船舶自主航行关键技术研究现状与展望

船舶自主航行作为智能船舶的显著特征,日益受到工业与海事企业的关注。为把握船舶自主航行现状和发展方向,开展相关关键技术研究调研与综述。分析近三年国内外船舶自主航行技术的发展现状,针对航行态势感知、认知计算、避碰决策、航行控制、赛博安全等关键技术,剖析其技术内涵、研究现状与应用情况。针对智能航行关键技术现状与技术需求,从态势感知、认知与决策、控制与安全3个方面对船舶自主航行的未来发展进行了展望。     

从专利布局看全球智能船舶关键技术发展路径

通过检索全球智能船舶领域的专利文献，采用定量与定性相结合的方法分析专利发展路径，全面展现船舶领域的技术创新态势；聚焦信息感知、网络通信、能效管理和自主航行等关键技术，从专利布局的角度研究技术发展路径，提出专利发展建议，以期为国内该领域的创新主体提供借鉴和参考。     

自主航行船舶的技术路径

<正>自主航行三大核心技术为态势感知、运动控制和智能决策。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。     

智能船舶航行系统测试的方法与体系

如何对智能船舶航行系统进行测试，是世界各国及相关国际组织在智能船舶发展过程中面临的一个重大挑战。在机器学习(Machine Learning, ML)、人工智能(Artificial intelligence, AI)等技术大量应用的背景下，传统的导航系统测试方法已难以有效覆盖智能航行技术的新特征。本文在概述与分析了智能船舶航行系统的功能特征和测试需求基础上，总结了现有智能系统测试方法的优缺点，提出了智能船舶航行系统测试思路和方法，并构建了一种以场景为中心，多种测试方法协同的智能船舶航行系统测试体系，旨在提高系统研发测试效率，促进智能船舶产业发展。     

基于可视分析的船舶航行态势感知系统设计

针对船舶交通管理系统(Vessel Traffic Services,VTS)管理决策与人机交互智能化的不足,以态势感知理论与可视分析技术为手段,设计基于可视分析的VTS监管水域船舶航行风险态势感知认知框架,分析基于时空数据挖掘的船舶航行风险态势评价方法、船舶航行风险不确定性预测模型及VTS管理人员决策多维参数可视化有效算法等关键技术,通过系统评估方法开展可视分析系统验证与改进。研究结果表明:借助可视分析方法,该系统可实时监控水域中的航行风险演化,保障安全通航,为航行决策提供重要的参考依据,可对未来研发VTS智能化系统提供技术支持。     

航行控制算法的智能评估架构设计

控制算法测试验证评估是确保智能船舶航行性能可靠性和安全性的关键。本文梳理了国内外智能评估技术的发展现状,以Transas船舶航行模拟器为船舶智能航行虚拟测试平台,进行航行控制算法测试评估。根据船舶直线段和弯曲段航行特征建立评估指标,提出航行控制算法智能评估系统的设计思路、框架结构和构建流程,初步建立虚拟仿真测试下的船舶航行控制算法智能评估体系,指出该智能评估系统所涉及的关键技术。基于以上研究,对船舶航行控制算法虚拟测试评估技术和未来改进方向进行总结。     

面向智能航行的货船“航行脑”概念设计

提出"航行脑"系统的概念设计。该系统是服务于船舶智能航行的人工智能系统,由感知、认知和决策执行等3个功能空间组成。"感知空间"获取船舶在航环境和自身状态信息;"认知空间"根据感知的信息抽象出航行态势,实现自身状态辨识,最终基于人工驾驶记录和机器学习建立智能船舶驾驶行为谱;"决策执行空间"利用"感知空间"反馈的信息修正"认知空间"的态势认知,在驾驶行为谱的支持下实现对智能船舶的鲁棒控制。分析"航行脑"系统的"感知空间""认知空间"和"决策执行空间"等关键技术,并展望"航行脑"系统在智能货船上的应用,以实现货船的智能航行,达到减少配员、降低排放和提高船舶航行安全性的目的。     

智能船舶创新发展思考

围绕智能船舶创新发展,提出狭义和广义两种概念,归纳其呈现的五大技术特征:全面信息感知、高度自主航行、超级节能环保、绝对安全可靠、群体智能协同。在此基础上,总结船舶智能化和智能船舶两种发展路径,为相关研究人员提供参考,共同推动我国智能船舶发展能力的全面提升。     

智能船舶航行功能测试验证的方法体系

智能船舶航行技术发展的核心在于构建从辅助决策到自主驾控的完整软硬件系统,实现人工驾驶到智能驾驶的演化,而核心技术的突破与软硬件系统的研发离不开完善的测试验证体系和健全的规范标准。对目前国内外智能船舶测试场现状进行综述,对以性能、能效、信息、智能为对象的智能船舶航行功能测试构想进行解析,最终提出以虚拟仿真为初试、模型测试为中试和实船验证为终试的智能船舶航行功能测试验证方法体系。     

智能货运船舶研究现状与发展思考

智能货运船舶是涉及船舶设计、动力组成、状态感知、信息处理、通信控制、风险辨识、人工智能等多学科交叉的研究领域,其发展旨在使水路运输更安全、更环保、更经济。首先,分析货运船舶自主控制与决策的特点与难点,阐述国内外智能货运船舶的研究现状;然后,从智能航行、智能机舱和远程驾驶等技术方面,展望未来智能货运船舶的发展方向;最后,提出发展智能货运船舶的几点思考。     

多船舶同时航行中的调度数学模型设计与实现

在多船舶同时行进航道水上交通网络中,船舶拥堵容易导致水上安全事故,需要进行水上航道船舶航行调度。本文针对当前调度模型的吞吐量低,时滞较大的问题,提出一种基于船舶航行流量分簇预测的多船舶同时行进中的调度数学模型。构建多船舶同时行进的通行流量的信息感知模型,采用RFID标签识别技术进行船舶航行流量的数学统计,构建船舶进出港的交通态势预测多元状态方程,以历史测量信息作为先验统计量对方程进行优化求解,实现船舶航行流量分簇预测,以此为信息统计量进行交通调度。仿真结果表明,采用该模型进行多船舶同时行进调度,能提高单位时间内的航道通行量,且对航道船舶流量的预测精度较高,调度的时间开销较小。     

智能新能源船舶的概念及关键技术

绿色和智能是当前船舶技术的发展趋势。文章首先提出了智能新能源船舶的概念,并介绍了智能新能源船舶的内涵、特点和系统构成;然后,从船舶航行、动力和推进3个方面分析了智能新能源船舶的关键技术;最后,对智能新能源船舶的未来发展进行展望。研究结果可为船舶的创新研究提供技术支持,引领船舶技术转型升级的发展方向。     

VTS在海上自主航行船舶（MASS）服务中的责任与策略研究

海上自主航行船舶(Maritime AutonomousSurface Ship,以下简称“MASS”),简单来说是指利用传感、通信、物联网等技术手段,自动感知和获得船舶自身、海洋环境、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、大数据技术、智能技术,在航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶。     

基于雾计算的航道流场实时态势感知

参照雾计算的基本原理,通过对传统航标进行技术改造,应用物联网、雾计算技术,能够使其成为提供新型服务的海上通信基础设施之一。基于雾计算的航道流场实时态势感知,通过雾计算接入网(Fog Radio Access Networks,F-RAN),整合新型航标、物联网设备、附近水域的航行船舶等集群节点的可用计算资源,对分布式传感器的大量数据进行实时计算,生成航道附近水域流场的通用态势图,特别是可能出现流切变、横流较大等重要航段的流场数据,实时发布给附近水域航行的船舶,以提前做好预判并采取适当的操纵应对措施,保障航道内的航行安全,提高船舶航行安全系数。     

多功能智能测流航标的研制与应用

专门研制的多功能智能测流浮标,运用标准横流标(浮标)为载体,配置集成专用多普勒流速仪、超声波水位器、风速风向传感器、卫星定位器、数据信息智能处理器等设备与专用管理系统,有效解决内河航道重要河段、河口的水位、水深、流速、流向、能见度、风速、风向等与船舶航行有关的实时动态要素的智能采集与传输等技术问题,实现内河航道要素船岸智能感知,引导船舶安全航行。     

极地船舶规范及其主要技术发展

通过梳理极地船舶国际公约、规范技术现状，分析中国船级社建立的极地航行船舶规范特点，并结合我国极地战略及发展需求，总结未来极地船舶规范的技术发展趋势。针对极地船舶破冰技术、防寒技术和航行及保障技术等重要关键技术问题，从船舶结构冰载荷技术、冰载荷作用下的结构强度计算、冰载荷激励下螺旋桨和轴系强度、极地船舶防寒设计与低温试验验证、极地操作能力评估和冰区操作船体监测技术等方面进行阐述，提出了发展建议，为未来我国极地船舶规范体系的自主构建提供技术支持。     

智能船舶的系统设计与研究

随着航运技术发展,船舶信息化程度逐渐增强,对船员的能力要求也越来越高。目前,对船舶运行状态的判断还是以船员的经验和理论知识为主,如果决策失误,势必对船舶造成损失。针对这一情况,提出基于智能信息处理的智能船舶。智能船舶利用信息化技术,实现智能化感知、分析、判断、决策和控制,最终达到降低人为因素导致的事故,保证船舶安全航行的目的。本文研究面向应用的集成智能船舶信息处理系统,提出基于神经网络的趋势预测模型和基于模糊神经网络的故障诊断模型,最后给出仿真结果。     

海事航海保障智能船舶关键技术发展思考

针对海事航海保障船舶智能化水平不高的问题,本文首先介绍国内外智能船舶技术发展现状;然后结合现有海事航海保障业务开展及船舶配备情况,分析指出智能船舶技术发展存在的问题;最后从智能航行、智能机舱、智能能效管理、智能作业、远程控制等5个角度对海事航海保障船舶智能化转型进行了分析,可为海事航海保障智能船舶关键技术发展提供参考。     

基于SAR的深远海船舶动态感知技术应用展望

针对现有技术手段对深远海区域船舶动态感知能力不足的问题,分析了基于SAR的深远海船舶动态感知技术实现深远海船舶动态监控的可能性,并对海事应用场景进行了初步研究,认为该技术可用于大区域深远海船舶交通态势分析、深远海遇险船舶定位及应急指挥、海事日常空中主动巡航监管,可作为海事系统技术体系的一个重要组成部分"陆海空天"一体化...     

Multi-agent技术在海上船舶避碰决策系统开发中的应用

计算机控制技术的发展给船舶行业带来了新的发展,为了最大限度保障船舶的航行安全,通过计算机通信技术和智能算法,人们已经能够实现船舶的自动避碰,这极大地降低了船舶的事故率。但是传统的避碰决策系统并不能同时处理大量的船舶航行数据,因此必须借助Multi-agent技术,提高船舶的避碰数据处理速度,在显著提高避碰效果的同时,有效降低了航运成本。本文通过建立基于Multi-agent技术的船舶避碰模型,分析了该技术的应用效果。