·66· 智能系统学报 第14卷 耗与排放水平。船舶航速优化是一项非常复杂的 线路图》对无人水面船未来5年（近期）、未来 科学决策过程，其实质是不同约束条件下选择最 10年（中期）、未来25年（远期）的技术重点做了 佳航行速度，达到最大程度地降低燃油成本@6。 详细规划。未来5年无人船的技术研发主要集中 4.7自主水面货船智能维护技术 在传感器和通信系统方面，提高在受控区域执行 为保障自主水面货船航行安全，各类设备应 任务的自主性和联网能力：未来10年的技术研发 具备智能维护功能。船舶故障诊断包括主机故障 主要集中在增加作业任务、扩展作业范围；未来 诊断及电力系统故障诊断等。主机系统等是复杂 25年的技术研发主要集中在自动避碰避障等自 的耦合系统，运行状态复杂、故障类型多，因而智 主系统，提高无人船作业的自主性。从控制系统 能故障诊断技术应具有全局搜索能力强、优化速 体系结构、自主决策、模式识别、信息融合、控制 度快、准确性强的特点。如在没有任何人为干预 方法等方面着手研究，以提高海事自主水面船舶 的情况下如何运行及维护柴油发动机是自主水面 的智能化、自适应水平，使船舶能在复杂海洋环 货船智能维护技术难点之 境中长期、可靠、安全、自主地航行并完成各种使 4.8自主水面货船货物管理技术 命任务。 船舶货物的智能管理是利用传感器等感知设 因此，基于自主水面货船面临的挑战以及当 备对货物、货舱和货物保护系统的参数进行自动 前的研究任务，进行如下展望。 采集，并基于计算机技术、自动控制技术和大数 1)加快测试场的建设及自主水面货船的研 据处理、分析，以实现货舱、货物和货物保护系统 制，在未来的研究中广泛开展实船实验，弥补仿 状态的监测、报警、辅助决策和控制。同时还可 真实验的不足，使自主水面货船的功能更加符合 以基于监测和获得的数据，进行货物优化配载和 实际需求，将来更好地投入运营。 自动装卸。如实现矿物状态监测及管理，液货状 2)发挥无轴轮缘推进等先进推进装置的优 态监测及管理功能。 势。中小尺度自主航行船舶(10万t级以下)需要 4.9自主水面货船数据管理技术 增配侧推器并进行精确控制，以实现自主靠离泊 自主水面货船系统由于无人操作，所需设备 等功能。 较多，导致数据存储及处理量大。因此数据轻量 3)推广新型能源的使用。由于不同新能源形 化是解决数据存储及处理、船岸之间通信的重要 式和利用方式之间存在显著差异，需要根据船舶 手段。此外，应加强赛博安全放空保障通信与数 结构和动力系统的构成特点，通过综合分析和优 据安全。 化设计以实现可靠集成和高效运行。 4.10自主水面货船航行标准规范 4)智能感知、认知及控制方面。 普通船舶目前已有成熟的规范体系，由世界 ①根据自主水面货船的工作特点、运动特 海事组织和各国船级社制定，涵盖海上管辖、安 性、使用环境和操控系统的要求，确定航行路径， 全、技术、船员等方面，并在不断完善过程，如关 设计综合导航系统方案，为航行提供可靠的导航 于管辖权的《联合国海洋公约》：技术类法规《国 定位。利用多传感器信息综合技术，开发一种可 际海上避碰规则》、《海员培训、发证和值班标 以处理“不确定性”、“延时”的信息融合、决策方 准国际公约》；海员类《国际劳工公约》、《国 法，为航行提供可靠的姿态运动信息。此外，图 际海上人命安全公约》。关于无人船等智能船 像识别的实时性及应用的广泛性需要进一步加 舶，相关规范有《无人水面艇检验指南》、《智 强，应用基于人工智能的语音语义识别技术，加 能船舶规范》、《智能功能认证与分级》、《无 强其时效性及准确性。 人船安全评估方法》。基于此，自主水面货船的 ②自主水面货船运动控制研究可采用无人 航行也需要有针对性的形成系列标准至国际规 艇与有人货船的控制方法作为参考，结合自主水 则，主要包括技术规则、操作规则（安全速度、瞭 面货船自身的特点进行设计，分别对其航速航向 望和操纵)、豁免、安全配员等，解析船舶系统标 控制、自主避碰与自动靠离泊等方面进行研究。 准，明确责任归属。 运动模型建立方面，增加多桨多舵及多自由度船 5 自主水面货船研究展望 舶模型的建立，从各方面提高运动控制的精确程 度。深入研究自动靠离泊技术并转化为实际应 2013年12月美国国防部发布的《无人系统 用。加强基础控制算法研究，提高控制稳定性、耗与排放水平。船舶航速优化是一项非常复杂的 科学决策过程，其实质是不同约束条件下选择最 佳航行速度，达到最大程度地降低燃油成本[60-62]。 4.7 自主水面货船智能维护技术 为保障自主水面货船航行安全，各类设备应 具备智能维护功能。船舶故障诊断包括主机故障 诊断及电力系统故障诊断等。主机系统等是复杂 的耦合系统，运行状态复杂、故障类型多，因而智 能故障诊断技术应具有全局搜索能力强、优化速 度快、准确性强的特点。如在没有任何人为干预 的情况下如何运行及维护柴油发动机是自主水面 货船智能维护技术难点之一。 4.8 自主水面货船货物管理技术 船舶货物的智能管理是利用传感器等感知设 备对货物、货舱和货物保护系统的参数进行自动 采集，并基于计算机技术、自动控制技术和大数 据处理、分析，以实现货舱、货物和货物保护系统 状态的监测、报警、辅助决策和控制。同时还可 以基于监测和获得的数据，进行货物优化配载和 自动装卸。如实现矿物状态监测及管理，液货状 态监测及管理功能。 4.9 自主水面货船数据管理技术 自主水面货船系统由于无人操作，所需设备 较多，导致数据存储及处理量大。因此数据轻量 化是解决数据存储及处理、船岸之间通信的重要 手段。此外，应加强赛博安全放空保障通信与数 据安全。 4.10 自主水面货船航行标准规范 普通船舶目前已有成熟的规范体系，由世界 海事组织和各国船级社制定，涵盖海上管辖、安 全、技术、船员等方面，并在不断完善过程，如关 于管辖权的《联合国海洋公约》；技术类法规《国 际海上避碰规则》、《海员培训、发证和值班标 准国际公约》；海员类《国际劳工公约》、《国 际海上人命安全公约》。关于无人船等智能船 舶，相关规范有《无人水面艇检验指南》[4] 、《智 能船舶规范》、《智能功能认证与分级》、《无 人船安全评估方法》。基于此，自主水面货船的 航行也需要有针对性的形成系列标准至国际规 则，主要包括技术规则、操作规则 (安全速度、瞭 望和操纵)、豁免、安全配员等，解析船舶系统标 准，明确责任归属。 5 自主水面货船研究展望 2013 年 12 月美国国防部发布的《无人系统 线路图》对无人水面船未来 5 年 (近期)、未来 10 年 (中期)、未来 25 年 (远期) 的技术重点做了 详细规划。未来 5 年无人船的技术研发主要集中 在传感器和通信系统方面，提高在受控区域执行 任务的自主性和联网能力；未来 10 年的技术研发 主要集中在增加作业任务、扩展作业范围；未来 25 年的技术研发主要集中在自动避碰避障等自 主系统，提高无人船作业的自主性。从控制系统 体系结构、自主决策、模式识别、信息融合、控制 方法等方面着手研究，以提高海事自主水面船舶 的智能化、自适应水平，使船舶能在复杂海洋环 境中长期、可靠、安全、自主地航行并完成各种使 命任务。 因此，基于自主水面货船面临的挑战以及当 前的研究任务，进行如下展望。 1) 加快测试场的建设及自主水面货船的研 制，在未来的研究中广泛开展实船实验，弥补仿 真实验的不足，使自主水面货船的功能更加符合 实际需求，将来更好地投入运营。 2) 发挥无轴轮缘推进等先进推进装置的优 势。中小尺度自主航行船舶 (10 万 t 级以下) 需要 增配侧推器并进行精确控制，以实现自主靠离泊 等功能。 3) 推广新型能源的使用。由于不同新能源形 式和利用方式之间存在显著差异，需要根据船舶 结构和动力系统的构成特点，通过综合分析和优 化设计以实现可靠集成和高效运行。 4) 智能感知、认知及控制方面。 ① 根据自主水面货船的工作特点、运动特 性、使用环境和操控系统的要求，确定航行路径， 设计综合导航系统方案，为航行提供可靠的导航 定位。利用多传感器信息综合技术，开发一种可 以处理 “不确定性”、“延时”的信息融合、决策方 法，为航行提供可靠的姿态运动信息。此外，图 像识别的实时性及应用的广泛性需要进一步加 强，应用基于人工智能的语音语义识别技术，加 强其时效性及准确性。 ② 自主水面货船运动控制研究可采用无人 艇与有人货船的控制方法作为参考，结合自主水 面货船自身的特点进行设计，分别对其航速航向 控制、自主避碰与自动靠离泊等方面进行研究。 运动模型建立方面，增加多桨多舵及多自由度船 舶模型的建立，从各方面提高运动控制的精确程 度。深入研究自动靠离泊技术并转化为实际应 用。加强基础控制算法研究，提高控制稳定性、 ·66· 智 能 系 统 学 报 第 14 卷