基于大数据的智能船舶研究

江苏船舶JIANGSUSHIP

Vol. 35 No. 1Feb. 2018

基于大数据的智能船舶研究

陈弓

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏南通226005)

摘要:为了在智能船舶领域取得发展先机，对船舶智能化的进程进行研究。首先,探讨了智能船舶的概念与功 能;其次，介绍了南通中远海运川崎船舶工程有限公司在智能船舶研发方面的实践与进展,阐述了船舶全生命周 期的智能信息服务;最后，提出未来船舶企业不仅需要建造智能船舶,还要建立岸基数据中心及智能信息服务体 系,逐步将为船东的服务扩展至船舶的全生命周期。关键词:智能船舶;大数据;物联网中图分类号：U662.2

文献标志码：A

DOI：10.196/j. cnki. 32-1230.2018. 01.001

〇引言

当前，世界航运市场总体上仍然处于衰退的趋

求进行定制设计。船舶交付之后，由于没有采集船 舶运营中关键数据，所以不能判断船型的优劣，也不 能在后续新船设计时进行全面优化，仅通过售后服 务中船东反馈的零碎问题采取措施进行改善。

智能船舶是指将先进的自动化、信息化、大数据 分析技术运用于船舶的航行和管理，包括信息的获 取、处理及基于分析结果的建议和实施。目前应用 广泛的信息化、大数据分析技术，有互联网、物联网、 实时数据传输、大计算容量、远程控制诊断等。这些 先进技术的应用在保证船舶安全、高效、环保的运营 等方面发挥着重要作用[1]。智能化船舶是一种会 “思考”的船舶，通过安装传感器感知自身和外界环 境大量的信息（如机器数据、油耗、风速、风向等）。 采集的数据作为输入信息，并基于数学模型，利用高 效的计算机处理系统进行综合评估分析，得到可靠 的结果，给出最合适的决策建议，指导船员进行操作 和管理推进导航等系统。此外，智能船舶还具有一 定的“学习性”，即随着收集数据的增加，不断更新 优化数学模型以及模型内的参数，提高分析结果的 准确性，给出更合理的建议，从而增强系统功能。

智能船舶能够解决传统船舶的弊端，实现联网 后可以自动化监测船舶航行时的状态数据（航速、 航向、方位等）、机器设备的参数、燃油消耗等数据。 实时监测数据有助于及早发现异常情况，采取措施

保证营运 全。 这 数据 提供 设 ， 作为后续船型改善的依据。以集装箱船的型线优化 为例，通常将平浮时的设计吃水作为速度优化的基 础，即设计吃水下阻力最小。但目前集装箱调运时 受市场以及港口货物信息与船队信息沟通因素的影 响，集装箱船大部分时间不是在设计吃水下进行航

势，造船业已普遍认识到调整产业结构、制造高端产 品，是在残酷的市场环境中生存的必然之举。随着

倡导“互联网+ ”计划和“中国制造2025”目标 的提出，我国造船业走出行业低谷、升级转型和抢占 战略制高点迎来了发展机遇。“互联网+船舶”是 指在造船业中大量应用大数据、物联网等先进技术。 “中国制造2025”是指坚持创新驱动，绿色转型，通 过应用网络化、数字化、智能化等技术，在一些核心 制造领域取得突破。与此同时，国际海事组织 (IMO)也高度关注自主智能化船舶的发展，并且从 法律法规方面予以支持，开始研究突破最少安全配 员的。2017年6月，IMO第98次海安会讨论 了航运科技大国提出的海上自主航行船舶，同意成 立工作组研究相关的法律、安全、环保对策。会上， 芬兰、丹麦等国介绍了他们在智能船舶领域开展的 工作。本文研究了大数据环境下的智能船舶设计， 从航行、船体、机舱、能效管理、货物管理方面探讨了 智能船舶的功能和研究应用进展，提出建立岸基数 据中心，收集船舶全生命周期的数据，构建大数据环 境，从而为船舶营运提供更全面的技术支持，扩展为 船东服务的周期。

1智能船舶概念

传统船舶是在母型船的基础上，根据船东的需

收稿日期：2017-10-02

作者简介:陈弓（196—），男，硕士，工程师，从事船舶设计建造研究。

2

江苏船舶第35卷

行的。如果这种情况长时间存在，设计单位通过采 集吃水、纵倾数据，得到常用的吃水和纵倾，然后在 此基础上结合航线特点优化船体型线和设计螺旋 桨，为客户提供个性化、更经济环保的船舶。

智能船舶不仅自身智能，还可通过网络将船舶 联起来，以大数据为中心，实现船岸一体化、船船互 联、船货互联。利用物联网的传感、定位、标识、跟 踪、导航等多种手段，实现航运的精细化管理，并向 信息化、网络化、绿色化、智能化趋势发展[2]。如船 舶通信技术船域网（SAN)，航运公司利用该软件不 的航行工况、吃水和到港计划，接收岸基支持中心反 馈的风、浪、流、涌等信息，根据船舶能耗最低的原 则，制定航路、航速。由于海洋环境恶劣多变，该系 统还能在整个航次计划中，根据气象海况环境不断 优化航路、航速。随着科技的发展，在岸基支持中心 的协助下，可以预计未来船舶在海上能够自动避碰、 自主航行，从开阔水域到狭窄水道，逐步提高复杂海 洋环境下的自动避碰技术，实现真正意义上的无人 驾驶[5]。

2.2智能船体

仅能够对主机等设备的状态进行综合管理，还可以 在岸上对船舶进行实时远程监控和软件升级等，减 少了航运管理的责任。

2智能船舶功能

目前，物联网和大数据分析等技术已不同程度

地应用于船舶节能航行、船体管理、机舱设备监控、 能效管理、货物管理等方面[3]，为船舶提供安全、环 保和能效优化建议。智能船舶正在朝船岸信息无缝 x对接方向发展，实现以自主航行、自动避碰、自动靠 泊为特征的无人驾驶和港口自动化装卸与物流。船 舶配备航行状态能效监控、船体应力监测等智能化 设备，需要安装大量配套的传感器，相关的设备系统 也要进行升级改造。系统、人机交互、软件、网络与 通信、数据安全、网络安全六个方面的风险，给智能 船舶的设计带来挑战。

2.1智能航行

在智能航行方面，驾驶室进行合理的功能分区 和配置，按照功能划分为航行和操纵工作站、监测工 作站、操舵工作站、靠泊工作站、航路规划工作站、安 全工作站、通信工作站和指挥工作站。海上导航系 统:具备航行状态和风速风向监控、航线规划、航路 导航等多种功能。机舱监测和遥控系统:船员根据 系统显示的信息判断机舱设备的运行状态。根据不 同功能的工作站，将具备导航、操舵、避碰、航行控 制、通信、监测和报警等众多功能的设备集成在一 起，驾驶室仅需很少的船员就可完成各种监控和操 作，提高了船员操作和管理效率，保证了船舶和人员 的安全[]。

随着大数据分析、通讯技术发展，在分析处理传 感器采集的大量外界和自身信息基础上，对营运航 路的优化选择和航速自动优化已成为可能。 MARORKA、FURUNO和JRC等公司相继开发了能 源监控设备，可以基于气象、经济性和物流信息，制 定和优选航路。设备系统能够根据船舶性能、特定

智能船体包括两方面，一是在设计、建造和营运 阶段建立船体数据库，在船体结构安全和进坞修理 维护等方面提供更加合理的建议;二是航行中收集 监测船体相关的数据，提出船舶操纵中的辅助决策。

全生命周期管理的船体数据库包括船体结构模 型、结构强度分析模型、船体性能计算模型。数据库 的建立是将船体设计、建造和营运各阶段的数据以 标准化的电子数据形式存储和传输，并及时维护与 更新。同时，采用数字传输技术，集成船体监测和船 体结构检查保养数据，实时掌握船体结构状况，预测 结构腐蚀等损坏趋势，预先制定维修计划，从而降低 结构维护成本，延长结构使用寿命。船体数据的采集与 通 船体

及辅

决策系统实现的。它能够对船体结构应力、运动状 态、装载以及海况、航向、航速等数据进行采集、存 储、分析、显示，当这些数据的变化超过预设临界值 时，发出警告，并提供指导船舶航行操作，如改变航

向、航速及浮态的决策。Strainstall海洋科技公司开 发了 StrassAlert船体应力监测系统（HSMS)，可以实 时监测船体结构的完整性及预测船体状况和趋势， 从而降低产生高应力的概率，提高船舶安全性，同时 节约燃料和方便航行管理。特别是在航行状态下或 者货物装卸作业中对船舶应力状态进行监测，并提 醒船长改变航线和航速，以便降低船体应力。当船 体局部出现微裂纹时，能及早发现和采取措施。2.3智能机舱

智能机舱是在机舱自动化基础上，应用状态监 测系统获取信息和数据，分析机舱内主机、辅机等船 用设备和轴系结构的运行状况，提出设备操作方面 的决策和维护建议。目前机舱内主要动力设备已经 实现状态监测的功能，比如机舱监测与报警系统，具 有实时在线监测机舱各主要动力设备运行状态并生 成报警信息的功能。在集控室内的监视屏可以集中 显示设备的运行状态、参数以及故障报警状态，以便 船员全面了解所有设备的运行状态和参数。

第1期陈弓:基于大数据的智能船舶研究3

业界进一步的研发方向为船 虑

数据为基础，多角 范围较广的故障诊断

法，它首先 比如

机等设备的故进行

分析。

智能货物管理是通过在货舱或者货物保护系统 装传感器等设备，采集货物、货舱和货物保护系 统的参数实现的。运

控

数据实

：

分析处理采集的参数，达到对货舱、货 议。 装载 的

障诊断与性能优化。在故障的诊断与分析方面，考

有性能参数分析

传感器、仪器获取设备的性能参数，，如某些参数超过临界值给出报警提醒、操作建

，根据采集的船体、强度数据对货物的进行优化。如设计装载冷藏箱的集装箱船

的冷藏

控系统，

控冷藏货物传感器，收集冷

。其原理是在冷藏

、温度、气压、油压、力矩等;然后对采集到

的信息进行比较、分析，依此判断船用设备的工作情 及其故障趋势。相比传统故障分析方法，运用状

系统能够筛选出测试对象的相关信息进行分

析，提醒船员发生故障或性能劣化的 ，产生故障

藏箱的参数，把数据通 藏箱集中控制器上传到

的原 及故障 的发展趋势等。以往航运公司根据 定

周期固定的设备维修保养

。

故障诊断系统的出现，使得设备维修保 养 更为合理。视情维护系统根据故障诊断与健果，制定机舱设备及

的

维护

。

2.4

智能能效管理

智能能效管理是通过在船 装能效监控与管理设备实现的。能效监控系统 如图1所示。能效监控系统 包括数据采集

处理系统。能效监控与管理设能够实时采集航行、设备的

耗能

数据，在此基础

船舶的能效 、行及装载。更

次地，采

数据处理、优化分析，为船舶提供数据 的结果以及 k

方面的建议。例如航行中给出最优

的建议，使

船舶能耗最低;装载计算机能

出最佳的装载方

，保证船舶的 最优，船舶 油耗较低。冰

的Marorka能效监控与管理系统能 控机器和船舶的性能参数，定期查看船舶的能效，优化船 舶的 ，减少船舶

能耗。 据船

舶航行数据， 次

、

、船舶效率、燃料消耗

及航行成本核算分析

果，形成航速优化方案。 优化、纵倾优化的

取决于数中使用的

功率

。

运营

延

，船体 面的污底增加并降低推进效率，功率 改变。能源监控系统采集船、功率等数据，

数据分析

，模拟得到更

后的 功率 ，保证 优化 优化预报的 。NAPA公司 发了 优化 优化模块，根据更新的风、波浪、海

，规划最优的

，基于油耗最

出不 的最优 ，

船

行 。此外，NAPA 优化模

块与装载计算机系统集成，可以基于 优化的结

果， 出实 最优 的装载方 ， 船 根据装载方案进行货 压载水的装载。2.5智能货物管理

船用电脑，并由船用电脑发 集装箱信息中心的

管理系 统。 船 管理 能 了藏箱的 藏箱的运行。液化天燃气（LNG)运输船安装有压 系统，用于 货舱的温 压 ， 化 然 气气 化。 油 船在、压载舱及空舱等处所安装气体探测系统，用于

检

、硫化

性气体 超标。对于车

、钢卷、大型设

及集装 货 的

，

通 传感器来计算货物具体行为并判断货

的

。货

载优化

装

较为复杂的问题，不仅需要考虑 、稳性 ，还要考虑装货 、装 、货

性等，因此实

来 有 定 。

能效监控系统构架

3智能船舶研发

南通中远海运川崎船舶工程有限公司在智能船

舶领域开展了探索工作。在 研、船东意

后， 发了智能船舶能效管理系统，并于

2017年9月安装在13 000 ; 集装箱船上。该系统具 优化、燃理、报告管理、远程监控、性能分析、污底分析等功能。系统利用

通 传输

，将船舶运行

数据传输到

岸端数据中心，并对数据进行分析。系统装船后，将

为

集装箱船的节约燃油和操作维护提供，推船舶更高效、更安全、更 的运营管理。系统经

年的运行，取得了预期的效果。（下转第30页）

30江苏船舶第35卷

域信号指标一般会成倍增加，此时可预报故障。的进一步研发有着非常重要的意义。参考文献：

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3结语

推力轴承模块的可靠性设计对于提高吊舱的安

全稳定至关重要。采用封闭油箱的油浴润滑系统在 保证轴承充分润滑的基础上，还可实时对油液取样 化验，检查轴承的磨损情况。在非驱动端设置轴承 绝缘有效地抑制了轴电流形成回路，避免轴承遭到 电击腐蚀。对滚动轴承的温度和振动进行监测，可 及早发现问题，避免安全事故发生。这些措施可全 方位地保障推力轴承的良好运行，极大地提高轴承 的使用寿命。2013年9月，ABB公司曾对已运行 9 a的吊舱推进器进行检修，检修发现采取以上措施 的推力轴承模块仍然保持在非常好的状态[6]。由 此证明这些措施是有效可行的，这对于吊舱推进器

(上接第3页）

将来根据客户要求，逐步拓展更多领域的智能管理， 扩充智能符号的内涵。同时智能船舶能效系统采集 的数据将为船型优化、新船设备选型及系统优化升 级提供有力的支持，从而提升产品的性能和竞争力。

革，三方的联系更为紧密，合作的模式也将发生变 化。近年来，基于互联网、大数据、云计算等技术，智

传统 的决。

船舶

决定着

船舶行 的发

向，也是实现智慧航运的重要基础。

4船舶全生命周期服务

过去在船舶交付之后，船东、船厂之间的联系相

5结语

本文探讨了智能船舶的技术在节能航行、船体

x对较少，未来船厂与船东需要加强联系紧密合作，不 仅需要制造“会思考”的智能船舶，还要构建自己的 岸基数据中心。通过岸基数据中心，收集从船舶设 计、总装建造、船东运营到船舶保障这一船舶全生命 周期内的数据，并提供维护、保养、升级、改造等信息 和技术方面的支持，使为船东的服务扩展至船舶的 全生命周期。船舶安装的监控系统，实时地将航行 状态、设备运行状态等关联信息传输至岸基中心，另 一方面岸基中心接收气象监测中心传输的海洋环境 信息，融合航运市场、运营信息，构建船厂、船东共同 需要的大数据环境。建立大数据分析的流程体系， 为单船航行进行数据建模，分析处理并提供决策建 议。然后将数据分析流程应用于船队航行，最终形 成集群空间，探索普适性规律，预测个体的活动。大

数据基础上的船舶“工业4. 0”，它以智能船舶为核 心，对于设计单位、船厂和船东都是一场巨大的变

全生命周期管理、机舱设备监控评估、全船能效管 理、货物管理等方面的应用，未来的目标是自主航行

步实 。 为了 船舶 化的发趋势，船厂不仅需要制造智能船舶，还要建立岸基数 据中心以及智能信息服务体系，最终为客户决策提 供技术支持，同时为船东的服务扩展至船舶的全生 命周期。参考文献：

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