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中国“大智号”:全球首艘智能船舶,智慧领航
先进制造
2018-05-07 12:59
作者  悦智

封面1(1).jpg

在船舶制造业“以大为美”的时代,中国船舶工业集团公司研制的全球首艘智能船舶“大智号”,凭借其“聪明的大脑”正成为新的领航者。

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进入21世纪,现代船舶的大型化和技术的复杂程度使得人为控制和管理变得日益困难。远洋船舶常常要在海上航行数十日,跨越近20个时区,船员们很难适应这种时差变化,身心俱疲,因而容易发生事故。据查尔姆斯理工大学的统计,84%的油轮事故、89%的碰撞事故以及75%的火灾事故都与人为因素相关。因此,降低船舶控制和管理难度、减少人为误操作、提高船舶营运的安全性是航运企业首要考虑的问题。此外,船舶设备的状态对营运的安全性和效率也有着直接的影响,船员经验的缺乏、监测手段的不足,会使船舶营运者无法掌握设备的健康状态信息,造成维修和补给不及时,船东易遭受由于设备故障和旅客滞留造成的损失。

面对这些困境,船舶的智能化提供了切实可行的解决方案,通过机器自主学习手段,让船舶学会“思考”,具备全船智能感知融合、自主评估与决策、船岸一体化与面向全寿命周期等能力,在航运业持续低迷、运营成本居高不下的大背景下,可以更好地保障航行安全,提高运输效率,让船东省钱、省力、省心。 

船舶智能体系:从“买好船”到“用好船”

传统意义上的智能船舶,通常意味着更先进的船型、更高效的柴油机、更高强度的螺旋桨等。然而,面对新形势下的船舶业困境及船东各类定制化的运营需求,通过实现船上设备“近零故障”、航线与航速动态优化、“无忧”管理等“用好船”的方式则可以提供一个全新的智能船舶创值视角,能够更好地提供面向营运的解决途径。

所谓船舶的智能体系,其关键在于通过知识驱动的机器自主学习,采用基于预测的决策技术,协助甚至部分代替人工;以信息物理系统(CPS)为框架,达成面向船舶对象空间、群体空间、环境空间协同的自感知、自记忆、自认知、自决策、自重构等自治能力;面向船舶的设计、建造、运行和维护的全寿命周期,实现全船级-船队级的创值服务,有效满足船舶航行的安全性、经济性、环保性及高效性需求。

在船舶行业需要的智能体系当中,包括了各类满足船东需求的智能系统。首先,船舶智能系统一定不是传统信息系统的简单增强,“通过机理找问题、通过阈值做监控、通过经验做管理”的传统模式已难以满足未来船舶营运过程中多维度、多层次、动态化的应用要求,而以CPS为核心的智能技术体系,则具有关注动态过程、多源化多维度关联评估与预测、多问题多环境乃至全产业链协同优化等自主学习能力,能够针对日益复杂的船舶系统,结合大数据挖掘,构建深度学习的信息平台。其次,船舶智能系统必须面向船舶行业的需求,面向船舶产业链各环节,帮助用户构建一个从设计到使用维护的船舶装备载体,更好地保证船舶的航行安全,提高运输效率,减少、控制和预防人为因素造成的事故,降低能耗和减少排放等。同时,船舶智能系统一定是集成化、规模化、定制化的,走集成化路线,降低传感器、总线等的重复率,可以解决船舶功能应用的零散性、孤立性等问题。 

“两端两云”的船舶智能体系

实现“用好船”所带来的工业智能化能力的整体提升和工业智能信息服务的体系完善,应当通过顶层的整体层次架构、核心的CPS模型空间建立、数据分析共享与清洗的体系建立等步骤来实现,在做实已有设备层、控制系统层的基础上,做深新增船舶网络层、数据管理层、数据分析层、数据利用层、岸海(船舶)无线通信层、群体智能学习层和岸基服务应用层,最终,以用户实现“最小代价获得最大利益的运营”为目标,搭建一个面向船舶行业全寿命周期,涵盖装备设计、制造、集成、销售、运营、维护、管理、售后、物流等全产业链协同的船舶智能化产业“生态圈”,实现“智慧领航”(Cyber-Enable Ship)的终极目标。

在此思路的引导下,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心从装备智能升级、产业链能力升级和管理智能化的目标出发,最终构建了由智能控制端、智能管理端和混合云平台构成的“两端+两云”智能体系总体架构(见图1)。

图1 “两端两云”的船舶智能体系总体架构.jpg

智能控制端——智能控制端的主要功能是状态感知、数据获取与控制执行。一方面,借助各种传感与数据采集设备,实现个体、群体、环境、活动等多目标数据的感知与获取;另一方面,可以通过部署海洋数据观测感知设备,完善船舶感知和应用能力,有效补充海洋感知体系。在此基础上,利用边缘计算、雾计算等分布式计算技术实现数据的有效融合,将数据实时传输至云平台。同时,控制端接收来自管理端的决策控制数据,实现对设备、系统、单船与船队的智能控制。

智能控制端通过船基集成平台实现,主要包括智能运行与维护、机舱自动化和智能航行等。例如,在船基应用的智能船舶运行与维护系统,包括了总体健康状态评估、关键设备健康状态评估与趋势预测分析、报警预警事件分析、安全与经济性能分析等功能;机舱自动化系统包括主推进控制、电站管理自动化、辅助机械监控及报警和货仓监控报警等功能;智能航行系统包括航线规划、自动航向修正及自动避碰、航行安全评估、操控信息分析、航行决策优化等功能。

混合云平台——云平台采用“本地云+远程云”的混合云架构,本地私有云提供实时的数据服务和计算服务,解决敏感数据的隐私保护问题与实时决策的快速响应,并在此基础上,利用本地数据中心的物理安全性,实现远程控制;远程公有云则利用认知中心的专业数据分析工具和高性能计算集群,处理大规模工业数据和进行模型训练,并可为装备提供更高端的定制化保障和控制服务。也就是说,本地云保证本地计算的实时性、隐私性与安全性,远程云保证远程计算的共享性、协同性与高效性。借助混合云平台,实现互联网、大数据和人工智能与实体制造业的深度融合,提升我国航运业应对低迷航运市场的市场竞争能力,进而带动从设计制造到运营维护整个产业链的能力升级。

在“两端+两云”架构中,混合云平台是构建智能体系的核心,其功能主要包括信息集成与融合、智能思维能力搭建和智能控制扩展支持。为此,需要在云平台中构建计算环境、数据中心、认知中心和决策中心。

智能管理端——管理端系统对经过混合云平台认知分析形成的模型库、知识库、决策库进行统筹管理,面向设备、系统、单船和船队,进行故障预测、健康管理、能效优化、运营管理、资源保障和军民融合管理等。在单船层面实现船舶运行与维护智能化,在船队层面实现船队运营管理智能化,在国防安全层面实现民船在军事感知与国防动员方面的价值最大化。

智能管理端系统通过岸基集成平台实现,例如,可面向船东所属各型船队需求,提供机务管理、运营管理、维修保障、资源保障和军民融合管理等定制化智能信息服务。机务管理包括设备运行状态的综合评估、重点关注设备运行隐患、维护活动数据和备件消耗数据等;运营管理包括租户质量评估、运输计划、航次预估、航次优化、燃油补给计划、保险理赔等;维修保障包括航修厂能力评估、维修任务排程、维修效果与经济性评估等;资源保障包括港区资源、人力资源、物料管理等;军民融合管理包括军事感知管理、国防动员管理等。 

“大智号”智能船舶

“大智号”(见图2)是中国船舶工业集团公司(中船集团)投资、中船黄埔文冲船舶有限公司制造,上海船舶设计研究院、中国船舶工业系统工程研究院、中船黄埔文冲船舶有限公司、沪东重机有限公司,联合英国劳氏船级社和中国船级社共同研发的iDolphin 38800吨智能散货船。作为全球首艘真正意义上的智能船舶,“大智号”相较于常规船舶,可向船东提供更为全面深入的数据采集、分析挖掘和决策优化服务,从而降低营运成本,减少关键系统和设备故障,缩减设备维护成本,使船舶更加安全、环保、经济和舒适。“大智号”智能船舶已于2017年11月28日正式交船,与基础船型Green Dolphin 38800吨散货船相比,推进效率提高约3%,相同航速日均油耗降低约4%。

图2 世界首艘智能船“大智号”.jpg

智能船舶的核心——由中国船舶工业系统工程研究院研制的岸海一体的智能船舶运行与维护系统(SOMS)是“两端两云”船舶智能体系的应用实践之一,是一款面向运行与维护过程的智能信息分析与决策支持系统,是工业大数据分析与CPS两大智能技术以及工业互联网应用体系在船舶领域的首次尝试(见图3、图4、图5)。SOMS承担了中船集团智能船系统符号7项认证工作之中的6项,使得“大智号”具备如下国际公认的智能能力特征:

图3 SOMS集成信息平台架构及界面.jpg图4 SOMS能效管理系统主界面和系列界面.jpg图5 SOMS健康管理系统主界面和系列界面.jpg

  • 船舶智能水平等级——SOMS系统获得英国劳氏船级社授予的Cyber-Safe AL2船级符号(目前全球认证商船智能等级最高水平),具备自主的学习与决策支持能力;

  • 船舶智能集成能力——SOMS系统获得中国船级社授予的I-shipI智能集成平台符号,系统具备航行、能效、机舱自动化基础上的集成分析应用能力;

  • 船舶智能能效能力——SOMS系统获得英国劳氏船级社授予的Cyber-Perform、中国船级社授予的I-ship E智能能效符号,系统具备自主的全船设备能效评估与优化决策支持能力;

  • 船舶智能机舱能力——SOMS系统获得英国劳氏船级社授予的Cyber-Maintain、中国船级社授予的I-ship M 智能机舱符号,系统具备针对船舶设备自主健康评估、预测与维护决策支持能力。

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当前工业界面临行业转型与创新发展的双重挑战,急需深化解决规模化与定制化、共性化与个性化、复杂化与精细化之间的矛盾,以便为用户创造最大利益与价值,实现业界的可持续发展。国外船舶制造业(如韩国智能船、欧洲无人船等智能船舶计划)逐渐兴起并均处于初期实施阶段,这对我国船舶智能化的发展形成了压力,同时亦带来了难得的市场机遇。“大智号”的智能航行系统不仅可以获取船舶自身以及海洋洋流等方面的信息和数据,提供省时、省油、舒适和低综合成本的航线,而且,智能运行与维护系统还能够实时评估船舶设备的健康状况,提前发现潜在的安全隐患等问题。作为全球首艘智能船舶,iDolphin 38800吨智能示范船“大智号”实现了我国船舶工业全新的设计建造和运营理念,同时也开启了更加安全、经济、环保的航运时代。  

作者:邱伯华、张玉峰、魏慕恒、何晓、张羽、朱慧敏

(邱伯华:研究员,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心主任;张玉峰:高级工程师,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心党支部书记/副主任;魏慕恒:高级工程师,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心总体技术研究室副主任;何晓:工程师,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心民品应用研究室副主任;张羽:工程师,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心软件设计与研发高级主管工程师;朱慧敏:助理工程师,中国船舶工业系统工程研究院海洋智能技术创新中心CPS认知技术研发工程师。)

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