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基于智能船舶体系结构组件的智能信息技术
摘要
近年来，随着IT技术的发展，各种数字技术和自动化技术被用于航运业，现有的封闭结构正转变为基于ICT的开放结构。如果在船舶上使用的各种系统（导航、通信、引擎等）界定为每个单元提供的功能，则现在变为集成了数据共享和共有信息的综合性船舶操作系统。使用基于单元系统的ICT技术能够在船舶内部系统和外部系统之间进行交互和集成。此外，第四次工业革命的超连接性和超智能技术的发展对造船和航运业产生了迅速而广泛的影响。在这一变化中，我们设计了一种智能自主船舶架构，它通过使用第四次工业革命的核心情报信息技术（ICBMS AI）和可以安全操作的远程船舶管理系统来启用无人船舶，经济高效。本文从船舶的组成，船舶物流的特点，船员的职责和角色以及智能信息技术的应用等各个角度进行分析，得出了该术，并提出了智能自主船岸结构。 将这些技术应用于智能船舶和岸上数据中心，融合智能船舶和数据中心并进行了有机集成和运营。
1简介
最近的油价下跌，激烈的订单竞争和船舶排放问题使造船业正在推动技术优势型船舶的发展，这些船舶应具有安全性，燃油效率高，并能够通过率先的研发来应对国际法规，环保技术和增强船舶设计能力。航运公司正致力于通过引入高效的船舶来确保运输安全和竞争力，从在激烈的物流竞争中而提高船舶和船队的运营效率。近年来，ICT（信息和通信技术）技术的飞速发展正在加速船舶的数字化和自动化。与此同时，IMO（国际海事组织）研发了电子导航，将ICT技术运用到造船和航运业[1,2]和智能船[3-5]中以及无人船舶的活动中 先进的造船企业和航运公司也知悉造船和航运业的新模式。
在造船和航运业的变化中，本文提出了一种智能自主的船舶和岸上架构，这种架构通过集成在ICT中强调的智能信息技术，这种技术对智能船舶而言经济具有安全和高效的特点。
如图1所示，船端是本文提出的体系结构的核心，该体系结构让船舶通过收集和存储在船内外实时的各种信息并将其收集起来处理。信息综合起来，使用复杂的方式进行分析和判断。岸边数据中心是云服务的基础设施，实时接收船舶的状态信息和异常信息，监视船舶和船队，并提供远程控制和维护功能。同时，数据中心的集成分析平台可以将每艘船上收集的信息进行存储和分类，并提供预警功能，还可以根据船舶设定的指标实时诊断和评估船舶状态，并进行预防来应对风险。如上提出的架构的船侧和岸侧通过实时共享和集成信息而不是提供简单信息并进行全面分析来提供决策服务，来诊断和评估结果。我们还通过该提供决策服务设计了可从岸上远程控制和维护船舶的架构。
本文的贡献总结如下：提出一种基于最新情报信息技术（ICBMS AI）将自动驾驶船和岸上数据中心有机地融合和集成的架构
bull;建立船侧（自主船）和岸侧（数据中心）的综合运营概念
bull;提出通过以下方式提高船舶运营管理和维护效率的可能性：海上移动卫星通信在船岸与岸船之间进行高质量的数据通信技术
bull;为造船商提供确保竞争力的可能性，并为船公司提供增强竞争力的可能性，提高船舶运营效率，增强竞争力
bull;介绍经济、操作高效、高附加值的ICT融合船技术
2.相关研究
2.1 船舶组成分析
船舶设备[7]是指为实现船舶目的而安装在船舶上的各种系统，通常指在构成除客舱，推进单元和电气设备以外的各种船舶的船舶设备，包括系泊和系泊设备，卸货设备，开关，方向舵，操舵装置和控制设备。船体可以划分为居住区和其他控制通道区，乘客或船员进入舱室，并将机舱内的推进装置，电气设备，船舶航行所需的辅助设备转换为机械，将航行，通讯，监视和控制船舶的设备转换为电力。
对于详细的船舶设备组件，船舶配备了许多机械和控制设备以进行操作。 这表明，除非将人工智能技术或自动化技术应用于船上的各种机械和控制设备以实现无人驾驶，否则无法在无人船上实现此目的。 例如具有以下功能：能够自动执行无人船上的中央控制系统命令如在船舶系泊时放下锚并在开航处收起锚，或在船舶系泊时收起起锚器的起卸设备在起降时升起锚的功能，或用于装载和卸载货物的卸载设备，能够自动执行。
当无人船在海洋中航行时，该船在内部和外部都将面临各种风险（例如，船舶碰撞，搁浅或海盗入侵）。 此时，应通过自动控制或远程控制船舶，以现场的自主判断和决策来保护自己并且规避危险。这意味着除非将人工智能技术和自动化技术应用于船上安装和操作的机械或控制设备，否则无人驾驶船是不可能的。
2.2 航运物流功能分析
航运业是指将船舶用作船舶贸易和海上运输等手段的业务。包括国际贸易中的海上货物运输。 如图2所示，一般物流功能使用该船包括六个功能，例如运输，仓储，卸货，包装，加工和信息，其中运输和仓储是主要功能，其他功能是辅助功能也是有效进行运输和仓储的手段[8]
运输是物流的主要功能，可以分为几类。 首先，通常船长代表船东进行船舶管理。 并且由主要船舶执行的销售管理（航运业的生产单位是船舶，并且商业行为由船长执行，例如船员管理，收货，运输等在交付过程中的处理程序和程序）是船长在总公司的指导下执行的任务，并报告给主船。
其次，由于航运业务是在国际市场上进行的商业行为，因此，船舶应在与总部合作或与停靠港的分支机构或代理机构共享船舶与分支机构之间的信息的同时开展其业务活动。第三，航运业务是一项任务，由船舶经营者负责船舶的购置和保管，船舶的管理和监督以及船队的运营。第四，为了提高船舶管理效率和降低成本，需要进行船舶预防性维护，备件采购和节省燃料等任务。
考虑到上述运输功能，在智能自主船中应考虑以下功能要素，以经济、有效地管理船舶和船队。
bull;由于没有人可以执行船长在无人船上执行的各种销售管理和办公室事务任务，因此应该有一个计划来替换它。
bull;自主船舶和船队应具有交换和共享各种信息的功能，例如总公司（货运公司）或海外代理之间的船舶位置以及货物状态等。
bull;必须能够检查船内外发生的船况信息。
bull;必须注意船舶内外发生的意外情况和异常情况，并采取对策。
bull;发生船舶故障时，零件采购应畅通无阻，并应远程分析原因并进行处理。
bull;船舶应在陆地上进行远程监控并进行远程控制。
2.3 水手的职责和角色
每个符合《国际海事组织公约》的国家都应制定本国法律，并经营负责国际物流的国旗承运人。 目前自动驾驶船尚未制定法规或规则，也未采用公约，但我们分析了水手（船长，水手，工程师和其他海员）登上该船，以获取设备和设施的自主导航和自动化所需的功能，这些功能应包括具有无人驾驶功能的自主船。水手的职责和角色是根据海事局颁布的《船员法》 [9]确定的，应予以更换开发安装在无人驾驶船上的设备的自动化和信息服务功能。
2.4 自动驾驶船的发展趋势
激烈的物流竞争导致运输成本下降，加剧了船公司的竞争，这导致船员数量减少，以确保竞争力。此外，船员的恶劣工作环境和确保具有专业能力的海员的困难非常严重，导致海事事故中有85％是由人为灾害引起的。因此，对自主导航和自动控制技术的需求越来越高，来经济，安全地操作船舶。此外，第四次工业革命的核心情报信息技术的发展正在促进自动驾驶船的出现。借助这些技术发展的机会，每个国家（中国，日本，欧盟，韩国等）都通过公私合作促进环保型自主航行船的发展，以遏制造船业的衰退并预见新行业大趋势过渡到造船和航运业的新市场范式。
首先，中国成立了无人货轮发展协会，并在CSIC下设立了711个研究机构（中国船舶工业总公司）参加了在中国船级社（CCS）的领导下建立技术和监管标准，最终在通过环境影响评估等将无人船商业化。日本启动了智能船应用平台项目[ 10]由设备制造商，造船厂，运输公司和船舶分类共同组织，以进行标准化和ISO IC8和SC6的形式，这是目前船与岸之间的信息交换标准在验证阶段。
欧洲执行了Munin [12,13]，这是建立无人驾驶船概念的自主航运项目，并正在推动到2035年开发完全无人驾驶自动船。此外，欧洲的先进设备公司和造船商正在积极推广无人驾驶与航运公司合作，确保物流创新和竞争力。例如，罗尔斯·罗伊斯[13]正在促进发展
亚拉·伯克兰（Yara Birkeland）和孔斯伯格（Kongsberg）共同推动无人驾驶船在2018年下半年的交付和2020年的运营，计划在2020年实现遥控船，2035年可以在海洋中航行的无人驾驶船。每年更换约40,000辆用于挪威海岸化肥运输的卡车，在政府的倡议下，芬兰正在推行AAWA（高级自治）水性应用[14]，涉及劳斯莱斯、Inmarsat和DNV-GL等10个组织，旨在设计下一代自动驾驶船舶。
在韩国，现代重工和ETRI（电子和电信研究所）共同建立并商业化了一个SAN（船域网）平台[15]，该平台集成了车载设备的信息。目前，正在开发利用最新ICT技术（例如对现有平台的远程访问，机器学习，AR / VR，大数据和云技术）进入市场的INTEGRICT。各个国家和公司开发的自动船的特征如下：该国的目标是建立一个开放和标准化的通用平台，以发展经济，土地安全，生态友好的关系，并设计一种岸上遥控和操作平台，以有效地操作船舶和船队，而自主船舶的发展仍处于验证某些概念定义和功能的水平，因此缺乏全面的运营理念和架构，可以全面管理船侧和岸侧。
3.自主船舶的定义
本文所述的自主船舶是基于图3：挪威自治船舶论坛[16]例如 在公海和良好的天气中。 船员在船上，遇到问题可以叫到甲板上。
如图所示，自动驾驶船的操作和控制方法大致可分为三类。如图4所示。首先，船舶将安全地从进/出港口，到达航道上的完全驶离点（FAOP）和航道的尽头（EOSP）。这时，将恢复自主船的操作控制，并与陆地中心的远程操作员合作对船进行控制。其次，远海由船舶独立判断自主运行。第三，当在船内或船外发生异常情况时，由自主船控制并进行远程控制。通过将船舶运行过程中生成的导航信息传输到陆地中心，可以实时监视船舶的状态。识别船上设备或设施中传感器（摄像机，各种传感器信息）的分析，并确定可远程控制船的措施。
4.自主舰船的智能信息技术
第四次工业革命的最新时代被称为智能信息技术。 智能信息技术是一种基础技术，可实现高级信息处理活动（认知，学习，推理和决策），例如由人的感觉传递到大脑的信息时的适当行为。 最近，它被称为ICBMS（物联网，云，大数据，移动，安全性） AI（人工智能）。
物联网-联网汽车 物联网意味着事物已连接到Internet，但并不意味着事物在物理上或概念上都已连接。 事物的含义是它们可以提供新的功能和新的值，而这些功能和新的价值是它们自身相互连接时无法提供的。因此，重要的是要利用连接的事物创建的数据来创建对用户有帮助的价值。 从这个意义上讲，智能自主船与互联汽车[17,18]有相似的概念。
随着ICT与汽车的融合而发展的互联汽车，在早期阶段一直专注于绕传感器行驶的安全性。 最近，它已被应用于Internet（IoT）以最大程度地提高车辆的安全性。 汽车ICT融合的趋势是基于连接性，可穿戴性，设备，环境友好型，自动驾驶技术，车辆和应用程序，自助应用程序商店，以提供信息连接性和可访问性，从而使车辆可用作信息设备。 主要组件是内置设备和平台，它们提供嵌入在汽车中的各种信息和服务，允许访问各种内部设备或外部网络的网络设备，乘客可以访问的服务和内容。 连接的连接包括可穿戴式或V2X（车辆到一切）通信环境中的自主导航，云连接，操作员交互和远程信息处理。
云-IT基础架构服务。云服务[19,20]通过有线和无线移动终端以及互联网为用户提供随时随地所需的IT资源，其作为第四次工业革命中的关键行业，正受到关注。云服务是一种按需服务，可提供基于Internet的资源，软件和信息基础结构。服务提供商分发和虚拟化大量计算机资源，并根据需要向Internet提供必要的资源。技术组件包括分布式计算，虚拟化，系统管理，服务平台服务，计费和用户身份验证。云服务模型具有三种模型：基础架构即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。根据服务目标，云服务通常分为公共服务，私有服务和混合服务的公共服务由未指定多数的第三服务提供商管理。私有服务通过在企业和组织内配置云服务环境为内部人员提供有限的服务。就混合服务而言，它是公共服务和私人服务的组合。它通过为不想共享的数据设置私有策略来限制服务，并提供与利益相关者共享所需的信息。在本文中，智能自主导航舰船架构中的云基础设施服务基于通用的云基础设施（IaaS，PaaS，SaaS），定制的应用程序以及为建造船舶的造船厂提供的分析服务。通过在利益相关者之间共享和传播信息来进行有效的工作。
大数据平台-分析服务。 人与物之间的所有活动相关联记录的数据的特征是：量大，变化速度快，数据的属性是可变数据中的值，例如大数据。 它存储和处理由各种传感器生成的流数据为了支持各种业务流程过程中的统计分析和数据挖掘等深度分析，可扩展的数据容量以及基于分析模型自动进行决策的基础架构，被称为大数据平台[21-23]。
在智能自主舰船架构中，大数据平台分为两种类型。 一个是船内的大数据平台。它是一个基于内存的分析平台（Edge Analytic Platform），可以实时收集和存储在船内外生成或接收的信息，从而可以在几秒钟内完成分析处理并利用各种应用服务。另一个是一个综合分析平台，该平台收集和存储与许多正在运行的船舶的
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