隨著信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)建模技術(shù)、有線和無線網(wǎng)絡(luò) 通信技術(shù)、新能源、人工智能等技術(shù)日新月異的發(fā)展，2012 年 9 月， 德 國、 挪 威、 瑞典、 冰島及愛爾蘭等國啟動(dòng)了“基于智能網(wǎng)絡(luò)的海上無人航行”(Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks, MUNIN)項(xiàng)目，目的是驗(yàn)證自動(dòng)航行和無人船的可行性，研究與之相關(guān)的前沿技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，并為相關(guān)法規(guī)修訂提供支持，計(jì)劃在 2034 年之前完成無人船 的研制和自主航行的可能性研究，這引起了國內(nèi)外船舶界的廣泛關(guān)注。
根據(jù)近年國內(nèi)外智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合智能技術(shù)發(fā)展潮流和設(shè)計(jì)理念，針對(duì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置的特點(diǎn)，對(duì) FPSO 智能化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和展望。
國外智能船舶發(fā)展近況
2018 年 5 月，IMO 海上安全委員會(huì)第 99 屆會(huì)議把智能船舶定義為“配備自動(dòng)系統(tǒng)和輔助決策的船舶”“有船員在船的遙控船舶”“無船員在船的遙控船舶”和“完全自主船舶”4 個(gè)等級(jí)。
智能船舶技術(shù)包括主要智能感知技術(shù)、信息處理技術(shù)、船舶通信技術(shù)、智能船舶遠(yuǎn)程操控和無人駕駛船舶技術(shù)等。此外，智能船舶各子系統(tǒng)方面的研究大多仍處于技術(shù)驗(yàn)證和積累階段。
1.1 智能感知和信息處理技術(shù)研發(fā)
2012 年 12 月，日本聯(lián)合三 菱重工、川崎重工、商船三井等 27 家造船、配套、航運(yùn)和檢驗(yàn)單位共同參與開展“智能船舶應(yīng)用平臺(tái)項(xiàng)目”(SSAP)，旨在使船載、岸基信息系統(tǒng)可以方便地獲取船載導(dǎo)航、控制、機(jī)械 等設(shè)備的各種數(shù)據(jù)，并最大程度處理利用這些多樣性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船舶安全航行和綠色環(huán)保等目標(biāo)。
2017年4月，英國羅爾斯羅伊斯公司與新加坡海工和船舶中心(TCOMS)為智能船舶研發(fā)搭建技術(shù)框架，雙方致力于智 能傳感技術(shù)、數(shù)字化模型技術(shù)和集成建模技術(shù)等智能船舶基礎(chǔ)性技術(shù)框架的研發(fā)合作。
2018 年 6 月，日本船級(jí)社成立了海事業(yè)大數(shù)據(jù)中心，與 IBM 開發(fā)了相關(guān)軟件，通過收集機(jī)艙發(fā)動(dòng)機(jī)、泵及溫度傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供設(shè)備優(yōu)化和維修等建議；與 NAPA 合作 研發(fā)了航線優(yōu)化支持系統(tǒng)，幫助船舶運(yùn)營商優(yōu)化航線及航行計(jì)劃。目前，該系統(tǒng)已在實(shí)船上得到應(yīng)用。
2019 年 8 月，現(xiàn)代重工的集成智能船舶方案獲得美國船級(jí)社(ABS) 認(rèn)證，該方案可分析船舶實(shí)時(shí)運(yùn)營數(shù)據(jù)，并提出最佳路徑。
1.2 船舶通信技術(shù)研發(fā)
2016 年 6 月，韓國現(xiàn)代重工集團(tuán)利用人工智能及已有的現(xiàn)代智能設(shè)備管理方案，優(yōu)化增強(qiáng)了 Hi-Touch 船用發(fā)電機(jī)(HiMSEN) ，通過引入AI 、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)信息和通信技術(shù)，將燃料成本削減了 10% 以上。
2018 年 5 月，韓國大宇造船、 Naver Business Platform(NBP) 及英特爾韓國公司(Intel Korea)合作構(gòu)建云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)收集和分析的船舶管理體系。該體系可確保船舶處于最佳航行狀態(tài)，并有助于船東和航運(yùn)公司對(duì)船舶進(jìn)行高效的遠(yuǎn)程診斷和及時(shí)的維護(hù)保養(yǎng)。
2018 年 11 月，三星重工聯(lián) 合韓國 SK 電訊(SKT)在距離 巨濟(jì)船廠約 250km外大田市的一個(gè)遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行遙控模型船的測試操作，成功地完成了基于5G動(dòng)力遠(yuǎn)程控制的模型船自動(dòng)航行試驗(yàn)。
1.3 智能船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研發(fā)
韓國大宇造船與 LNG 船運(yùn)營商Hyundai-LNG Shipping(HLS)合作開發(fā)智能船舶技術(shù)，并與現(xiàn)代商船共同研究物聯(lián)網(wǎng)、船舶材料倉庫自動(dòng)化系統(tǒng)等技 術(shù)，建立了一個(gè)船舶遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，積累并分析船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)。
2018 年 6 月，韓國三星重工與挪威船級(jí)社(DNV)共同開發(fā)了遠(yuǎn)程支持的智能船舶，旨在減少船員人數(shù)。
1.4 無人駕駛船舶技術(shù)研發(fā)
2014 年 6 月，英國羅羅公司發(fā)起智能船舶應(yīng)用項(xiàng)目(AAWA) ，該項(xiàng)目以實(shí)現(xiàn)無人駕駛船舶為目標(biāo)，計(jì)劃到 2020 年實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程支持和操作以減少船員，2025 年實(shí)現(xiàn)近海航區(qū)船舶的遠(yuǎn)程控制，2030 年實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)海航區(qū)船舶的遠(yuǎn)程控制，2035 年實(shí)現(xiàn)無人船舶。
2016 年 4 月，美國國防部 高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)宣布， 美軍將開展全球最大無人駕駛船 舶“海獵人”號(hào)的研究、測試與試驗(yàn)。
芬蘭等歐洲國家的企業(yè)在政府的支持下合作推進(jìn)自主控制無人船研發(fā)，旨在到 2025 年實(shí)現(xiàn) 波羅的海無人自主控制的海上商業(yè)運(yùn)輸。
英國于 2019 年 1 月發(fā)布“海事 2050”計(jì)劃，且同期發(fā)布了海事技術(shù)創(chuàng)新路線圖，將推動(dòng)自主船舶的發(fā)展列為重要任務(wù)。路線圖從基礎(chǔ)設(shè)施、技術(shù)需求、人員培訓(xùn)和法律法規(guī) 4 個(gè)角度進(jìn)行了全面闡述。
國內(nèi)智能船舶發(fā)展近況
2.1 國家相關(guān)政策
2018 年 12 月，工業(yè)和信息化部、交通運(yùn)輸部和國防科工局聯(lián)合編制印發(fā)了《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2019—2021年)》(簡稱《行動(dòng)計(jì)劃》)?！缎袆?dòng)計(jì)劃》列出了智能船舶發(fā)展的 9 大重點(diǎn)任務(wù)，即全面強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)、突破關(guān)鍵智能技術(shù)、推動(dòng)船用設(shè)備智能化升級(jí)、提升網(wǎng)絡(luò)和信息安全防護(hù)能力、加強(qiáng)測試與驗(yàn)證能力建設(shè)、構(gòu)建規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系、推動(dòng)工程應(yīng)用試點(diǎn)示范以及促進(jìn)軍民深度融合。
為了保障各項(xiàng)任務(wù)落實(shí)，《行動(dòng)計(jì)劃》提出了加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)、強(qiáng)化創(chuàng)新和示范應(yīng)用的支持力度、加大金融支持力度、大力培育系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商、加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)和深化國際交流合作 6 大保障措施。
2.2 船級(jí)社規(guī)范
2015 年 12 月，中國船級(jí)社基于對(duì)智能化船舶的研究，率先提出了全球第一部 《智能船舶規(guī)范》，并對(duì)智能化進(jìn)行了定義。智能化指由現(xiàn)代通信與信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)等匯集而成的針對(duì)某個(gè)對(duì) 象的應(yīng)用，這些應(yīng)用通常包括但不限于評(píng)估、診斷、預(yù)測和決策等，并總結(jié)出智能船舶應(yīng)具備 4 個(gè)特點(diǎn) ：
（1）具有感知能力，即具有能夠感知船舶自身以及周圍環(huán)境信息的能力；
（2）具有記憶和思維能力，即具有存儲(chǔ)感知信息及管理知識(shí)的能力，并能夠利用已有的知識(shí)對(duì)信息進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、判斷、聯(lián)想和決策；
（3）具有學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，即通過與環(huán)境的相互作用，不斷學(xué)習(xí)積累知識(shí)，并使自己能夠適應(yīng)環(huán)境變化；
（4）具有行為決策能力，即對(duì)外界的刺激做出反應(yīng)，形成決策并傳達(dá)相應(yīng) 的信息。
隨著中國北斗網(wǎng)絡(luò)的成功組網(wǎng)和以 5G 為代表的新一代通信技術(shù)、無人駕駛汽車、無人機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，中國船級(jí)社成立專 門的項(xiàng)目組對(duì)智能船及其應(yīng)用進(jìn)行了研究，這其中包括公約、規(guī)范對(duì)無人智能船適用性的專項(xiàng)研究，并于 2020 年更新《智能船舶規(guī)范》(2021年 3 月生效 )。智能船舶指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，自動(dòng)感知和獲得船舶自身、海洋環(huán)境、物流和港口等方面的信息和數(shù)據(jù)，并基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理、分析技術(shù)，在船舶航行、管理、維護(hù)保養(yǎng)、貨物運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行的船舶，以使船舶更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和高效 。
2.3 國內(nèi)智能船舶應(yīng)用
為降低業(yè)主成本，國內(nèi)智能船舶研發(fā)從智能能效開始。2017 年 12 月， 滬東中華造船(集團(tuán))有限公司向中遠(yuǎn)海運(yùn)交付首艘滿足中國船級(jí)社能效管理智能船舶—— 1.45 萬集裝箱船“乞力馬扎羅”號(hào)。
2017 年 12 月，中國研制的全球首艘智能船舶——“大智”號(hào) 38 800 t 散貨智能船在上海交付使用，該船具有航路與航速設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能機(jī)艙、智能能效和智能集成平臺(tái)功能。與同等噸位的普通散貨船相比，該船的推進(jìn)效率提高 3%，在相同航速下日均油耗減少 6%。
自主航行的智能船舶在國內(nèi)正處于技術(shù)驗(yàn)證和積累階段。2019 年 5 月，國內(nèi)首艘無人駕駛自主航行系統(tǒng)試驗(yàn)船——“智騰”號(hào)在位于青島藍(lán)谷的智能航運(yùn)技術(shù)創(chuàng)新與綜合實(shí)驗(yàn)基地下水航行，該船具備人工駕駛、遠(yuǎn)程遙控和自主航行以及水下避碰、自動(dòng)靠離泊、自主循跡和自主航行控制等駕駛功能。“智騰”號(hào)為 300 TEU 自主航行集裝箱試驗(yàn)船——“智飛”號(hào)的建造提供了 技術(shù)依據(jù)和支撐。
2019 年 6 月，大連船廠向招商輪船交付了全球首艘獲得CCS 智能船舶附加標(biāo)志i-Ship(N.M.Et.C.I)的 30.8 萬噸智能 VLCC “凱征”輪。該船具有航 路與航速設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能機(jī)艙、智能能效(基于縱傾優(yōu)化的最佳配載)、智能貨物管理(貨物裝卸貨輔助決策功能)和智能集成平臺(tái)等功能。
綜上所述，通過對(duì)國內(nèi)外智能船舶發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知，為實(shí)現(xiàn)船舶自主航行，在過去10多年里，各國政府和設(shè)備廠商等投入大量資源研發(fā)智能船舶技術(shù)，各國船級(jí)社也相繼出臺(tái)了智能船舶的相關(guān)規(guī)范，并取得了顯著的成果。未來智能船舶技術(shù)發(fā)展方向主要為智能船體技術(shù)、智能感知技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、船岸通信技術(shù)、智能裝配載技術(shù)、智能機(jī)艙和航線優(yōu)化輔助決策、智能船舶標(biāo)準(zhǔn)制定等方面。
FPSO 智能化設(shè)計(jì)
大多數(shù)浮式裝置儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Ooading，F(xiàn)PSO)長期在固定 海域工作，因此不需要考慮智能航行功能，但可以借鑒智能船舶的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn) FPSO 智能化，主要包括以下 7 方面。
FPSO 結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測與評(píng)估
基于智能船體技術(shù)，研究 FPSO 海上場景實(shí)測數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、評(píng)估、診斷和預(yù)警等方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn) FPSO 結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵障礙和解決方案。
裝載系統(tǒng)智能化
基于智能裝配載技術(shù)，研究貨艙、壓載艙裝載以及原油外輸工況對(duì) FPSO 安全性及操作決策合理性的影響，并通過貨油、壓排載系統(tǒng)及原油外輸控制策略實(shí)現(xiàn)裝載 狀態(tài)的自動(dòng) / 遠(yuǎn)程優(yōu)化。
能效管理智能化
基于智能能效技術(shù)，研究 FPSO 和周 圍采油平臺(tái)或采油樹上多系統(tǒng)智能化數(shù)據(jù)采集范圍及模式、關(guān)鍵 系統(tǒng)設(shè)備能耗監(jiān)測手段、關(guān)鍵工藝流程能效分析和管理程序。通過梳理能效管理系統(tǒng)的關(guān)鍵性能輸入/輸出指標(biāo)，建立能效管理模型的評(píng)估驗(yàn)證及決策機(jī)制，在確保安全生產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
主要設(shè)備維護(hù)智能化
基于智能機(jī)艙技術(shù)，通過研究主要設(shè)備手冊及故障信息數(shù)字化，結(jié)合監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行及故障信息，建立輔助決策方案，實(shí)現(xiàn)主 要設(shè)備維護(hù)的智能化。
智慧生活樓
研究生命保障系統(tǒng)智能化、照明智能化、供水系統(tǒng)智能化、中央空調(diào)系統(tǒng)智能化、單位式空調(diào)機(jī)控制智能化、通風(fēng)系統(tǒng)智能化。它借鑒了豪華郵輪的部分思路，在保證節(jié)能以及人員和設(shè)備在FPSO上的安全的同時(shí)，提高船員人員在 FPSO 上的工作和生活舒適度。
人員識(shí)別和定位智能化
研究人員定位方案和人臉識(shí)別技術(shù)，結(jié)合 FPSO 運(yùn)營人員工作特點(diǎn)，提供滿足 FPSO 生產(chǎn)和維護(hù)的人員識(shí)別和定位智能化方案。
數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的應(yīng)用
數(shù)字孿生技術(shù)是挪威船級(jí)社(DNV)提出的。該技術(shù)可將船舶與海工裝備的數(shù)字孿生模型與海上物理場景之間實(shí)時(shí)同步映射并協(xié)同交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)測、 識(shí)別和診斷裝備狀態(tài)，數(shù)字孿生 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)船舶和海工裝備無人化的關(guān)鍵。
中國海洋石油有限公司采油服務(wù)深圳分公司從生產(chǎn)運(yùn)營角度推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展新業(yè)務(wù)，提出了可視化、數(shù)據(jù)集成、決策支持和智慧工廠等理念，建設(shè)智能 FPSO 服務(wù)于數(shù)字油田和智能油田。通過對(duì)船體、系泊、工藝和設(shè)備進(jìn)行長期監(jiān)測并收集數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)，降低管理和操作費(fèi)用；再通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸、岸基數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)模擬、專家決策支持、遠(yuǎn)程控制達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)目標(biāo)。目前已實(shí)現(xiàn)陸上遠(yuǎn)程查閱現(xiàn)場流程和信息參數(shù)，但尚不能遠(yuǎn)程直接操控。將來，研究的最終階段效果是，僅需少數(shù)人員留守船上即可在陸上同時(shí)遠(yuǎn) 程操控多個(gè)油田開發(fā)設(shè)施。
中國海洋石油有限公司在 部分已投入運(yùn)營的 FPSO 上試點(diǎn)建設(shè)智能可視化管理平臺(tái)，展示FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)、重要設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而獲得船體、單點(diǎn)、設(shè)備及生產(chǎn)工藝的全面數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能診斷、評(píng)估、分析和遠(yuǎn)程專家診斷等深度挖掘，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和智能倉儲(chǔ)，減少人員值守維護(hù)。
智能船舶和智能 FPSO 展望
2017 年7 月，國務(wù)院印發(fā)《新 一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)發(fā)展無人船。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)據(jù)分析方法等技術(shù)的進(jìn)步，船舶將更加智能化，從而完全實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無線連接，可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，并促使船舶及海洋工程設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營及供應(yīng)鏈管理模式發(fā)生革命性改變。
隨著智能船舶技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步及其在智能船舶實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用，未來船舶智能化會(huì)向著遠(yuǎn)程操控和自主航行的方向不斷發(fā)展。通過借鑒智能船舶技術(shù)，結(jié)合FPSO工作特點(diǎn)，將智能船舶的相關(guān)技術(shù)移植到FPSO上，可使傳統(tǒng) FPSO 的智能化程度不斷提升。
