论文总字数：32307字

摘 要

智能船舶以其高效、环保、可靠等特点为航运业密切关注，智能航行是其主要功能模块之一。明确场景模式和功能是实现智能航行不可缺少的环节，但其研究尚待深入。

以智能船舶为研究对象，从智能航行场景模式为切入点，总结目前智能航行发展现状，分析智能航行现阶段的前沿技术以及技术难关，解析传统航行方式下的典型场景模式，对比分析智能航行场景化的功能需要、技术特点，并对未来智能航行的研究提出发展建议。

通过明晰传统方式下的典型航行场景模式，提出典型场景的智能航行功能需要，可为智能航行的研究提供方向性建议，推动智能航行的场景模式研究，促进智能航行技术及其配套产业的发展。

关键词：智能航行；航行场景模式；功能需要；智能态势感知；船舶避碰

Abstract

The intelligent ship pays close attention to the shipping industry for its high efficiency, environmental protection, and reliability. Intelligent navigation is one of its main functional modules. Clarifying scene modes and functions is an indispensable part of intelligent navigation, but its research needs to be further studied.

Taking the intelligent ship as the research object, starting from the intelligent navigation scene mode as the starting point, summarizing the current development status of intelligent navigation, analyzing the cutting-edge technology and technical difficulties at the current stage of intelligent navigation, analyzing the typical scene modes under traditional navigation methods, and comparatively analyzing the intelligent navigation scenarios The functional requirements, technical characteristics, and development suggestions for future intelligent navigation research.

By clarifying the typical navigation scene mode in the traditional way, the intelligent navigation function needs of the typical scene are proposed, which can provide directional suggestions for the research of intelligent navigation, promote the research of intelligent navigation scene mode, and promote the development of intelligent navigation technology and its supporting industries.

Key Words：Intelligent navigation; navigation scene mode; functional needs; intelligent situational awareness; ship collision avoidance

目录

第1章 绪论 1

1.1背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3目的意义 4

1.4主要研究内容 5

第2章 智能航行的总体概述 6

2.1智能航行国内外基本理解及所需技术分析 6

2.2世界各国目前已开展的研究项目 9

2.2.1亚洲 9

2.2.2欧美 10

第3章 传统航行方式下的典型场景模式 12

3.1开阔水域 12

3.2受限水域 13

3.3靠离泊、进出港（港口水域） 15

3.4内河航道 16

3.5恶劣天气水域（以能见度不良为例） 18

第4章 不同水域环境下智能航行功能需要 20

4.1智能航行具有的功能 20

4.2不同场景模式、阶段下智能航行的功能表现形式 21

4.2.1开阔水域 21

4.2.2受限水域 23

4.2.3靠离泊、进出港（港口水域） 24

4.2.4内河航道 25

4.2.5恶劣天气水域 25

第5章 结论与展望 27

5.1结论 27

5.2展望 27

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1背景

海路运输具有运量大、能耗小、成本低、环保等特点，其在洲际贸易、国内运输中扮演着重要的角色。航运业在受到2008年经融危机的冲击之后一直处于萎靡不振的状态，加之船舶运营成本的上升等原因，航运业的复苏显得极为缓慢。但是随着物联网、大数据、互联网技术的不断发展，“智能航行”这一概念渐渐从理论走向了实际，并且其相较传统航行在节能环保、船舶运营、安全方面有着极大的优势，给航运业的复苏注入了一股强劲的动力，全球各大航运企业以及研究机构对于智能航行的研究也正在如火如荼的开展。智能航行场景化的研究现状正如交通运输部水运科学研究院院长张宝晨在“智能航运与未来”峰会上所说，“智能航运是一个发展过程，它刚刚开启，我们已处在这个过程之中。”智能航行要远比我们的预期来得更快。原因主要有三个方面：

（1）航运业逐渐呈现分散化、网格化的新业态，促使物流成本下降以及全球货物运输体系改变，航运的运输价格遇到了“瓶颈”；

（2）水路运输业过度依赖于传统的人力，减少船员数量是目前航运业发展的主要方向之一，其中智能航行的实现将是未来解决船员人数问题的主要手段；

（3）物联网、互联网、大数据等高新技术的发展为船舶货运无人化、港口装卸自动化、智能航行、海事监管和服务现代化提供了技术支撑，其中高新技术应用在不用场景下的表现将对未来智能船舶的功能产生决定性影响。

也就是说，关于智能航行功能的研究，不单单是针对目前传统船舶所具有的问题，也同样需要依靠船舶航行场景进行功能需要分析。在不同智能航行场景之下，智能航行的表现形式是不同的，这就需要研究者针对于智能航行的不同水域环境，对于智能航行的功能需要进行探析。

毫无疑问，利用先进的高新技术，推动航运业向智能化、数字化、网络化方向发展，从而提高船舶营运的安全性和效率，帮助航运业降低成本、提升竟争力，是造船业获得发展新动力的必由之路。在这种情况下，智能船舶决定了各国船舶工业在未来船舶市场的地位，因而成为各大造船国家的“必争之地”^[1]。综合以上背景可以发现智能航行是关乎智能船舶能否进行航路设计优化与自主航行的关键模块，其发展是由航路设计和优化到高级自主航行的过程。国内外对智能航行的研究是基于出台的政策性和法规性文件，而针对未来智能航行场景的研究尚处于起步阶段，目前急需科研工作者基于航行场景对智能航行的功能需要进行研究，如能见度不良的水域环境下需要的智能态势感知功能、港口水域环境下需要的自主靠离泊功能等。因为智能航行在不同场景下的功能侧重点是不同的，这就需要对于智能船舶的航行场景进行明确，研究将智能船舶主要的航行水域场景进行划分，并分析主要航行水域的环境特点、人员组织模式，并分析传统模式下的不足与亟待改进的问题，并探析不同场景下智能航行的功能需要。

1.2国内外研究现状

自智能船舶这一概念提出以来，世界各国都投入了大量的人力物力用于其研究，其中智能航行是智能船舶研究不可缺少的部分，世界各国、学者、国际组织都对智能航行提出了自己的看法，目前国际上认为智能航行是指利用物联网、通信、大数据、互联网等技术手段，自动感知和获得航路信息、水域环境、物流、潮汐等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术^[2]，以完成船舶的全航路航行的智能船舶技术。

1.2.1国外研究现状

从1994年在巴黎召开的第一届世界智能交通大会正式提出“智能运输系统”概念开始，许多国家先后投入了巨大的人力物力来发展智能运输系统^[3]，这其中就衍生出智能航行的概念。欧洲自20世纪以来在在场景化智能航行领域的研究一直都处于领先地位，并首次进行了智能航行港口水域的自主靠离泊验证。2017年6月，罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）公司展示了拥有自主靠离泊技术的全球首艘无人拖船“Svitzer Hermod”号，该船船长28m，安装了以Rolls-Royce动力定位系统为关键设备的遥控系统，可实现智能靠离泊、解锁、多角度旋转等操控。该船配备大量的立体式传感器，可采集详细的船舶设备及周边环境数据经高级软件分析后并传送至岸基遥控操作中心（ROC），可针对于进入港口水域不同船舶进行智能靠离泊。2018年，配有荷兰瓦锡兰集团自主研制的智能靠泊系统的渡船“Folgefonn”号实现了全球首次自主靠泊。该船使用混合动力系统并装备有无线充电装置，船长85m，在实现船舶靠泊自动减速之前可以自动激活系统，能够实现智能控制船速、航向，直至安全停入泊位，船的“航行决策”完全授权给自治控制器；同年，开阔水域的智能航行技术验证也在进行之中，芬兰国有渡轮运营商“Finferries”和Rolls-Royce公司在芬兰南部群岛进行了开阔水域的渡轮实验，在遥控监管之下实现了从芬兰帕尔加斯到瑙沃开阔水域的自主航行。荷兰瓦锡兰集团、英国Rolls-Royce公司和挪威的kongsberg公司是欧洲在自主靠离泊、开阔水域智能航行方面的先驱。他们在持续的科研投入以及反复的智能航行试验后，计划从2020年起逐渐实现开阔水域以及内河水域的船舶智能航行。

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