2.1 大数据技术随着信息、通信技术的进步,建立覆盖全球的航运数据中心已成为可能。目前,中国远洋运输集团等国际航运公司已实现在全球范围内监控所属船舶的营运状态;我国内河船舶已在尝试全程远程监控船舶航行状态、机舱设备状态、驾驶员状态等。欧洲内河信息服务(harmonized river information services,RIS)是欧洲为支持内河航运、交通管理、运输管理以及多式联运而提出的信息协同服务理念,为用户提供了电子江图、法律法规、船舶登记等静态信息以及船舶位置、货物信息、预计到达时间等动态信息。文献[4]利用船载自动识别系统(automatic identification system,AIS)收集的大数据来评估船舶在港区航行时船舶间的最优距离。只要航运系统在运行,就意味着每时每刻都在“生产”大量的数据,且这些数据都能通过计算机保存下来。航运系统产生的数据满足大数据具有的4个“V”特征,即Volume(体量浩大)、Variety(模态繁多)、Velocity(生成快速)和Value(价值巨大但密度低)。如何高效地挖掘这些数据,是智能航运系统当前需要解决的重要问题。目前,已有多种针对大数据的处理方法,大致可分为两类:一是依靠机器的超强计算能力和人工智能,通过机器学习和数据挖掘等方式实现大数据分析;二是依靠人所具备的、机器并不擅长的认知能力,通过可视分析等方法实现大数据分析[5]。这两种方式均适用于智能航运系统,现阶段可视分析由于实现难度较低更为合适。通过对航运系统内大数据的处理和分析,至少可产生以下价值:1)通过分析某航段所有船舶的历史轨迹,可为设立助航设施提供参考;2)通过统计一段时间内的历史船舶交通流数据,找出交通流规律,实现水上交通的高效控制。2.2 船联网技术“船联网”是物联网在航运领域的一种具体化发展形式,以航运管理精细化、行业服务全面化、出行体验人性化为目的,以企业、船员、船舶、货物为对象,覆盖航道、船闸、桥梁、港口和码头,综合运用物联网技术实现人—船—货信息互联互通的智能航运信息服务网络[6]。文献[6]提出了一种融合物联网核心技术,以数据为中心,实现人船互联、船船互联、船货互联及船岸互联的内河智能航运信息综合服务网络,其结构如图 2。文献[7]基于无线传感网络和物联网等技术设计了内河信息管理系统。船联网的发展将大大促进航运信息服务水平的提升,典型的航运信息服务流程如图 3所示。文献[9]利用3G、RFID和ZigBee等无线技术构建了内河船舶管理系统,以提升内河船舶管理效率和服务质量;文献[10]讨论了如何利用物联网技术实现内河航道流量统计、航道数据采集和应用位置服务;文献[11]基于物联网设计了一套智能化的船舶电子签证管理系统,实现了不停船签证;文献[8]指出目前我国内河船联网发展过程中存在航运信息服务标准体系不健全、标准内容重复交叉等问题。2.3 云计算技术云计算是分布式计算、并行计算和网格计算的发展。用户可以在不了解提供服务的技术、知识和设备的情况下通过网络获取云计算提供的各种服务。实时、动态地分析智能航运系统中数以兆计的传感设备在不同时间采集的海量信息,并对这些信息进行汇总、拆分、统计、备份,这需要具有弹性增长存储资源和大规模并行计算能力的云计算作为支撑。为了减少船舶事故的发生,文献[14]提出了基于移动互联设备、大数据、岸基站、传感网络构建了基于云平台的智能船舶系统,云平台在这个系统中起到了关键的数据存储、计算和分享作用。智能航运的最终目的是为用户提供更好的服务,云计算技术能够避免用户花费大量的时间、金钱和精力去构建平台、分析数据,而只需要通过网络浏览器等方式去获取个性化服务。航运管理部门和航运企业可以借助云计算平台为客户提供如船期查询、电子订舱、运价查询、货物跟踪等服务。同时,云计算平台能够搜集航运相关的气象、水文、交通流等各种信息,再结合船舶自身性能特点,最终实现船舶航线、配载、船期等的最优化设计。云计算是基于软件(software)、平台(platform)和基础设施(infrastructure)模型,为用户提供服务的一种信息技术手段。以航运为对象,云计算服务模型可总结为以下3种:1)SaaS(cloud software as a service,云应用服务),是指航运部门或公司能够直接应用航运云基础设施中的已有应用资源;2)IaaS(cloud infrastructure as a service,云设施服务),是指航运部门或公司能够应用航运云基础设施中的计算资源,节约了购买电脑、硬盘等硬件设备的费用;3)PaaS(cloud platform as a service,云平台服务),是指航运部门或公司能够基于云基础设施中的所有资源来开发自身的特定应用程序,比如基于电子海图或航道图平台来开发地图应用程序等。2.4 智能航行技术计算机技术、传感器技术、通信技术、信息技术的进步推动了船舶导航设备、自动化设备、环境感知设备的更新与升级,物联网技术、信息物理系统和大数据技术的应用加快了船船、船岸之间信息交互的发展,这些都为船舶未来实现智能航行提供了重要的支持。智能航行系统利用通导设备自动地感知并获取各种航行相关信息,能实时地接收岸基云服务平台提供的各种信息,通过数据的运算与处理,使船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境下自动避碰,实现自主航行。文献[18]基于二维位置坐标和三维立体视觉传感器提出了无人水面艇跟踪目标船舶的导航方法,并取得了较好的实验结果。文献[19]认为自主航行船舶在与其他船舶或障碍物会遇时应保证其避碰行为与国际海上避碰规则(COLREGs)一致,并提出了基于视距和PID控制的自动避碰方法。通常来说,智能航行系统由环境感知子系统、路径自主规划子系统和控制子系统组成。环境感知子系统利用X波段雷达、激光雷达、视觉传感器、水深仪、AIS、电子航道图等手段来感知船舶周围环境障碍物(包括岸线、桥梁、岛屿、航标船、其他航行船舶等)信息,实时获取船舶周围障碍物的位置和速度。路径规划子系统根据船舶预设航线和船舶周围环境障碍物信息,实时自主规划出船舶的运动航线。3个子系统之间的关系如图 4所示。
3 智能航运系统的发展现状
智能航运系统涵盖智能航道、智能港口、智能船舶和智慧海事等部分,以下分别介绍其最新进展。3.1 智能航道文献[20]对智能航道有如下定义:智能航道是指在数字航道基础上,利用智能传感器、物联网、自动控制、人工智能等技术,自动获取航道系统要素信息,通过融合处理与深度挖掘,动态发布航道有关信息,实现航道规划科学化、建养智能化、管理现代化,为航运企业运输决策、船舶航行安全、海事监管、政府水上应急等提供全方位、实时、精确、便捷的服务。智能航道的发展对提升内河航运安全性及航行效率具有重要的促进意义。欧盟早在20世纪90年代后期就提出了欧洲内河航运信息服务概念,其旨在统一和提升欧盟各国的内河航运服务水平,并为用户提供了电子航道图、法律法规、船舶登记等静态信息以及船舶位置、货物信息、预计到达时间等动态信息。我国长江航道建设也正在从数字航道逐步向智能航道转变。文献[21]认为长江智能航道的关键技术体系包括航道变化监测与动态感知、航道智能融合与演变模拟和航道信息智能服务与综合应用。这些技术或功能的实现离不开船联网、大数据、云计算等理论和技术方法的支持。文献[22]提出了长江智能航道全面感知概念设计,具体是在数字航道基础上,利用智能传感器、物联网、自动控制、人工智能等技术,自动获取航道系统要素信息,借助高空、水面、水下传感设备,实现水位、气象、助航设施、桥梁净空等信息的动态采集,实时地为航道维护管理、船舶航行提供可靠的航道信息,如图 5 所示。3.2 智能港口随着全球经济一体化的趋势日渐明显,港口日益成为全球综合运输网络的神经中枢。通常来说,港口发展可分为运输中心、运输与服务中心、国际物流中心和绿色供应链物流据点4个阶段。港口信息化、自动化的快速发展推动了港口智能化的步伐。智能港口是将互联网技术(WEB)、全球定位系统(GPS)、移动通信技术(GMS)、无线通信技术(WAP)、地理信息系统(GIS)、无线射频识别技术(RFID)、实时监控系统、自动化装卸设备、物流搬运机器人等先进的信息技术和自动化技术综合应用于整个港口物流作业、运输服务及港口管理等各个方面,建立一种在港口服务范围内全方位发挥作用的,实时、准确、高效、优质的港口物流服务体系。比如,基于RFID的智能闸口系统能够将集装箱从堆场闸口摆放到指定位置的时间从原来的2 min缩减为30s,且降低了放置错误的问题。智能航口的发展一方面加快了航运过程中货物的装卸和周转速度,另一方面也实现了对货物的智能化管理。目前智能港口发展中涉及的关键技术主要包括:1)智能化的货物识别技术;2)实时监控与可视化技术;3)大型装卸设备的智能化运行技术;4)自动引导车辆的智能化运行技术;5)港口工艺流程智能控制技术;6)港口通用设备智能化运行改造技术。3.3 智能船舶智能船舶是指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段,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、自动控制技术和大数据处理和分析技术,在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶,以使船舶更加安全、更加环保、更加经济和更加可靠。中国船级社基于国内外智能船舶的应用经验和未来船舶智能化的发展方向于2015年制定了《智能船舶规范》,将智能船舶划分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台等六大功能模块。综合船桥系统(integrated bridge system,IBS)的快速发展为实现智能船舶提供了必要的理论和技术支持。IBS具有完善的导航、驾控、避碰、信息集中显示、报警监控、通信、岸站支持、航行管理和控制自动化等多种功能,便于驾驶员及岸基人员的观测和操纵,同时将各设备的信息进行优化处理,从而使综合船桥系统比各设备单独使用时在保障船舶安全航行和降低人员成本方面发挥更大的作用。新一代IBS应至少具备以下特性:1)先进的体系架构,可考虑应用CPS架构;2)强大的系统集成能力,融合不同设备间的信息;3)最优航线设计能力;4)精确和可靠的航迹控制技术;5)多目标避碰辅助决策系统;6)雷达、电子海图、AIS间的融合处理。全球最大的船舶设备供应商之一的英国罗尔斯·罗伊斯公司已经开展了无人驾驶货船项目的研究,预计10年内将有第一艘无人驾驶货船投入使用。其提出的智能航行框架包括远程控制、设备环境监控、决策支持、优化操作、船舶自动化等功能模块,如图 6。3.4 智慧海事海事监管对提高航运效率具有重要的意义。智慧海事监管是用信息化的手段全面打造海事监管的新格局,在海事监管领域全面深入地利用信息技术,开发利用监管资源,促进安全信息的整合和共享,提高海事监管的质量和效能。智慧海事监管的核心是信息化,具体是利用AIS、闭路监控电视(CCTV)、射频识别(RFID)、船舶远程识别与跟踪(LRIT)、船舶交通服务(VTS)等系统,以及大数据、船联网和云计算技术手段,实现对航运船舶的远程、实时、全程监管与服务。近年来,国内外学者在智能海事相关的架构设计、智能决策等方面做了大量的研究工作。文献[31]提出了一种基于面向服务的体系结构(SOA)的分布式“智慧海事云”架构;针对VTS系统交管雷达对船舶目标自动识别问题;文献[32]提出了一种改进的模糊C-Mean方法来实现雷达自动雷达标绘仪(ARPA)目标的自动提取,有效降低了人工识别船舶目标的难度;文献[33]基于天气信息系统构建了一种海事智能管理工作站,既能够为船舶交通管理者提供决策支持,也能够为船舶本身提供服务;文献[34]为提高船舶交通管理的安全性,提出利用人工神经网络机理同时监控多条船舶的状态,并将获取的信息与现有的船舶交通管理和信息系统(vessel traffic monitoring and information systems,VTMISs)进行融合,同时还提出利用扩展卡尔曼滤波实现单条船舶状态轨迹的预测;文献[35]基于模糊推理系统研发一种智能化的实时多船避碰风险评估系统,保障船舶航行安全。
航运系统是一个较为复杂和庞大的运输系统,航运系统智能化是提升航运系统效率、安全和节能环保的必然选择。限于篇幅本文很难从各个方面完整概述智能航运系统涉及的各个方面,仅从体系结构、研究现状、关键技术等方面对当前智能航运作了简要的阐述和分析,以鹿特丹港和新一代智能船舶作为示例描述了智能航运系统的特点,最后展望了未来智能航运的发展趋势,并将CPS和无人驾驶技术作为未来智能航运发展重要的技术趋势。参考文献 [1] 何新华. 内河航运系统体系框架设计的关键问题研究[D]. 上海:同济大学, 2007. HE Xinhua. Research of structure frame designing of shipping intelligent transportation system[D]. Shanghai:Tongji University, 2007.[2] 赵丽宁. 基于多AGENT的智能航运信息系统关键技术研究[D]. 大连:大连海事大学, 2010. ZHAO Lining. Research on key technology of intelligent waterway transportation information system based on multi-agent[D]. Dalian:Dalian Maritime University, 2010.[3] 严忠贞, 严新平, 马枫, 等. 绿色长江航运智能化信息服务系统及其关键技术研究[J]. 交通信息与安全, 2010, 28 (6) : 76-81. YAN Zhongzhen, YAN Xinping, MA Feng, et al. Green Yangtze river intelligent shipping information system and its key technologies[J]. Journal of transportation information and safety, 2010, 28(6) : 76-81.[4] ZHANG Liye, WANG Hua, MENG Qiang. 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