哈爾濱工程大學(xué)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)字孿生智能科研試驗(yàn)船“海豚1”號(hào)/哈爾濱工程大學(xué)

近日，韓國(guó)機(jī)械與材料研究所(KIMM)成功開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的自動(dòng)系泊系統(tǒng)，旨在提高自主船舶�？坎僮鞯陌踩院托省Ｔ搫�(chuàng)新系統(tǒng)克服了基于線纜的傳統(tǒng)系泊方法的局限性，預(yù)計(jì)2025年投入商業(yè)使用，將助力智能港口技術(shù)的進(jìn)步。

發(fā)展背景及現(xiàn)狀

船舶靠離泊作業(yè)是航行中最為復(fù)雜且風(fēng)險(xiǎn)較高的操作之一，受到多種因素的影響，包括氣象、水文環(huán)境、港口水域限制、船舶自身的操縱性能以及人為因素等。這些因素共同作用，使得靠離泊過(guò)程中的安全挑戰(zhàn)顯著增加。

氣象和水文條件方面，惡劣的天氣條件如大風(fēng)、強(qiáng)潮、暴雨等都會(huì)對(duì)船舶靠離泊的安全造成重大影響。例如，在風(fēng)力較大或極端天氣條件下，船舶容易發(fā)生碰撞碼頭或擱淺事故。此外，風(fēng)力和潮流對(duì)大型船舶的安全靠離泊影響顯著，特別是在強(qiáng)風(fēng)和大潮汛等情況下，容易導(dǎo)致船舶失控。船舶操縱性能方面，大型船舶由于其動(dòng)量大，操控難度高，容易在靠離泊時(shí)發(fā)生碰撞事故。例如，Q-Max型液化天然氣(LNG)船舶在惡劣工況下靠離泊存在較大風(fēng)險(xiǎn)，需要優(yōu)化拖船配置以提高安全性。人為因素方面，船長(zhǎng)和引航員的操作失誤也是導(dǎo)致靠離泊事故的重要原因之一。例如，缺乏對(duì)港口環(huán)境的熟悉和經(jīng)驗(yàn)不足也會(huì)增加事故風(fēng)險(xiǎn)、未能正確應(yīng)對(duì)風(fēng)力帶來(lái)的航向偏差是常見(jiàn)的事故原因，以及系泊作業(yè)過(guò)程中的系泊纜繩相關(guān)事故也是船舶運(yùn)營(yíng)期間的安全難題。根據(jù)歐洲海事安全局(EMSA)最新發(fā)布的2024年海上人員傷亡和事故統(tǒng)計(jì)年度概述統(tǒng)計(jì)，在2014年至2023年期間，由于人為因素造成的事故占比達(dá)到80.1%，成為船舶航行安全的重大挑戰(zhàn)之一。設(shè)備和設(shè)施方面，碼頭前沿設(shè)置的防沖設(shè)備和系纜裝置不完善或出現(xiàn)故障，以及定期測(cè)量清淤不及時(shí)，均會(huì)增加靠離泊作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)。

為應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，且順應(yīng)行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，船舶自動(dòng)靠離泊技術(shù)成為行業(yè)應(yīng)對(duì)抓手。該技術(shù)不僅可極大地提升船舶操作的智能化水平，還可顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度，以及人為操作失誤所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步保障海上運(yùn)輸?shù)捻槙撑c安全。

船舶自動(dòng)靠離泊技術(shù)是指在無(wú)人或大部分時(shí)段無(wú)人干預(yù)下，完成船舶的掉頭、轉(zhuǎn)向、橫移、停船等操作的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于提高船舶靠離泊的安全性和效率具有重要意義。自動(dòng)靠離泊技術(shù)是自主船舶發(fā)展的重要組成部分，其承擔(dān)著提升港口作業(yè)效率、增強(qiáng)航行安全性能以及推動(dòng)航運(yùn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵任務(wù)。這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅可提高港口作業(yè)的效率，減少船舶靠離泊所需的時(shí)間和人力成本，還可促進(jìn)航運(yùn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，為構(gòu)建智慧港口和智能航運(yùn)體系奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，全球范圍內(nèi)的自主船舶研究與開(kāi)發(fā)處于快速增長(zhǎng)階段，包括中國(guó)、日本、韓國(guó)、英國(guó)、歐盟國(guó)家（包括芬蘭、挪威、荷蘭、意大利、德國(guó)等）等均開(kāi)展了大量研究。在自動(dòng)靠離泊技術(shù)的研究方面，國(guó)外的相關(guān)研究起步較早，在輔助/自動(dòng)靠離泊技術(shù)及系統(tǒng)方面做了大量理論研究，并實(shí)現(xiàn)了部分實(shí)船測(cè)試與應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在自動(dòng)靠離泊技術(shù)方面的大部分研究尚處于理論研究階段，開(kāi)展了以小型渡輪、拖輪、試驗(yàn)船、訓(xùn)練船等為載體的應(yīng)用探索與功能測(cè)試，實(shí)船驗(yàn)證將是下一步研究要點(diǎn)。

新技術(shù)

自動(dòng)靠離泊技術(shù)主要通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)、高精度定位技術(shù)、智能決策算法以及強(qiáng)大的動(dòng)力控制系統(tǒng)，自動(dòng)靠離泊技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境的變化，精確計(jì)算并優(yōu)化船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜多變的港口環(huán)境中的自主導(dǎo)航與操控。

關(guān)鍵技術(shù)方面，據(jù)中國(guó)船級(jí)社(CCS)編撰發(fā)布的《智能船舶發(fā)展展望2022》的介紹，自動(dòng)靠離泊研究集成了多種關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，包括低速運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)、低頻運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、船岸協(xié)同感知技術(shù)、智能無(wú)纜系泊技術(shù)等。低速運(yùn)動(dòng)建模技術(shù)，主要用于船舶的靠離泊運(yùn)動(dòng)，例如緊急制動(dòng)，橫向移動(dòng)，短時(shí)間進(jìn)車、掉頭等。低頻運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，主要用于船舶在復(fù)雜海況下(如風(fēng)、浪、流等)的運(yùn)動(dòng)控制。低頻運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)包括多種方法，如使用陀螺穩(wěn)定器、防滾油箱、主動(dòng)升力面等設(shè)備來(lái)減少低頻運(yùn)動(dòng)的影響�，F(xiàn)代船舶控制系統(tǒng)還利用先進(jìn)的算法和模型預(yù)測(cè)技術(shù)，通過(guò)分析船舶在不同海況下的運(yùn)動(dòng)特性，優(yōu)化控制策略，以減少燃料消耗和推進(jìn)設(shè)備磨損。船岸協(xié)同感知技術(shù)，這是一種通過(guò)整合船舶與岸基設(shè)施之間的信息交流和數(shù)據(jù)共享，以實(shí)現(xiàn)安全、高效且環(huán)保航行的技術(shù)。該技術(shù)主要由岸端與船端系統(tǒng)構(gòu)成，岸端負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)信息（如水域類型、氣象條件等）和決策執(zhí)行信息，而船端則負(fù)責(zé)感知、認(rèn)知、決策、控制和執(zhí)行過(guò)程。智能無(wú)纜系泊技術(shù)，是一種創(chuàng)新的船舶停靠解決方案，旨在提高港口作業(yè)的安全性、效率和環(huán)境可持續(xù)性。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)的系泊模式，即無(wú)需系泊纜繩，可有效降低系泊作業(yè)中的事故風(fēng)險(xiǎn)率。

除了上述關(guān)鍵技術(shù)外，智能靠離泊相關(guān)技術(shù)在近年來(lái)取得了不少新的進(jìn)展。

視覺(jué)激光融合技術(shù)，2024年9月，韓通贏吉申請(qǐng)了一種基于視覺(jué)激光融合的無(wú)人船自主靠離泊專利，該技術(shù)通過(guò)獲取碼頭區(qū)域圖像并進(jìn)行預(yù)處理，得到碼頭邊緣特征，求解出船體相對(duì)于碼頭的初始姿態(tài)角，并對(duì)初始姿態(tài)角進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)船體姿態(tài)估計(jì)結(jié)果。

三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，2024年7月，大連海事大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在智能船舶控制領(lǐng)域取得新進(jìn)展，其中，該團(tuán)隊(duì)提出了基于三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的智能靠離泊技術(shù)，利用新型傳感器如GNSS-R等，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)等航行環(huán)境信息的感知與識(shí)別。

無(wú)纜自動(dòng)系泊系統(tǒng)，2024年6月，荷蘭AMS公司推出了磁性自動(dòng)系泊系統(tǒng)，采用帶磁鐵墊的機(jī)械臂代替真空墊，使磁鐵吸引在船體上，系泊裝置能夠承載最高1000千牛的拉力。

5G+智能靠離泊系統(tǒng)，2024年5月，泰興智慧港口項(xiàng)目成功入選江蘇省交通運(yùn)輸優(yōu)秀科技創(chuàng)新成果名單，其“5G+智能靠離泊系統(tǒng)”通過(guò)結(jié)合5G-A通感技術(shù)與AI、北斗等技術(shù)，提高了船舶靠離泊的定位精準(zhǔn)性和安全性。

數(shù)字孿生技術(shù)，2023年6月，哈爾濱工程大學(xué)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的數(shù)字孿生智能科研試驗(yàn)船“海豚1”成功交付并首航，從山東蓬萊出發(fā)，沿途開(kāi)展數(shù)字孿生系統(tǒng)測(cè)試、船舶智能設(shè)備性能驗(yàn)證等多項(xiàng)試驗(yàn)。其中，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用使 “海豚1”實(shí)現(xiàn)了智能船舶的自主航行、自動(dòng)靠離泊和自動(dòng)避碰等功能，為未來(lái)基于遠(yuǎn)程支持的智能船舶和海洋工程裝備自主航行和作業(yè)提供了基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

自主航行與智能決策模型，2023年12月，全球首艘由中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司旗下上海船舶研究設(shè)計(jì)院為大連海事大學(xué)研發(fā)設(shè)計(jì)全球首艘學(xué)校智能研究與實(shí)訓(xùn)兩用船正式下水，該船具有遠(yuǎn)程遙控和自主航行功能的科研及實(shí)訓(xùn)船配備了基于海事規(guī)則、航行大數(shù)據(jù)的船舶智能決策模型和自動(dòng)靠離泊系統(tǒng)，能夠進(jìn)行全水域自主航行，實(shí)現(xiàn)智能化全覆蓋。

示范及應(yīng)用

隨著船舶自主靠泊技術(shù)快速發(fā)展，各國(guó)陸續(xù)進(jìn)行了一系列示范及應(yīng)用，取得了顯著成果。

在實(shí)船測(cè)試方面。2019年，我國(guó)無(wú)人駕駛自主航行系統(tǒng)試驗(yàn)船“智騰”號(hào)正式下水。該船自主駕駛系統(tǒng)核心在于融合水動(dòng)力特性和控制技術(shù),建立“無(wú)人船”的三自由度操縱模型和控制方法，在螺旋槳、舵和其它推進(jìn)器之間完成最佳推力分配,在符合推進(jìn)器硬件約束的條件下,具有位置、艏向的保持和調(diào)整能力,可實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下沿指定航線航行的能力和自主離靠泊能力。2022年,我國(guó)首艘自主航行300TEU集裝箱船“智飛”號(hào)正式交付,該船具備無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程操控、自主航行三大功能,配備了船舶航行輔助系統(tǒng),以便在人工駕駛模式下為駕駛員提供信息、環(huán)境認(rèn)知、避碰決策、安全預(yù)警等全方位的輔助支持。

在日本，2023年，商船三井使用沿海集裝箱船Mikage進(jìn)行靠離泊航行測(cè)試，使用無(wú)人機(jī)代替船員，完全實(shí)現(xiàn)整個(gè)靠泊、系泊過(guò)程的自動(dòng)化。2018年，日本國(guó)土交通省(MLIT)通過(guò)汐路丸(Shioji Maru)號(hào)訓(xùn)練研究船演示了自主航行以及自動(dòng)靠離泊技術(shù)，并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。

在韓國(guó)，2022年6月，Avikus公司與SK Shipping合作完成了18萬(wàn)立方米超大型LNG運(yùn)輸船“Prism Courage”號(hào)的自主跨洋航行，其中包括自動(dòng)靠離泊，這是首次在大型集裝箱船上進(jìn)行自主航行技術(shù)全球航線實(shí)證測(cè)試。

在歐洲，2023年5月，Eidsvaag公司的沿海貨船“Eidsvaag Pioner”號(hào)在挪威西北的Kristiansund海岸成功完成了一系列遠(yuǎn)程操控和自主航行技術(shù)的演示，在測(cè)試過(guò)程中“Eidsvaag Pioner”號(hào)展示了包括自動(dòng)離港、自動(dòng)進(jìn)港、姿態(tài)感知系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、智能機(jī)械系統(tǒng)、連接和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控中心和動(dòng)力定位系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，本次測(cè)試是AUTOSHIP項(xiàng)目的首次演示，這次巡航測(cè)試被評(píng)為截止當(dāng)時(shí)最復(fù)雜的海上自主航行之一，是自主航運(yùn)進(jìn)程中的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。2023年6月，Blue Line Logistics公司的內(nèi)河駁船“Zulu04”號(hào)成功完成了一系列演示測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中，“Zulu04”號(hào)在比利時(shí)繁忙的水道上進(jìn)行了靠泊和離泊操作，展示了其在無(wú)限制水域中的操縱能力。

此外，自動(dòng)系泊系統(tǒng)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。目前,行業(yè)中的自動(dòng)系泊系統(tǒng)主要分為兩大類，無(wú)系泊纜方式的自動(dòng)系泊系統(tǒng)和有系泊纜方式的自動(dòng)系泊系統(tǒng)。

無(wú)系泊纜方式的自動(dòng)系泊系統(tǒng)，是一種創(chuàng)新的船舶自動(dòng)靠離泊技術(shù)，旨在通過(guò)自動(dòng)化手段替代傳統(tǒng)的纜繩系泊方法。這種系統(tǒng)主要利用真空技術(shù)和磁力技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶的快速、安全和高效�？�。代表產(chǎn)品有瑞士凱伏特公司(Cavotec)公司的真空式自動(dòng)系泊系統(tǒng)MoorMaster NxG，該解決方案采用了模塊化設(shè)計(jì)，與可附著于任何平面的真空墊配合使用；還有荷蘭Mampaey Offshore Industries公司的磁力自動(dòng)系泊系統(tǒng)Dock Locking System。該系統(tǒng)由兩個(gè)液壓控制的手臂組成，每個(gè)手臂的末端都有一個(gè)磁板，可以穩(wěn)固可靠地連接到任何船體。

有系泊纜方式的自動(dòng)系泊系統(tǒng)，是一種結(jié)合傳統(tǒng)纜繩系泊方法與自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新解決方案。這種系統(tǒng)通過(guò)使用機(jī)械臂和傳感器等自動(dòng)化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的自動(dòng)系泊和解纜操作，從而提高港口作業(yè)的安全性和效率。代表產(chǎn)品包括麥基嘉公司(MacGregor)的MOOREX自張緊系泊裝置和Trelleborg公司研發(fā)的動(dòng)態(tài)系泊解決方案DynaMoor系統(tǒng)。MOOREX自張緊系泊裝置是為全球首艘無(wú)人集裝箱船“Yara Birkeland”開(kāi)發(fā)的自動(dòng)系泊解決方案，該系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)七軸機(jī)械臂將環(huán)形的系泊繩索套在碼頭的系纜樁上。該系泊系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)冗余，內(nèi)置運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和軌道規(guī)劃系統(tǒng)。DynaMoor系統(tǒng)可以安裝在很小的區(qū)域內(nèi)，利用電子控制的液壓阻尼器調(diào)節(jié)系泊纜繩的張力，從而減少船體晃動(dòng)。