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橫在“無人船”前的“三座大山”

船舶人才網 發布時間: 2017/2/6 11:13:55

“無人船”的優勢

隨著近年來大數據、云計算、虛擬現實和人工智能技術的迅速發展,無人駕駛船舶的概念開始引起國際海事界的高度關注。2015年12月,中船集團在其智能船舶發展論壇上發布一項名為I-Dolphin的設計方案。該設計方案以一艘載重量為3.88萬噸級散貨船為母船,利用大數據和信息技術,對船舶的總體性能及狀態進行實時監測、評估、分析,從而為航行操控和航線選擇提供優化解決方案,盡可能減少因人為操作失誤而引發的安全事故。

從目前中船集團對外公布的設計方案來看,這艘智能船不僅將配備常規船舶所必須的動力、操作與居住系統,還將在船舶航行期間通過衛星信號與岸上實現船舶航運狀態與設備運行狀況的實時通訊,并通過專家系統對船舶的實際運行情況進行綜合分析,進而確定船舶的操作策略并判斷船上設備是否需要進行保養。中船集團專家表示,理論上I-Dolphin是一艘能夠自主“思考”的船舶,無需船員操作即可實現自主航行。然而考慮到受目前通訊技術與自動化控制技術制約可能產生的額外風險,I-Dolphin上依然會配備足夠的船員,以便在船舶自動化系統發生故障時能夠控制船舶。

與中船集團的I-Dolphin設計方案相比,羅爾斯•羅伊斯公司于去年3月發布的一項名為“智能化橋樓”的概念已經在一艘名為“StrilLuna”號的海工船上成功運用。目前該公司已經在挪威完成了一項用于船舶的遠程導航虛擬現實系統的測試。該系統通過安裝在船上的攝像頭與傳感器將船舶360°視野實時傳回控制中心,并通過三維動畫與虛擬現實技術在控制中心的顯示屏上展示給船舶操作者,操作者可在岸上控制中心,通過操作手柄輕松實現包括發動機控制與貨物搬運在內的各種船舶操作。從某種意義上來說,全球首艘“無人船”“StrilLuna”號已經問世。

與有人駕駛的船舶相比,“無人船”的優勢是顯而易見的。一方面,船上的絕大多數設備,如救生、消防、防污染與生活設施很大程度上是為船上工作人員服務的,這些設備不僅需要占據船上寶貴的空間,還將增加船東的營運成本,特別是救生、消防、防污染等設備在船舶正常營運中基本不會被利用,但為了確保這些設備的有效性,船東每年都需支付不菲的維護保養費用。如果未來船舶能夠實現無人駕駛,這些設備就可省卻,由此產生的經濟效益不言而喻。另一方面,隨著現代船舶性能的不斷提升,由于船員疲勞與不良情緒而導致的操作性失誤已成為危害船舶航行安全的主要因素。在“無人船”的設計方案中,船舶的操縱主要是通過專家決策系統與遠程遙控系統在勞動條件更好的岸上進行操作,從而從根本上減少人為因素對船舶航行安全的影響。

中船集團在其智能船發布會上宣稱中國制造的首艘智能船將于年內問世,而羅爾斯•羅伊斯公司高級副總裁OskarLevander在阿姆斯特丹“自動航行科技研討會”上則認為至少在2020年左右才會有全尺寸的“無人船”在海上航行。然而無論是采用人工智能方案還是遠程遙控方案,以先進的計算機、數據傳輸與虛擬現實技術為依托的“無人船”,在問世前還需要翻越信息傳輸安全性、動力裝置穩定性和遠程操縱可靠性“三座大山”。


翻越“三座大山


信息傳輸的安全性

提升信息傳輸的安全性是“無人船”投入商業運營前所必須解決的問題。

未來的“無人船”上所運用的實時數據傳輸、人工智能與遠程控制技術等,在給船舶駕駛帶來種種便利的同時也為海盜的搶劫提供了更多選擇。在去年3月的“RSA加密算法安全大會”上,VerizonRISK安全團隊披露了一個非常有趣的案例。一群海盜在劫持了某航運企業的貨船后并沒有針對船上人員和船舶本身索要贖金,而是迅速找到目標集裝箱,搶走箱內的貴重貨物后揚長而去。

VerizonRISK安全團隊在調查中發現,海盜在實施搶劫前已成功入侵這家企業的提單管理系統,對于船舶載運貨物的情況了如指掌,并提前鎖定了搶劫目標。

從這個角度來看,未來的海盜可能無需再冒著被大浪卷入海底的風險登船搶劫,只需雇傭黑客通過攻擊智能船的控制系統即可成功控制船舶。

信息與數據安全將是未來航運業發展過程中必須考慮的問題。目前人類在陸上互聯網系統的防范方面已積累了非常豐富的經驗,未來的“無人船”控制系統完全可以借鑒這些經驗以確保船舶數據傳輸過程中的安全。然而不僅僅是船舶控制系統,未來航運企業的自身信息系統安全等級的提升也非常重要。不少航運企業早已配備了先進的網管系統,可以在系統上實時查看貨物與船舶的狀態,甚至船上某一具體設備的運轉狀況,然而目前這些系統大多處于“裸奔”狀態。

未來海盜如果無法破解“無人船”的控制系統,也可以攻擊航運企業的船隊管理系統,通過數據分析準確篩選出那些機械設備已存在故障的船舶,以提高搶劫過程中登船的成功率。


力裝置的穩定性

提升船舶動力裝置運行的穩定性也是未來“無人船”需要重點突破的技術障礙,持續穩定的推進動力是船舶航行安全的重要保障。

在社會道路上行駛的“無人車”一旦發生事故可以方便地獲得維修保障,但是海洋特有的惡劣環境決定了在海上航行的“無人船”一旦發生故障將很難獲得及時維修。因此“無人船”動力裝置的穩定性就顯得尤為重要。

目前已在民用船舶上廣泛采用的低速柴油機動力裝置運動結構復雜,低速穩定性不高,在惡劣海況、低速航行等特殊情況下依然需要船員手動進行操作,在設備發生故障的情況下更是如此。

從這個意義上來看,單臺柴油機動力裝置將難以滿足未來“無人船”對于動力裝置穩定性的要求。

與單機單槳的常規貨船相比,采用雙機雙槳布置方案的船舶在動力裝置總體穩定性與推進冗余度方面顯然更具優勢。然而低速柴油機的工作原理決定了其在負載突變的工況下難以穩定運轉。

采用不同類型的柴油機并車驅動推進器可能是一種適合未來“無人船”的動力布置方案。此類船舶將采用不同類型的兩種主機聯合驅動推進器,在正常海況下使用經濟性更好的低速二沖程柴油機驅動,而當主推進柴油機失效時可采用可靠性更高的四沖程柴油機作為應急動力裝置,以確保船舶在航行過程中不至失去動力。

電力推進也是未來“無人船”可能選擇的動力布置方案之一,與柴油機直接驅動推進器的方案相比,電力推進的穩定性與冗余度無疑更高,在技術上更容易實現遠程遙控。然而在目前人工成本尚可接受的大背景下,與增加一套推進系統或采用電力推進所需支付的額外費用相比,船東顯然更傾向于雇傭船員進行操作。


遠程操縱的可靠性

遠程操縱的可靠性也是未來“無人船”需要解決的關鍵技術問題。海上惡劣的環境條件與海水巨大的阻力決定了船舶的操縱遠不如汽車和飛機那樣靈活,與早已實現一人駕駛的飛機、火車和汽車相比,船舶是目前公認的人類難駕馭的交通工具。目前已實現無人化的“StrilLuna”號是一艘能在惡劣海況下穿浪運行的海工船。這類船身瘦小靈活且配備了大功率推進系統與首尾輔助推進裝置的海工船本身操縱性能較強,因此比較容易實現遠程遙控。而普通遠洋貨輪受經濟方面的制約在操縱性方面遠不及設備先進的海工船,航行中的操作相對海工船而言復雜很多。因此大型船舶航行過程中對于船舶狀態的控制更多是根據船長的經驗現場決策,如采用遠程控制或人工智能的方式進行操作必然會增加船舶航行中的風險。

作為“無人船”概念前身的“無人機艙”與“一人橋樓”技術在遠洋運輸船舶上的實踐經驗也充分說明了“無人船”概念的真正實現還需要相當長的時間。

“無人機艙”又稱“周期性無人值班機器處所”,是一種通過各類傳感、信號與控制系統取代輪機管理人員對船舶機艙內設備的運行狀況進行自動監測與控制的設計概念,目前已在大部分遠洋貨輪上廣泛采用。盡管這類船舶的機艙設備已實現高度自動化,然而船舶在大風浪與航道內航行期間機艙依然容易發生需要輪機員人工排除的機械故障,船長通常都會傾向于安排人員在機艙值班。

“一人橋樓”是一種駕駛臺的自動化設計理念,主要通過電子集成技術將操作船舶的所有面板集中布置在駕駛員觸手可及的范圍內,從而實現像駕駛汽車或者飛機那樣操縱船舶。然而駕駛船舶所需要的操作動作遠超過飛機和汽車,實踐中很難依靠一個人獨立完成。為確保船舶航行安全,幾乎所有配備“一人橋樓”的船舶在實踐中依然保持了兩人值班的管理制度。

然而,即使未來橫在“無人船”面前的信息傳輸安全性、動力裝置穩定性以及遠程操縱可靠性“三座大山”被成功搬走。一向保守的航運業以及航運相關行業基于安全考慮,對于“無人船”的認可度也未必會有相應的提升。盡管“無人船”的設計方案可以在程度上降低人為因素的風險,但同時也給船舶帶來了更多未知的風險。與此同時,與“無人船”配套的海事法規的出臺也是一個漫長的過程。

從這些方面來看,航運業在未來很長一段時間內都難以實現“無人化”。然而,隨著船舶自動化水平的不斷提升,船舶所需配員的逐漸減少依然是未來航運業的大勢所趨。

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