力系泊系统的引入将极大地简化和提升系泊过程的效率。船舶操作人员可以通过使用该系统，减少人工干预和操作错误的可能性，提高船舶停泊和靠泊的安全性和准确性。Mampaey公司的磁力式自动系泊品已经在油轮、渡船上安装并进行了广泛的测试和应用。Mampaey公司开发的智能系泊系统iDL是世界上第1个磁性停泊系统，它的成功应用使得伦敦渡轮停靠所需时间减少至10 s，该系统由2条液压控制的手臂组成，每个手臂的末端都有1块磁板，尺寸约为15001500 mm，能将渡船固定在码头。图13电磁式自动系泊装置11磁力系泊提高了工作环境的安全性，并使工人在系泊过程花费的时间更少，减少了船上缆绳的配备。然而，磁力吸盘产生的磁场会对船上的磁力设备产生一定的影响，在系泊时增大了舷侧的局部载荷，对液压缸和磁力吸盘的控制难度大，增加了港口建设成本等因素制约着磁力自动系泊的应用。4.2瑞士Cavotec公司真空式自动系泊装置瑞士的Cavotec公司专注于港口和海运领域，致力于为港口起重机和船舶等设备提供电气化和自动化系统。该公司的主打产品MoorMaster真空系泊设备在单船系泊、多船连接等多种场景中得到了广图11吉野丸号远程导航测试9图12韩国T-8拖轮示范10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179交通信息与安全2023 年3 期第 41卷总 244期泛的应用。Cavotec公司通过其MoorMaster自动系泊系统为各种滚装船和渡轮应用提供支持，实现了系泊时间的缩短，并降低了船舶的巡航速度。这个自动系泊系统的引入不仅减少了系泊所需的时间，还降低了燃料消耗以及码头区域的空气和噪音污染。特别是在受潮汐和天气影响较大的港口，Cavo-tec公司的真空式自动系泊系统能够确保操作的安全性和可靠性。图14真空式自动系泊装置系统11就目前系泊情况而言，真空式自动系泊是1种非常好的替代方案。它打破传统系泊模式，无需系泊缆绳，可通过远程遥控在数秒钟内完成系泊，具有可靠、安全、高效、经济的特点，节约了人力的同时，提高了码头的使用率。真空式自动系泊也不可避免地存在一些相对局限性，以及对船舶设计有一定的要求。初始安装费用较高而且系统的维修保养比较复杂。但是，从长远来看，自动系泊系统带来的效率提升、减少的人员成本能够产生可观的经济效益。4.3罗罗高等级辅助驾驶系统与智能操控产品近年来Rolls Royce正在扩大其 mtu NautIQ 船舶自动化系统的功能和应用范围，并推出3款新产品：智能驾驶员辅助系统（mtu NautIQ CoPilot）、自主船舶导航指挥系统（mtu NautIQ CoOperate）和无线远程掌舵系统（mtu NautIQ CoDirect），提供不同级别的船员智助支持、自主控制和远程指挥能力，并在航道测量船、拖轮、混合动力货船等进行了试点应用。4.3.1智能驾驶员辅助系统（mtu NautIQ CoPi-lot）该系统旨在提供船只操作员在水上操作中的辅助功能和支持。系统采用了机载处理单元、摄像头系统和处理器，以及用户界面触摸屏等组成元件。系统的运行模式为人在环路，系统不干预人工操作。图15智能驾驶员辅助系统12该系统提供了3种功能模式，分别为引导模式、警卫模式和航程模式。在引导模式下，系统通过提供视觉指示和声音警报来帮助操作员避免与船只或其他障碍物以及低深度的潜在运输冲突。该模式下系统不进行主动控制，只提供警示和指示。警卫模式下，系统通过视觉指示和声音警报向操作员提供潜在冲突的信息，并提供行动信号。如果操作员不采取任何措施，系统将接管控制以避免危险情况的发生。航程模式是系统的自主控制模式，通过许多内置的行为和功能，系统能够从头到尾自主控制计划的航程，以支持各种水上操作。MTU NautIQ CoPilot 智能驾驶员辅助系统的引入为船只操作提供了重要的辅助功能。通过机载处理单元、摄像头系统和处理器等组成元件的协同工作，系统能够在不干预人工操作的情况下，通过引导模式、警卫模式和航程模式，提供视觉指示、声音警报和自主控制功能，以帮助操作员在避免潜在冲突、处理危险情况和自主控制航程等方面做出明智的决策。该系统的应用具有广阔的前景和潜力，为船只操作的安全性和效率提升提供了有力的支持。4.3.2自主船舶导航指挥系统（mtu NautIQ Co-Operate）该系统旨在实现离船远程指挥船舶航行、跟踪目标以及提供视频等感知信息的功能。系统由1个带有传感器集成的机载外壳和 1 台笔记本电脑组成。该系统的控制对象是船上所有拥有有效荷载能力的器械。为了实现态势感知，系统利用摄像机、传感器和其他设备从另1艘船上或岸上的第2个位置获取感知信息。通信手段采用IP无线电、4G网络或卫星通信，可以实现可达3 000 n mile及以上的远程控制距离。MTU NautIQ CoOperate 自主船舶导航指挥系180统主要适用于常规且单一的船舶任务。通过机载外壳中集成的传感器和笔记本电脑的协同工作，系统能够实现远程指挥船舶航行、目标跟踪和提供视频等感知信息的功能。该系统的引入为船舶导航和指挥提供了更高的灵活性和效率，具有广泛的应用前景。4.3.3无线远程掌舵系统（mtu NautIQ CoDirect）该系统的功能是让船员能够远距离操控船舶的航行和作业。系统的控制对象包括船舶的发动机、转向舵机以及拥有有效载荷能力的吊机等。该系统的控制距离限定在1 000 m以内。系统由1个机载外壳和1个远程用户移动设备组成，二者通过1个安全无线电链路在1 000 m范围内连接。机载外壳与船舶的发动机、转向、传动装置和辅助装置进行连接，同时还包括用于消防泵、声纳、绞盘、起重机、ROV或船阱等元件的有效载荷控制装置。远程用户移动设备配备有操纵杆、转向旋钮、11个可分配开关和彩色LCD屏幕，用于控制齿轮和油门等功能。MTU NautIQ CoDirect无线远程掌舵系统使得船员能够通过远程用户移动设备在安全距离内操控船舶的航行和作业。该系统通过机载外壳和远程用户移动设备之间的无线电链路实现远程控制，并提供了多种控制元件和功能，包括操纵杆、转向旋钮和可分配开关等。该系统的引入为船舶操作提供了更大的灵活性和便利性，具有广泛的应用潜力。5总结与展望通过案例分析，本文探讨了智能水路运输系统的发展与应用。从智能航运发展规划动态、内河智能船舶发展动态、沿海智能船舶发展动态以及船舶智能装备发展动态等多个方面进行了详细讨论。这些案例展示了智能化技术在航运行业中的广泛应用，以及其对提高运输效率、保护环境和推动可持续发展的积极影响。但是仍然面临一些挑战，如技术标准的统一、安全性和隐私保护等问题。因此，在未来的研究和实践中，需要加强国际合作，制定统一的标准和规范，并注重技术创新和人才培养。只有这样，智能水路运输系统才能真正实现其预期的效益，为航运行业的可持续发展做出更大贡献。来源：留理科研图16自主船舶导航指挥系统13图17无线远程掌舵系统14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181