嚴(yán)新平，柳晨光

(1.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學(xué) 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063； 3.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

智能航運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

嚴(yán)新平1,2,3，柳晨光1,2,3

(1.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學(xué) 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063； 3.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

智能航運(yùn)系統(tǒng)是一種應(yīng)用于水路環(huán)境的智能運(yùn)輸系統(tǒng)。交通感知、通信、信息處理、人工智能等相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，以及航運(yùn)信息化系統(tǒng)的不斷完善為智能航運(yùn)的逐步實(shí)現(xiàn)提供了重要支撐。首先，分析了智能航運(yùn)系統(tǒng)的功能和體系框架，綜述了智能航運(yùn)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括大數(shù)據(jù)技術(shù)、船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和智能航行技術(shù)；其次，從智能航道、智能港口、智能船舶和智慧海事等4個(gè)方面分別闡述了其發(fā)展現(xiàn)狀以及對(duì)智能航運(yùn)發(fā)展的作用；描述了現(xiàn)有或正在研發(fā)的典型智能航運(yùn)系統(tǒng)；最后，展望了未來(lái)智能航運(yùn)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。

航運(yùn)；智能系統(tǒng)；船聯(lián)網(wǎng)；智能航行；大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；信息物理系統(tǒng)

航運(yùn)(shipping)是指通過(guò)水路運(yùn)輸來(lái)運(yùn)送人或貨物的運(yùn)輸方式。航運(yùn)由于運(yùn)量大、能耗小、成本低、環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際貿(mào)易和我國(guó)國(guó)民運(yùn)輸中占有重要地位[1]。航運(yùn)系統(tǒng)由3個(gè)最基本的要素——航道、船舶和港口，以及各種支持保障系統(tǒng)構(gòu)成[1]。航運(yùn)的發(fā)展必然是航運(yùn)系統(tǒng)中各要素共同發(fā)展的結(jié)果，只有航運(yùn)系統(tǒng)各要素有機(jī)地協(xié)調(diào)發(fā)展，整個(gè)航運(yùn)系統(tǒng)才能真正得到可持續(xù)發(fā)展[2]。

智能運(yùn)輸最早起源于陸上交通，后被引用到水上交通，從而產(chǎn)生了“智能航運(yùn)”的概念。文獻(xiàn)[2]對(duì)智能航運(yùn)系統(tǒng)(intelligent waterway transportation system)有如下定義：智能航運(yùn)系統(tǒng)是在系統(tǒng)工程思想指導(dǎo)下，將先進(jìn)的信息處理技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)、人工智能等學(xué)科成果綜合運(yùn)用于水上交通運(yùn)輸管理體系，通過(guò)對(duì)各種運(yùn)輸信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)輸情況的協(xié)調(diào)和處理，建立一種在大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、全方位發(fā)揮作用的水上運(yùn)輸綜合管理體系，從而使水路交通設(shè)施、信息資源得以充分利用，提高船舶航行效率和安全性，最終實(shí)現(xiàn)水路交通運(yùn)輸服務(wù)社會(huì)化和管理智能化。智能航運(yùn)的發(fā)展將會(huì)在以下幾方面產(chǎn)生重要意義：1)提高了航運(yùn)運(yùn)輸能力；2)由于運(yùn)輸效率的提高和綠色技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效減少溫室氣體、污染物排放以及節(jié)約能源；3)提高了航運(yùn)的安全性；4)隨著智能車輛、智能交通、人工智能的快速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)體系的逐步完善，構(gòu)建空、陸、水聯(lián)合的運(yùn)輸體系成為可能，智能航運(yùn)作為其中重要組成部分，其發(fā)展已刻不容緩。

1 智能航運(yùn)系統(tǒng)的框架體系

1.1 智能航運(yùn)系統(tǒng)功能分析

從1994年在巴黎召開的第一屆世界智能交通大會(huì)正式提出“智能運(yùn)輸系統(tǒng)”概念開始，許多國(guó)家先后投入了巨大的人力物力來(lái)發(fā)展智能運(yùn)輸系統(tǒng)，目前無(wú)人駕駛車、智能交通管理、船岸協(xié)同等方面的先進(jìn)技術(shù)已被成功應(yīng)用。智能航運(yùn)系統(tǒng)相比于智能道路系統(tǒng)起步較晚，兩者在系統(tǒng)功能方面既有相似也有不同之處，智能航運(yùn)系統(tǒng)主要功能總結(jié)如下：

1)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航運(yùn)過(guò)程中運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸信息、與運(yùn)輸相關(guān)的信息實(shí)時(shí)采集和分析；

2)能夠?qū)崿F(xiàn)航運(yùn)系統(tǒng)中航道、船舶、港口、船公司等不同對(duì)象間的信息實(shí)時(shí)與高效交換；

3)能夠應(yīng)用人工智能等理論以及大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)手段提高航運(yùn)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本以及降低風(fēng)險(xiǎn)；

4)能夠?yàn)橹悄芎竭\(yùn)系統(tǒng)用戶提供數(shù)據(jù)、決策、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等服務(wù)；

5)能夠使航運(yùn)系統(tǒng)涉及的船舶營(yíng)運(yùn)、航道服務(wù)和港口服務(wù)的配員減少。

隨著通信、感知、人工智能、自動(dòng)化、船聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)智能航運(yùn)系統(tǒng)的功能將會(huì)更加豐富和完善?？傮w來(lái)說(shuō)，新一代的智能航運(yùn)系統(tǒng)將是一個(gè)龐大的具有非線性、不確定性、多樣化和混沌等特征的復(fù)雜系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)各種功能的前提下也應(yīng)保證系統(tǒng)的抗干擾性和魯棒性。

1.2 智能航運(yùn)系統(tǒng)體系框架分析

文獻(xiàn)[1]定義，本文所指的體系框架是指確定并描述為實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)所需的系統(tǒng)組件、各組件的功能、組件之間及其與外部環(huán)境之間的關(guān)系和連接形式。智能航運(yùn)系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，是大量功能、技術(shù)、信息的集成，且系統(tǒng)內(nèi)部通信復(fù)雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各異，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)體系框架以建立高效、靈活和安全可靠的智能航運(yùn)系統(tǒng)。目前，關(guān)于智能航運(yùn)系統(tǒng)體系架構(gòu)的研究較少，且都以內(nèi)河航運(yùn)研究為主。何新華[1]將智能化引入內(nèi)河航運(yùn)中，提出了內(nèi)河智能航運(yùn)系統(tǒng)(shipping intelligent transportation system, SITS)集成體系總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。此外，趙麗寧[2]提出了基于多Agent系統(tǒng)(multi-agent system, MAS)技術(shù)的適合長(zhǎng)江環(huán)境的智能航運(yùn)系統(tǒng)體系框架。

圖1 SITS集成體系總體結(jié)構(gòu)[1]Fig.1 The structure of SITS

對(duì)于智能航運(yùn)這一復(fù)雜的系統(tǒng)，其體系框架設(shè)計(jì)通常有基于結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο髢煞N方法。結(jié)構(gòu)化方法以功能的抽象與分解為主要手段，按功能之間的連線關(guān)系組織數(shù)據(jù)；面向?qū)ο蠓椒ㄊ紫却_定對(duì)象或?qū)嶓w及其對(duì)象之間的關(guān)系，然后確定每個(gè)對(duì)象執(zhí)行的功能，圍繞數(shù)據(jù)對(duì)象或?qū)嶓w組織功能，形成單一互聯(lián)的視圖[1]。面向?qū)ο蠓椒ń梃b了軟件工程開發(fā)系統(tǒng)的思路，但其可讀性不強(qiáng)，操作起來(lái)較難，因此結(jié)構(gòu)化方法因具有可讀性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)較適用于智能航運(yùn)系統(tǒng)的體系框架設(shè)計(jì)。

2 智能航運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)

隨著信息、通信技術(shù)的進(jìn)步，建立覆蓋全球的航運(yùn)數(shù)據(jù)中心已成為可能。目前，中國(guó)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸集團(tuán)等國(guó)際航運(yùn)公司已實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)監(jiān)控所屬船舶的營(yíng)運(yùn)狀態(tài)；我國(guó)內(nèi)河船舶已在嘗試全程遠(yuǎn)程監(jiān)控船舶航行狀態(tài)、機(jī)艙設(shè)備狀態(tài)、駕駛員狀態(tài)等。歐洲內(nèi)河信息服務(wù)(harmonized river information services, RIS)是歐洲為支持內(nèi)河航運(yùn)、交通管理、運(yùn)輸管理以及多式聯(lián)運(yùn)而提出的信息協(xié)同服務(wù)理念，為用戶提供了電子江圖、法律法規(guī)、船舶登記等靜態(tài)信息以及船舶位置、貨物信息、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等動(dòng)態(tài)信息[3]。文獻(xiàn)[4]利用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)收集的大數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估船舶在港區(qū)航行時(shí)船舶間的最優(yōu)距離。只要航運(yùn)系統(tǒng)在運(yùn)行，就意味著每時(shí)每刻都在“生產(chǎn)”大量的數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)都能通過(guò)計(jì)算機(jī)保存下來(lái)。

航運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)滿足大數(shù)據(jù)具有的4個(gè)“V”特征，即Volume(體量浩大)、Variety(模態(tài)繁多)、Velocity(生成快速)和Value(價(jià)值巨大但密度低)。如何高效地挖掘這些數(shù)據(jù)，是智能航運(yùn)系統(tǒng)當(dāng)前需要解決的重要問(wèn)題。目前，已有多種針對(duì)大數(shù)據(jù)的處理方法，大致可分為兩類：一是依靠機(jī)器的超強(qiáng)計(jì)算能力和人工智能，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析；二是依靠人所具備的、機(jī)器并不擅長(zhǎng)的認(rèn)知能力，通過(guò)可視分析等方法實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析[5]。這兩種方式均適用于智能航運(yùn)系統(tǒng)，現(xiàn)階段可視分析由于實(shí)現(xiàn)難度較低更為合適。通過(guò)對(duì)航運(yùn)系統(tǒng)內(nèi)大數(shù)據(jù)的處理和分析，至少可產(chǎn)生以下價(jià)值：1)通過(guò)分析某航段所有船舶的歷史軌跡，可為設(shè)立助航設(shè)施提供參考；2)通過(guò)統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的歷史船舶交通流數(shù)據(jù)，找出交通流規(guī)律，實(shí)現(xiàn)水上交通的高效控制。

2.2 船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

“船聯(lián)網(wǎng)”是物聯(lián)網(wǎng)在航運(yùn)領(lǐng)域的一種具體化發(fā)展形式，以航運(yùn)管理精細(xì)化、行業(yè)服務(wù)全面化、出行體驗(yàn)人性化為目的，以企業(yè)、船員、船舶、貨物為對(duì)象，覆蓋航道、船閘、橋梁、港口和碼頭，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人—船—貨信息互聯(lián)互通的智能航運(yùn)信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)[6]。文獻(xiàn)[6]提出了一種融合物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，以數(shù)據(jù)為中心，實(shí)現(xiàn)人船互聯(lián)、船船互聯(lián)、船貨互聯(lián)及船岸互聯(lián)的內(nèi)河智能航運(yùn)信息綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖2。文獻(xiàn)[7]基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)設(shè)計(jì)了內(nèi)河信息管理系統(tǒng)。

圖2 內(nèi)河智能航運(yùn)信息綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]Fig.2 The network of inland-waterway intelligent shipping information service

船聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將大大促進(jìn)航運(yùn)信息服務(wù)水平的提升，典型的航運(yùn)信息服務(wù)流程如圖3所示[8]。文獻(xiàn)[9]利用3G、RFID和ZigBee等無(wú)線技術(shù)構(gòu)建了內(nèi)河船舶管理系統(tǒng)，以提升內(nèi)河船舶管理效率和服務(wù)質(zhì)量；文獻(xiàn)[10]討論了如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)河航道流量統(tǒng)計(jì)、航道數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用位置服務(wù)；文獻(xiàn)[11]基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了一套智能化的船舶電子簽證管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不停船簽證；文獻(xiàn)[8]指出目前我國(guó)內(nèi)河船聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中存在航運(yùn)信息服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容重復(fù)交叉等問(wèn)題。

圖3 典型航運(yùn)信息服務(wù)流程Fig.3 Classical procedures for shipping information service

2.3 云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展[12]。用戶可以在不了解提供服務(wù)的技術(shù)、知識(shí)和設(shè)備的情況下通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取云計(jì)算提供的各種服務(wù)。實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地分析智能航運(yùn)系統(tǒng)中數(shù)以兆計(jì)的傳感設(shè)備在不同時(shí)間采集的海量信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行匯總、拆分、統(tǒng)計(jì)、備份，這需要具有彈性增長(zhǎng)存儲(chǔ)資源和大規(guī)模并行計(jì)算能力的云計(jì)算作為支撐[13]。為了減少船舶事故的發(fā)生，文獻(xiàn)[14]提出了基于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備、大數(shù)據(jù)、岸基站、傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了基于云平臺(tái)的智能船舶系統(tǒng)，云平臺(tái)在這個(gè)系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算和分享作用。智能航運(yùn)的最終目的是為用戶提供更好的服務(wù)，云計(jì)算技術(shù)能夠避免用戶花費(fèi)大量的時(shí)間、金錢和精力去構(gòu)建平臺(tái)、分析數(shù)據(jù)，而只需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等方式去獲取個(gè)性化服務(wù)[12]。航運(yùn)管理部門和航運(yùn)企業(yè)可以借助云計(jì)算平臺(tái)為客戶提供如船期查詢、電子訂艙、運(yùn)價(jià)查詢、貨物跟蹤等服務(wù)。同時(shí)，云計(jì)算平臺(tái)能夠搜集航運(yùn)相關(guān)的氣象、水文、交通流等各種信息，再結(jié)合船舶自身性能特點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)船舶航線、配載、船期等的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

云計(jì)算是基于軟件(software)、平臺(tái)(platform)和基礎(chǔ)設(shè)施(infrastructure)模型，為用戶提供服務(wù)的一種信息技術(shù)手段[12]。以航運(yùn)為對(duì)象，云計(jì)算服務(wù)模型可總結(jié)為以下3種：1)SaaS(cloud software as a service，云應(yīng)用服務(wù))，是指航運(yùn)部門或公司能夠直接應(yīng)用航運(yùn)云基礎(chǔ)設(shè)施中的已有應(yīng)用資源；2)IaaS(cloud infrastructure as a service，云設(shè)施服務(wù))，是指航運(yùn)部門或公司能夠應(yīng)用航運(yùn)云基礎(chǔ)設(shè)施中的計(jì)算資源，節(jié)約了購(gòu)買電腦、硬盤等硬件設(shè)備的費(fèi)用；3)PaaS(cloud platform as a service，云平臺(tái)服務(wù))，是指航運(yùn)部門或公司能夠基于云基礎(chǔ)設(shè)施中的所有資源來(lái)開發(fā)自身的特定應(yīng)用程序，比如基于電子海圖或航道圖平臺(tái)來(lái)開發(fā)地圖應(yīng)用程序等[15]。

2.4 智能航行技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了船舶導(dǎo)航設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備、環(huán)境感知設(shè)備的更新與升級(jí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息物理系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用加快了船船、船岸之間信息交互的發(fā)展，這些都為船舶未來(lái)實(shí)現(xiàn)智能航行提供了重要的支持。智能航行系統(tǒng)利用通導(dǎo)設(shè)備自動(dòng)地感知并獲取各種航行相關(guān)信息，能實(shí)時(shí)地接收岸基云服務(wù)平臺(tái)提供的各種信息，通過(guò)數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，使船舶能在開闊水域、狹窄水道、復(fù)雜環(huán)境下自動(dòng)避碰，實(shí)現(xiàn)自主航行[16-17]。文獻(xiàn)[18]基于二維位置坐標(biāo)和三維立體視覺(jué)傳感器提出了無(wú)人水面艇跟蹤目標(biāo)船舶的導(dǎo)航方法，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為自主航行船舶在與其他船舶或障礙物會(huì)遇時(shí)應(yīng)保證其避碰行為與國(guó)際海上避碰規(guī)則(COLREGs)一致，并提出了基于視距和PID控制的自動(dòng)避碰方法。

通常來(lái)說(shuō)，智能航行系統(tǒng)由環(huán)境感知子系統(tǒng)、路徑自主規(guī)劃子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。環(huán)境感知子系統(tǒng)利用X波段雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器、水深儀、AIS、電子航道圖等手段來(lái)感知船舶周圍環(huán)境障礙物(包括岸線、橋梁、島嶼、航標(biāo)船、其他航行船舶等)信息，實(shí)時(shí)獲取船舶周圍障礙物的位置和速度。路徑規(guī)劃子系統(tǒng)根據(jù)船舶預(yù)設(shè)航線和船舶周圍環(huán)境障礙物信息，實(shí)時(shí)自主規(guī)劃出船舶的運(yùn)動(dòng)航線。3個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 智能航行3個(gè)子系統(tǒng)的相互關(guān)系Fig.4 The links among three subsystems of intelligent navigation systems

3 智能航運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

智能航運(yùn)系統(tǒng)涵蓋智能航道、智能港口、智能船舶和智慧海事等部分，以下分別介紹其最新進(jìn)展。

3.1 智能航道

文獻(xiàn)[20]對(duì)智能航道有如下定義：智能航道是指在數(shù)字航道基礎(chǔ)上，利用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)，自動(dòng)獲取航道系統(tǒng)要素信息，通過(guò)融合處理與深度挖掘，動(dòng)態(tài)發(fā)布航道有關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)航道規(guī)劃科學(xué)化、建養(yǎng)智能化、管理現(xiàn)代化，為航運(yùn)企業(yè)運(yùn)輸決策、船舶航行安全、海事監(jiān)管、政府水上應(yīng)急等提供全方位、實(shí)時(shí)、精確、便捷的服務(wù)。智能航道的發(fā)展對(duì)提升內(nèi)河航運(yùn)安全性及航行效率具有重要的促進(jìn)意義。

歐盟早在20世紀(jì)90年代后期就提出了歐洲內(nèi)河航運(yùn)信息服務(wù)概念，其旨在統(tǒng)一和提升歐盟各國(guó)的內(nèi)河航運(yùn)服務(wù)水平，并為用戶提供了電子航道圖、法律法規(guī)、船舶登記等靜態(tài)信息以及船舶位置、貨物信息、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等動(dòng)態(tài)信息[5]。我國(guó)長(zhǎng)江航道建設(shè)也正在從數(shù)字航道逐步向智能航道轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[21]認(rèn)為長(zhǎng)江智能航道的關(guān)鍵技術(shù)體系包括航道變化監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)感知、航道智能融合與演變模擬和航道信息智能服務(wù)與綜合應(yīng)用。這些技術(shù)或功能的實(shí)現(xiàn)離不開船聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等理論和技術(shù)方法的支持。文獻(xiàn)[22]提出了長(zhǎng)江智能航道全面感知概念設(shè)計(jì)，具體是在數(shù)字航道基礎(chǔ)上，利用智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)，自動(dòng)獲取航道系統(tǒng)要素信息，借助高空、水面、水下傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水位、氣象、助航設(shè)施、橋梁凈空等信息的動(dòng)態(tài)采集，實(shí)時(shí)地為航道維護(hù)管理、船舶航行提供可靠的航道信息，如圖5[22]所示。

圖5 長(zhǎng)江智能航道全面感知概念設(shè)計(jì)Fig.5 Comprehensive perception design for intelligent waterway of Yangtze River

3.2 智能港口

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的趨勢(shì)日漸明顯，港口日益成為全球綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)中樞[23]。通常來(lái)說(shuō)，港口發(fā)展可分為運(yùn)輸中心、運(yùn)輸與服務(wù)中心、國(guó)際物流中心和綠色供應(yīng)鏈物流據(jù)點(diǎn)4個(gè)階段[24]。港口信息化、自動(dòng)化的快速發(fā)展推動(dòng)了港口智能化的步伐。智能港口是將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(WEB)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、移動(dòng)通信技術(shù)(GMS)、無(wú)線通信技術(shù)(WAP)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化裝卸設(shè)備、物流搬運(yùn)機(jī)器人等先進(jìn)的信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)綜合應(yīng)用于整個(gè)港口物流作業(yè)、運(yùn)輸服務(wù)及港口管理等各個(gè)方面，建立一種在港口服務(wù)范圍內(nèi)全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、優(yōu)質(zhì)的港口物流服務(wù)體系[25]。比如，基于RFID的智能閘口系統(tǒng)能夠?qū)⒓b箱從堆場(chǎng)閘口擺放到指定位置的時(shí)間從原來(lái)的2 min縮減為30 s，且降低了放置錯(cuò)誤的問(wèn)題[26]。智能航口的發(fā)展一方面加快了航運(yùn)過(guò)程中貨物的裝卸和周轉(zhuǎn)速度，另一方面也實(shí)現(xiàn)了對(duì)貨物的智能化管理。目前智能港口發(fā)展中涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括[25]：1)智能化的貨物識(shí)別技術(shù)；2)實(shí)時(shí)監(jiān)控與可視化技術(shù)；3)大型裝卸設(shè)備的智能化運(yùn)行技術(shù)；4)自動(dòng)引導(dǎo)車輛的智能化運(yùn)行技術(shù)；5)港口工藝流程智能控制技術(shù)；6)港口通用設(shè)備智能化運(yùn)行改造技術(shù)。

3.3 智能船舶

智能船舶是指利用傳感器、通信、物聯(lián)網(wǎng)、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、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)處理和分析技術(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、更加環(huán)保、更加經(jīng)濟(jì)和更加可靠[16]。中國(guó)船級(jí)社基于國(guó)內(nèi)外智能船舶的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和未來(lái)船舶智能化的發(fā)展方向于2015年制定了《智能船舶規(guī)范》，將智能船舶劃分為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺(tái)等六大功能模塊[16]。

綜合船橋系統(tǒng)(integrated bridge system, IBS)的快速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)智能船舶提供了必要的理論和技術(shù)支持。IBS具有完善的導(dǎo)航、駕控、避碰、信息集中顯示、報(bào)警監(jiān)控、通信、岸站支持、航行管理和控制自動(dòng)化等多種功能，便于駕駛員及岸基人員的觀測(cè)和操縱，同時(shí)將各設(shè)備的信息進(jìn)行優(yōu)化處理，從而使綜合船橋系統(tǒng)比各設(shè)備單獨(dú)使用時(shí)在保障船舶安全航行和降低人員成本方面發(fā)揮更大的作用[27]。新一代IBS應(yīng)至少具備以下特性：1)先進(jìn)的體系架構(gòu)，可考慮應(yīng)用CPS架構(gòu)；2)強(qiáng)大的系統(tǒng)集成能力，融合不同設(shè)備間的信息；3)最優(yōu)航線設(shè)計(jì)能力；4)精確和可靠的航跡控制技術(shù)；5)多目標(biāo)避碰輔助決策系統(tǒng)；6)雷達(dá)、電子海圖、AIS間的融合處理[28]。全球最大的船舶設(shè)備供應(yīng)商之一的英國(guó)羅爾斯·羅伊斯公司已經(jīng)開展了無(wú)人駕駛貨船項(xiàng)目的研究，預(yù)計(jì)10年內(nèi)將有第一艘無(wú)人駕駛貨船投入使用[29]。其提出的智能航行框架包括遠(yuǎn)程控制、設(shè)備環(huán)境監(jiān)控、決策支持、優(yōu)化操作、船舶自動(dòng)化等功能模塊，如圖6[30]。

圖6 智能航行框架Fig.6 The architecture of intelligent navigation

3.4 智慧海事

海事監(jiān)管對(duì)提高航運(yùn)效率具有重要的意義。智慧海事監(jiān)管是用信息化的手段全面打造海事監(jiān)管的新格局，在海事監(jiān)管領(lǐng)域全面深入地利用信息技術(shù)，開發(fā)利用監(jiān)管資源，促進(jìn)安全信息的整合和共享，提高海事監(jiān)管的質(zhì)量和效能[31]。智慧海事監(jiān)管的核心是信息化，具體是利用AIS、閉路監(jiān)控電視(CCTV)、射頻識(shí)別(RFID)、船舶遠(yuǎn)程識(shí)別與跟蹤(LRIT)、船舶交通服務(wù)(VTS)等系統(tǒng)，以及大數(shù)據(jù)、船聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)航運(yùn)船舶的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、全程監(jiān)管與服務(wù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在智能海事相關(guān)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、智能決策等方面做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[31]提出了一種基于面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)的分布式“智慧海事云”架構(gòu)；針對(duì)VTS系統(tǒng)交管雷達(dá)對(duì)船舶目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題；文獻(xiàn)[32]提出了一種改進(jìn)的模糊C-Mean方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀(ARPA)目標(biāo)的自動(dòng)提取，有效降低了人工識(shí)別船舶目標(biāo)的難度；文獻(xiàn)[33]基于天氣信息系統(tǒng)構(gòu)建了一種海事智能管理工作站，既能夠?yàn)榇敖煌ü芾碚咛峁Q策支持，也能夠?yàn)榇氨旧硖峁┓?wù)；文獻(xiàn)[34]為提高船舶交通管理的安全性，提出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)理同時(shí)監(jiān)控多條船舶的狀態(tài)，并將獲取的信息與現(xiàn)有的船舶交通管理和信息系統(tǒng)(vessel traffic monitoring and information systems, VTMISs)進(jìn)行融合，同時(shí)還提出利用擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)單條船舶狀態(tài)軌跡的預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[35]基于模糊推理系統(tǒng)研發(fā)一種智能化的實(shí)時(shí)多船避碰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，保障船舶航行安全。

4 典型智能航運(yùn)系統(tǒng)

目前智能航運(yùn)系統(tǒng)仍處于發(fā)展和完善階段，以鹿特丹港和新一代智能船舶為例介紹已有智能航運(yùn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

4.1 世界領(lǐng)先港口——鹿特丹港

鹿特丹港位于萊茵河與馬斯河河口，是歐洲最大也是全球最先進(jìn)的港口，被譽(yù)為“歐洲門戶”[36]。作為首個(gè)使用自動(dòng)引導(dǎo)車(automated guided vehicles, AGV)和首個(gè)建成全自動(dòng)化集裝箱碼頭的港口，鹿特丹港除了巨大的吞吐量外，更讓人熟知的是其對(duì)先進(jìn)運(yùn)營(yíng)理念和技術(shù)的不斷追求。以下簡(jiǎn)要從自動(dòng)引導(dǎo)車和聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)來(lái)分析鹿特丹港的先進(jìn)性。

1)自動(dòng)引導(dǎo)車

碼頭AGV是一種用于船舶與堆場(chǎng)之間運(yùn)輸集裝箱的交通工具，是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)集裝箱碼頭的關(guān)鍵裝備[37]。AGV經(jīng)歷了卡車、柴油-液壓車、油電混合車的發(fā)展后，鹿特丹港在2013年就開始應(yīng)用無(wú)人電池-電力AGV，該AGV首次將集裝箱的運(yùn)輸和存放過(guò)程分離，并能將集裝箱在碼頭的處理效率提升約50%，同時(shí)還具有零排放、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)[38]。鹿特丹港混合動(dòng)力和電池-電力AGV原型如圖7。

2)聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)

鹿特丹港具有發(fā)達(dá)的聯(lián)合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)(intermodal transportation，簡(jiǎn)稱聯(lián)運(yùn))，包括內(nèi)河、道路、近海、管道運(yùn)輸?shù)?，這使得鹿特丹港能夠?qū)⒇浳镌?4 h內(nèi)運(yùn)輸?shù)綒W洲各個(gè)重要的目的地[39]。聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)最重要的特點(diǎn)是能夠充分發(fā)揮每個(gè)運(yùn)輸方式的優(yōu)勢(shì)，從宏觀(交通擁堵、排放等)和微觀(某一貨物達(dá)到時(shí)間等)兩個(gè)層面綜合考慮，最終設(shè)計(jì)一個(gè)最優(yōu)的運(yùn)輸方案。鹿特丹港充分發(fā)揮了聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在提高運(yùn)輸效率的同時(shí)還節(jié)約了能源、降低了排放。

圖7 鹿特丹港混合動(dòng)力AGV和電池-電力AGV原型Fig.7 Prototypes of hybrid and battery-electric AGV in port of rotterdam

4.2 新一代智能船舶

羅爾斯·羅伊斯(Rolls Royce)公司致力于研發(fā)具有無(wú)人駕駛和全球航行能力的新一代商用智能船舶，能夠有效提高運(yùn)營(yíng)效率、降低成本、減少排放甚至降低風(fēng)險(xiǎn)。新一代智能船舶或許是航運(yùn)業(yè)歷史上的一次重要變革，已經(jīng)引起了全世界廣泛的關(guān)注[40]。

2015年，羅爾斯·羅伊斯公司聯(lián)合芬蘭船舶設(shè)計(jì)公司Deltamarin、國(guó)際海事衛(wèi)星組織、芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)等近10家機(jī)構(gòu)共同承擔(dān)了由芬蘭政府資助的AAWA(advanced autonomous waterborne applications)項(xiàng)目，旨在為實(shí)現(xiàn)新一代智能船舶提供前期設(shè)計(jì)方案以及開展關(guān)鍵技術(shù)研究。AAWA項(xiàng)目共分為3個(gè)階段：第1階段(2015年)為概念設(shè)計(jì)階段；第2階段(2016—2017年)為關(guān)鍵解決方案和關(guān)鍵技術(shù)研究階段；第3階段(2018年)為驗(yàn)證階段[41]。目前公開的資料顯示，該項(xiàng)目涉及的研究包括：1)遠(yuǎn)程操控技術(shù)；2)離港解纜和機(jī)動(dòng)操控技術(shù)；3)開闊水域操控技術(shù)；4)自主航行技術(shù)；5)態(tài)勢(shì)感知技術(shù)；6)遠(yuǎn)程通信技術(shù)；7)遠(yuǎn)程和自主航行合法性；8)自主航行的安全性保障；9)對(duì)航運(yùn)業(yè)格局的影響。

該項(xiàng)目提出的自主導(dǎo)航流程和結(jié)構(gòu)分別如圖8a)和8b)所示。該項(xiàng)目是從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、法律、管理、技術(shù)等多個(gè)方面來(lái)探討智能船舶的可行性方案，對(duì)下一代智能船舶的實(shí)現(xiàn)提供了重要參考和支持。

(a) 自主導(dǎo)航流程

(b)自主導(dǎo)航結(jié)構(gòu)圖8 自主導(dǎo)航系統(tǒng)原理Fig.8 The autonomous navigation system (ANS) principle

5 智能航運(yùn)系統(tǒng)的技術(shù)展望

經(jīng)過(guò)對(duì)智能航運(yùn)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展現(xiàn)狀的分析可知，當(dāng)前航運(yùn)正處于自動(dòng)化、信息化時(shí)代向智能化時(shí)代過(guò)渡的階段。隨著船聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)不斷完善以及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)在航運(yùn)領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，構(gòu)建智能化的航運(yùn)系統(tǒng)已經(jīng)成為了未來(lái)幾年、十幾年內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。從谷歌圍棋機(jī)器人AlphaGo能夠戰(zhàn)勝最頂尖圍棋棋手的結(jié)果來(lái)看，在某些方面目前機(jī)器智能水平已經(jīng)能夠達(dá)到甚至超過(guò)人類。對(duì)于航運(yùn)系統(tǒng)也是如此，隨著計(jì)算機(jī)、通信、傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能算法尤其是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的逐步完善，以及大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算平臺(tái)的成功應(yīng)用，使得未來(lái)的航運(yùn)系統(tǒng)對(duì)人的依賴越來(lái)越少，船舶交通管理的效率越來(lái)越高。

從2011年提出“工業(yè)4.0”以來(lái)，智能制造迅速成為了工業(yè)界未來(lái)重要的發(fā)展方向，我國(guó)也于2015年發(fā)布了《中國(guó)制造2025》，旨在加快中國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。作為航運(yùn)大國(guó)，中國(guó)航運(yùn)工業(yè)也應(yīng)盡快進(jìn)入智能時(shí)代。在技術(shù)層面，除了船聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算外，信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems, CPS)、無(wú)人化技術(shù)在智能航運(yùn)系統(tǒng)中將起到至關(guān)重要的作用。

5.1 CPS

CPS是一種計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的集成和相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)，即通過(guò)嵌入式計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理進(jìn)程的檢測(cè)和控制，并通過(guò)反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)物理進(jìn)程對(duì)計(jì)算進(jìn)程影響的系統(tǒng)[42]。CPS不同于傳統(tǒng)的有關(guān)計(jì)算系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的觀念，其將信息世界(cyber space)與物理世界(physical world)通過(guò)自主適應(yīng)、反饋閉環(huán)控制方式緊密地結(jié)合起來(lái)，具有實(shí)時(shí)、安全、可靠、高性能等特點(diǎn)。CPS是當(dāng)今最前沿的交叉研究領(lǐng)域之一，被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)史上的下一次信息浪潮，將會(huì)改變?nèi)伺c顯示物理世界之間的交互方式[43]。目前CPS在交通領(lǐng)域尤其是船舶交通領(lǐng)域的研究還多處于探索階段。借鑒文獻(xiàn)[44]對(duì)道路交通信息物理系統(tǒng)(T-CPS)設(shè)計(jì)的架構(gòu)，提出水路交通信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，如圖9。

圖9 水路交通信息物理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 CPS Structure of waterway transportation

5.2 無(wú)人駕駛技術(shù)

無(wú)人機(jī)、無(wú)人車和無(wú)人水下航行器的成功應(yīng)用和推廣使載運(yùn)工具無(wú)人化技術(shù)在航運(yùn)系統(tǒng)的應(yīng)用受到了很大的關(guān)注。無(wú)人船(unmanned surface vessels, USVs)和自動(dòng)引導(dǎo)車是航運(yùn)系統(tǒng)中具有代表性的無(wú)人駕駛運(yùn)輸工具。如能實(shí)現(xiàn)船舶的無(wú)人駕駛，將會(huì)有效降低航運(yùn)的人工成本，降低人為因素帶來(lái)的事故風(fēng)險(xiǎn)，以及提升船舶運(yùn)輸能力(將原有船員生活空間用來(lái)裝載貨物)等[45]。在港口集裝箱搬運(yùn)時(shí)，AGV能夠在港口不同的碼頭間按照預(yù)設(shè)的路徑自動(dòng)駕駛，使貨物托運(yùn)過(guò)程能夠完全在無(wú)人化的情況下進(jìn)行，提升了裝卸貨的效率。考慮到當(dāng)前AGV主要在地面行駛的局限性，文獻(xiàn)[46]還提出了基于水面AGV的自動(dòng)路徑跟蹤控制方法。

無(wú)人駕駛可認(rèn)為是未來(lái)智能航行的一種表現(xiàn)形式。目前還未有成熟的船舶無(wú)人駕駛技術(shù)能夠應(yīng)用于航運(yùn)船舶，尤其是針對(duì)遠(yuǎn)洋航線的貨船，因?yàn)檫@對(duì)無(wú)人駕駛的可靠性、安全性、自動(dòng)避碰性能要求較高。此外，USV的航行合法性也是限制其在航運(yùn)中實(shí)際應(yīng)用的重要障礙，目前國(guó)際海事組織還未出臺(tái)針對(duì)USV航行的規(guī)則。但是，目前針對(duì)小型艇的無(wú)人駕駛研究較多，尤其是美國(guó)、以色列等軍事強(qiáng)國(guó)以及英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等海洋強(qiáng)國(guó)，文獻(xiàn)[45]對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)人艇的相關(guān)研究作了較為詳細(xì)的介紹和分析。

6 結(jié)束語(yǔ)

航運(yùn)系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜和龐大的運(yùn)輸系統(tǒng)，航運(yùn)系統(tǒng)智能化是提升航運(yùn)系統(tǒng)效率、安全和節(jié)能環(huán)保的必然選擇。限于篇幅本文很難從各個(gè)方面完整概述智能航運(yùn)系統(tǒng)涉及的各個(gè)方面，僅從體系結(jié)構(gòu)、研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等方面對(duì)當(dāng)前智能航運(yùn)作了簡(jiǎn)要的闡述和分析，以鹿特丹港和新一代智能船舶作為示例描述了智能航運(yùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，最后展望了未來(lái)智能航運(yùn)的發(fā)展趨勢(shì)，并將CPS和無(wú)人駕駛技術(shù)作為未來(lái)智能航運(yùn)發(fā)展重要的技術(shù)趨勢(shì)。

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嚴(yán)新平，男，1959年生，交通運(yùn)輸工程學(xué)科首席教授，博士生導(dǎo)師。中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)常務(wù)理事，教育部科技委能源與交通學(xué)部副主任，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能交通專業(yè)委員會(huì)主任。主要研究方向?yàn)榇皺C(jī)械運(yùn)用工程、水運(yùn)智能化及運(yùn)輸安全。

柳晨光，男，1988年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)榇爸悄芑痛爸悄苓\(yùn)動(dòng)控制。

Review and prospect for intelligent waterway transportation system

YAN Xinping1,2,3, LIU Chenguang1,2,3

(1. Intelligent Transport System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

An intelligent waterway transportation system, i.e., a system used for intelligent waterway transportation, has been rapidly developed in recent years because technologies and theories related to the system, namely, transportation perception, communication, data processing, artificial intelligence, and information systems, have matured. In this paper, first, the main functions and architecture of the system were analyzed. Second, the state of the art technologies related to the system, e.g., big data, internet of vessels, cloud computing and intelligent navigation, were introduced. Third, components comprising the system, i.e., intelligent waterway, intelligent port, intelligent ship and intelligent maritime, were analyzed. Fourth, several representative intelligent waterway systems were presented. Finally, the future technology development of the system was forecasted.

shipping; intelligent system; internet of vessels; intelligent navigation; big data; cloud computing; cyber-physical system

10.11992/tis.201605007

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170111.1705.032.html

2016-05-10.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAG20B05).

嚴(yán)新平. E-mail：xpyan@whut.edu.cn.

TP18，U6

A

1673-4785(2016)06-0807-11

嚴(yán)新平，柳晨光. 智能航運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2016, 11(6): 807-817.

英文引用格式：YAN Xinping, LIU Chenguang. Review and prospect for intelligent waterway transportation system[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2016, 11(6): 807-817.