隨著科學技術(shù)的進步和設(shè)計能力的提升，相信未來船舶技術(shù)的發(fā)展必然是智能與綠色的融合。

近年來，行業(yè)新規(guī)和環(huán)保要求讓智能和綠色成為業(yè)界關(guān)鍵詞。新環(huán)境下，如何找準船舶智能建造方向？智慧型船舶系統(tǒng)該怎樣一步步地走？哪些又是最具效率的綠色船舶動力？9月18日，業(yè)界專家學者在中國造船工程學會主辦、舟山市經(jīng)濟和信息化局和中國船舶重工集團公司第七〇四研究所承辦的首屆“中國船舶設(shè)計師論壇”上，給出了思考的方向。

技術(shù)智能化是必然之路

“‘信息通信+先進制造技術(shù)融合’的制造技術(shù)智能化，是中國船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型的必然之路。”中國造船工程學會首席專家陳映秋表示，中國制造業(yè)份額在全球占比已經(jīng)超過20%，遺憾的是，卻仍然處于全球價值鏈中的中低端，“中國制造業(yè)需要在全球制造業(yè)勢力重新劃分的關(guān)鍵時期進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級攻關(guān)，發(fā)展高端制造業(yè)，由‘高速增長’向‘高質(zhì)量’發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。”

在陳映秋看來，這是這條“必然之路”的一個背景。據(jù)《2019年中國船舶行業(yè)分析報告——產(chǎn)業(yè)供需現(xiàn)狀與未來趨勢預測》顯示，2019年上半年，我國造船完工量雖然保持增長，但承接新船訂單量和手持船舶訂單量同比下降。統(tǒng)計期內(nèi)，我國承接新船訂單量1206萬載重噸，較2018年同期下降46.9%；手持船舶訂單量8172萬載重噸，較2018年同期下降10.3%。相比之下，韓國造船廠在技術(shù)上的投資和積累則為韓國造船業(yè)帶來了較高回報，例如，超大型液化天然氣(LNG)船、超大型油船(VLCC)和超大型集裝箱船等高附加值船型訂單多被韓國船廠接獲。而這條“必然之路”可行的強有力支持因素，則在于科學技術(shù)的突飛猛進，即互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的工程化發(fā)展。陳映秋說：“面向行業(yè)智能制造發(fā)展需求，我國造船企業(yè)應(yīng)努力完善船舶精益制造體系和智能制造標準體系，加強船廠互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。同時，圍繞關(guān)鍵環(huán)節(jié)，補齊關(guān)鍵技術(shù)和柔性化、自動化、智能化造船裝備短板，結(jié)合船舶制造特點，充分發(fā)揮人與機器智能協(xié)同優(yōu)勢。”

哈爾濱工程大學船舶工程學院副教授郭君也提出了數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法應(yīng)用于船舶及海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用場景設(shè)想。郭君說：“第一，數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法能夠利用以往設(shè)計數(shù)據(jù)獲得新設(shè)計船舶某項結(jié)構(gòu)性能的快速預報，支撐船舶設(shè)計單位在競標中占據(jù)優(yōu)勢。第二，它能夠代替某些結(jié)構(gòu)設(shè)計中重復性的繁瑣的人工工作，提高設(shè)計效率。第三，還能夠?qū)δ稠椊Y(jié)構(gòu)性能指標的演化趨勢進行預判，給科學合理的船舶結(jié)構(gòu)總體指標論證提供支撐。”

然而目前，數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法應(yīng)用于船舶及海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中的進展還比較緩慢，比如某一類型的船舶樣本量太少且離散，所形成的數(shù)據(jù)庫難以支撐智能方法的訓練。成本高昂的數(shù)據(jù)庫建立也是掣肘之一，因為船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及重量、強度、振動噪聲、抗爆抗沖擊等多種性能，而每變化一次設(shè)計方案帶來的計算工作量都是十分巨大的，因此，要推動數(shù)據(jù)技術(shù)與智能方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，或許高效率的結(jié)構(gòu)方案與結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)庫建立方法是一個重要的問題。面對這些挑戰(zhàn)，郭君建議，應(yīng)進一步完善參數(shù)化快速建模軟件，使其運行更流暢，模型更精準，船型覆蓋面更廣，同時嘗試研發(fā)設(shè)計參數(shù)化快速建模軟件與其他工程制圖軟件接口程序，實現(xiàn)參數(shù)輸入、模型建立、網(wǎng)格劃分、模態(tài)分析、數(shù)據(jù)提取的一體化程序。更重要的是，加強結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫分析中對各類智能方法適用性的研究，尋找各類結(jié)構(gòu)性能分析的合適智能方法，進而探索更多的數(shù)據(jù)技術(shù)和智能方法在船舶與海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用場景。

理性暢想智能航行

智能航行是航運智能化發(fā)展的另一個表象。人工智能(機器學習、自然語言處理、語音識別、計算機視覺)，網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)(網(wǎng)絡(luò)連接和系統(tǒng)軟件化、船舶網(wǎng)絡(luò)、船舶系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息安全)，感知技術(shù)(環(huán)境、船舶狀態(tài)、人員、船上貨品)，通訊技術(shù)(船岸鏈接和船船鏈接的技術(shù)瓶頸、衛(wèi)星通信、微波通信、移動通信技術(shù))，智能化的四個關(guān)鍵技術(shù)有了極大進步，而這四個技術(shù)的大跨越發(fā)展，也為船舶智能化提供了堅實的基礎(chǔ)。與此同時，船舶關(guān)鍵技術(shù)(包括動力電力、船舶裝置、熱能環(huán)保、減震降噪)已經(jīng)非常成熟，技術(shù)的引領(lǐng)加之需求，則催生了船舶智能化浪潮。“不久的將來，船舶智慧系統(tǒng)可使船舶或海工平臺達到智能化L3等級。”中國船舶重工集團公司第七〇四研究所副所長李建明說。所謂L3等級，即在給定場景中，系統(tǒng)自主決策并完成操作，屬于有條件自主，L3級別的智慧船舶可以通過船聯(lián)網(wǎng)接入云平臺，屆時，數(shù)以億計的海量數(shù)據(jù)將進入分析中心，實現(xiàn)更大程度的互聯(lián)互通。“這種智慧型的船舶系統(tǒng)會讓船舶運營更安全、更經(jīng)濟、更高效，為船東創(chuàng)造更多價值。”李建明說。

隨著人工智能、控制系統(tǒng)和傳感器的日益成熟，自主化技術(shù)能夠在航運和船舶領(lǐng)域發(fā)揮極大優(yōu)勢，比如，由于人為因素造成船舶事故占比極高，智能航行也在一定程度上可以減少人為因素造成的航行事故。但是，陳映秋也提醒到，在暢想自主駕駛技術(shù)發(fā)展方面，要更加理性。“首先，國際海事組織(IMO)的海上自主駕駛船舶(MASS)框架預計將在2020年完成，但主要還在于法律層面，技術(shù)層面較少，公約生效需要假以時日。其次，全球船聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準缺乏，且相關(guān)標準需要與國際公約呼應(yīng)。再次，人工駕駛與智能船舶利用相差20年或更長時間，這是由船舶經(jīng)濟性(船齡)決定的。因此，自主駕駛之路比較漫長，只有一步一步地走。其關(guān)鍵問題，第一在于海運界的接受程度，第二在于與接受程度呼應(yīng)的技術(shù)標準水平。”陳映秋說，“宣傳有利于引起人們對無人駕駛或自主技術(shù)等話題的關(guān)注，但實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛航運，目前并不現(xiàn)實，也許可能永遠不會出現(xiàn)。我們可以有不同程度的自主化，但駕駛員控制應(yīng)是優(yōu)先級的，因為智能只能為人類賦能，在控制方面不能取代人類。”在陳映秋看來，船舶的智能功能是為船員和支持人員提供相關(guān)的關(guān)鍵信息，以幫助決策的智能分析手段，而不應(yīng)被過度神化。

對于陳映秋的觀點，中遠海運重工有限公司經(jīng)營中心副總經(jīng)理趙志堅表示認同，他認為，“綠色航運”并不僅是無人駕駛，它體現(xiàn)在航運上下游的各個環(huán)節(jié)之中，只有高效的“綠色”，才是有意義的“綠色”。

趙志堅舉例稱：“常規(guī)船的機艙通風在各種工況下均是人為確定機艙風機的運行臺數(shù)，手動控制，所有風機都是普通定速風機。綠色智能船舶的機艙通風采用變頻風機，風機轉(zhuǎn)速根據(jù)機艙溫度、壓力自動調(diào)節(jié)。在貨艙通風控制方面，常規(guī)船在裝有集裝箱時，人為確定貨艙風機的運行臺數(shù)，且所有風機都是普通定速風機，綠色智能船的貨艙采用變頻風機，風機根據(jù)其所在貨艙的溫度和二氧化碳的濃度自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。常規(guī)船舶也沒有軟卸載功能，只有優(yōu)先脫扣功能，當發(fā)電機負荷高于某設(shè)定值時，將一些非重要負載進行自動脫扣(供電開關(guān)跳閘)，當發(fā)電機負荷降下來后，人為對脫扣掉的負荷進行復位及上電。而綠色智能船除了優(yōu)先脫扣功能外，額外提供軟卸載功能，即通過中控軟件程序自動停止或恢復負載(貨艙風機和冷箱)的供電。當發(fā)電機負荷高于某設(shè)定值時，貨艙風機及冷箱負荷通過軟卸載自動停止工作，貨艙風機收到中控停止命令后停機，對于冷箱來說，其供電開關(guān)收到中控命令后斷開，當發(fā)電機負荷降低到某設(shè)定值時，中控自動恢復供電(貨艙風機收到起動命令，冷箱電操供電開關(guān)合閘)。因此，軟卸載優(yōu)點明顯，它不需要船員全船去復位配電板脫扣開關(guān)，減少了船員的工作，迅速穩(wěn)定。”

趙志堅總結(jié)到，綠色航運的最有效應(yīng)用是應(yīng)將現(xiàn)代科學技術(shù)運用到航運業(yè)及其日常管理，使其節(jié)能高效而不犧牲后代人的長遠福祉，從環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度建立一個環(huán)境共生型的航運管理系統(tǒng)。“因此，集裝箱班輪公司技術(shù)管理部門對綠色船舶的要求應(yīng)主要體現(xiàn)在三個方面；第一是能耗的綠色環(huán)保，節(jié)能減排和增加燃料的利用率是重點；第二則是船舶航行的安全，因為降低航行及設(shè)備的安全事故，節(jié)省維護成本和事故發(fā)生風險也是一種‘綠色’的體現(xiàn)；第三則是運營管理的高效運轉(zhuǎn)，以提升船-岸之間的高效協(xié)同。”

新能源下的綠色航運

觀點的碰撞總是引人深思，對一件事情的不同看法或?qū)⒏�有可能帶動行業(yè)盡快走向那條正確的路。北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司經(jīng)理張成禮看來，把使用傳統(tǒng)化石燃料的交通工具改變?yōu)殡娏︱?qū)動，把發(fā)動機齒輪箱換成電池電機和驅(qū)動器，并沒有實現(xiàn)所謂的綠色航運。“2018年，中國火力發(fā)電量占全國總發(fā)電量的73.32%，可以說在目前情況下，電動其實是把燒油改為燒煤了，雖然集中發(fā)電的效率有所提高，排放有所降低，但這離真正的‘綠色’還是有距離的。真正的‘綠色’，首先要提高可再生能源發(fā)電的占比，并且同時發(fā)展電動交通，從發(fā)電和用電兩方面共同引入新技術(shù)，新產(chǎn)品才能實現(xiàn)真正的‘綠色’。”

據(jù)張成禮介紹，商船上更具有市場潛力的是軸帶發(fā)電機系統(tǒng)。雖然軸帶發(fā)電機系統(tǒng)包含多個變流器，并存在多種運行模式的切換，其控制的復雜程度遠遠大于電力推進變頻器，甚至比直流電網(wǎng)更復雜，但這套系統(tǒng)把常規(guī)船舶上的軸系推進系統(tǒng)和輔助發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)系到一起，既可以讓主柴油機發(fā)電，也可以讓輔助柴油機推進，從而大大提高了船舶主機的效率，同時增加了船舶航行的安全性。

與此同時，隨著儲能設(shè)備成本的逐步降低，儲能已進入到商業(yè)應(yīng)用階段。在造船領(lǐng)域，儲能技術(shù)進一步提高了船舶柴電推進系統(tǒng)的效率，降低運行成本，減少排放，可以完全代替柴油發(fā)電機。張成禮解釋稱：“儲能設(shè)備現(xiàn)在有三種使用方式，第一是直聯(lián)直流電網(wǎng)，第二是通過DC變流器連接直流電網(wǎng)，第三是通過AC變流器連接交流電網(wǎng)。和儲能應(yīng)用一起出現(xiàn)的是船舶直流電網(wǎng)，兩者結(jié)合就出現(xiàn)了新能源船舶這個概念，給近海和內(nèi)河航行的船舶設(shè)計制造帶來了革命性的改變。”值得一提的是，相對于集中充電方式而言的分散充電方式目前也逐步得到認可和應(yīng)用。“目前，ABB把集中、長時間、小功率的慢充改為多次、短時大功率的快充，這種分散充電方式可以減少電動船船載電池數(shù)量，降低純電池船的建造成本，從而推動電池船的普及與應(yīng)用。”

目前，業(yè)界對氮氧化物、溫室氣體、硫、顆粒物等排放物的限制嚴格，船舶工業(yè)處于動力變革期，廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院首席專家徐文珊認為，采用具備高能量密度、高安全性、高效節(jié)能環(huán)保特性及可再生等特點的能源作為動力源已成為未來新能源船舶的重要發(fā)展方向之一。

提到船舶新能源典型方案時，徐文珊表示，氫燃料電池或是未來船舶動力首選。“雖然LNG續(xù)航時間長、技術(shù)成熟，鋰電池能達到零排放，尾氣凈化系統(tǒng)成本較低，但是，容易獲得的氫是可再生資源，化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的效率比較高(40%-60%)，反應(yīng)產(chǎn)物主要是水，氫燃料電池作為船舶動力的零排放效果因此較好，效率高，續(xù)航時間較于鋰電池也長，此外，氫燃料電池的振動噪音低、模塊化設(shè)計、安裝和維護方便。目前，中國船級社(CCS)和某些國外船級社均頒布了相關(guān)規(guī)范，國際海事組織(IMO)的議程上有關(guān)海上燃料電池應(yīng)用的國際準則目前也在制定中。”

對于氫燃料電池應(yīng)用于船舶的展望，徐文珊表示，近期需攻克“高壓氣態(tài)儲氫+質(zhì)子交換膜燃料電池”技術(shù)，實現(xiàn)氫動力船示范運營；中期應(yīng)研發(fā)高效儲氫技術(shù)、研發(fā)氫內(nèi)燃料機，使其應(yīng)用于多種短途中小型船舶；遠期則進一步研發(fā)船用固體氧化物燃料電池，逐步研發(fā)長續(xù)航中大型船舶。“通過氫能產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)發(fā)展，未來10-15年內(nèi)，氫燃料動力或?qū)⒏��?jīng)濟、更安全，其作為動力也將有更大的續(xù)航能力和更高的使用效率。