摘 要

长江干线是世界河流运输总量最大，水上交通最繁忙的通航河道，具有非凡的航运价值。长江经济带的发展关系我国整体的战略布局，也是实现中国梦和完成中华民族伟大复兴的支撑力量。为了充分利用和发挥长江干线航运资源优势，实现流域经济和航运安全高水平的提升，本文提出在长江干线推行船舶智能航行方案。

本文通过建立长江干线的船舶智能航行的模型方案，针对干线流域水文情况，以及流域经济安全的发展新需求，提出了涵盖智能船舶、岸端管理和通信系统三部分内容的智能航行方案。全文就系统的三个组成部分开展内容，侧重介绍了智能船舶航行以及岸基部门智能化管理的方式，充分说明了智能航行方案的可行性和优越性。

本文提出了长江干线智能航行方案，是积极响应“中国制造2025”战略方针，同时也是完善我国海、陆、空立体联合运输体系的重要组成部分。所设计的长江智能航行方案对内河智能航运发展有重要的借鉴和参考意义。

关键词：长江干线；智能航行；智能船舶；岸基管理

Abstract

The Yangtze River transportation is the largest and busiest navigation channel in the world, known as the 'Golden Waterway'. The Yangtze River trunk line plays a pivotal role in the national economic strategic pattern and is also a supporting force for realizing the Chinese dream and completing the great rejuvenation of the Chinese nation. In order to make full use of the advantages of the Yangtze River trunk navigation resources and achieve huge promot to river economy and shipping safety, this paper proposes to implement a ship intelligent navigation scheme in the Yangtze River.

This paper proposes an intelligent navigation scheme covering the three parts, intelligent ship, shore management and communication system by establishing the model scheme of ship intelligent navigation in the Yangtze River trunk line, aiming at the hydrological situation of the trunk river and the new development requirements of the riverrsquo;s economic and security. The paper is about the three components of the system, focusing on the smart ship navigation and the intelligent management of the shore-based department, fully illustrating the feasibility and superiority of the intelligent navigation scheme.

This paper puts forward the intelligent navigation scheme for the Yangtze River trunk line. It is a positive response to the 'Made in China 2025' strategic policy and an important part of improving the three-dimensional joint transportation system over China#39;s sea, land and air. The designed Yangtze River intelligent navigation plan has important reference and significance for developing inland intelligent shipping.

Key Words：Yangtze River trunk；intelligent navigation；intelligent ship；shore-based management

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究目的 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 智能船舶发展概述 2

1.2.2 智能航行研究发展 4

1.3本文主要研究内容及章节安排 5

第2章 长江干线智能航行方案 7

2.1 长江干线水域环境表征 7

2.1.1 自然环境 7

2.1.2 航道航行条件 8

2.2 船舶智能航行概念分析 8

2.3 船舶智能航行系统方案设计 9

2.4 船舶智能航行方案系统要点分析 10

2.4.1 船舶智能管理系统 10

2.4.2 岸基智能管理 11

2.4.3 船-岸高性能通信系统 12

第3章 长江干线船舶智能航行方案的应用 14

3.1 船舶智能航行要点 14

3.1.1 航行信息获取处理 14

3.1.2 船舶自主航行 15

3.1.3 航行智能预警 17

3.2 岸端交通管理方式 18

3.2.1 岸基采集信息 18

3.2.2 岸基信息服务 19

3.2.3 港口管理 20

3.2.4 航道管理 20

第4章 总结展望 23

参考文献 24

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究目的

本文设计和研究的长江船舶智能航行系统方案综合利用智能航行设备，高效准确地指导船舶航行，旨在充分发掘长江航运的优势，增进航运效率，解决流域经济效益进一步提升的发展需求。长江干线水道资源丰富，船舶航行条件优越，是世界上流域运输最繁忙的区域之一，是我国综合运输体系中重要的组成部分，是实现中国梦的有力支持，给沿江经济带发展了无可比拟的支撑保障作用。当前的长江航运基础薄弱，内河航运的优势和资源尚未得到充分的利用^[1]。推动长江经济带发展是关系到我国发展全局的重要战略，长江流域航运迫切地需要加快智能化建设进程。

本文所设计的船舶智能航行方案可以有效地提升长江流域的航行安全，方案的实现是通过数据计算，代替或辅助驾驶人员做出有效的航行决策，达到显著提升通航安全水平的目的。航行安全是流域发展的基础保障，且长江干线是我国水运系统不可或缺的组成部分，其货运总量占内河航运总量的90%以上。近些年，由长江海事局公布水上交通事故信息，可窥长江航运安全形势不容乐观。相关数据表明，由于人为失误导致的水上交通事故的数量占总发生数目的80%之上^[2]。而船舶航行智能化将减少人工参与航行的比重，可最大程度避免人为失误造成的损失。同时智能航行系统中利用智能设备辅助航行，将有效提高航行决策的准确性，打造航行更安全的流域新局面。长江干线航运更安全、更高效是内河航运发展的现实需求和必然趋势。

1.1.2 研究意义

2018年4月，在以长江经济发展为主题的研讨会上，习近平总书记指出，进一步推动长江经济带的发展是中共中央的关键决策，也是影响国家整体发展的关键战略，对争取和实现中华民族复兴和伟大中国梦目标具有非凡意义。

从经济和安全的角度，可以看出设计研究长江干线船舶智能航行的必要性，以及切实推行的迫切程度。同时，船舶智能航行系统自身具有不可比拟的优越性，它是在系统工程思想指导下，通过数据信息分析处理技术，辅助船舶优化航行决策，进而提升航行安全水平、提高运输能力的目标的新型航运系统。

进一步，智能航行方案具有绿色高效的特性，由于运输效率的提高和智能技术的应用，能够有效减少船舶航行的能源消耗。同时，航行智能化改变了船员驾驶的形式，提高了船舶自动化程度，船舶驾驶舒适度得到提升，有效降低船员的劳动强度。站在长远发展的角度上，航行智能化的提升将吸引高学历人才从事水上运输，促使航运从业人员结构调整。智能航行符合我国航运发展方向，有效对接中国制造2025发展纲要，切实服务船舶工业重大现实需求，显著推动空、陆、水联合的运输体系的建设和完善。

1.2 国内外研究现状

《智能船舶规范》^[3]由CCS（中国船级社）于2015年出版，其中阐述了智能船舶航行功能以及相对应的规范要求，包括数据收集处理、船舶航行状态监控、航行态势预估、航行决策制定和决策响应执行等方面。总结性地提出智能船舶体系的六大组成部分，分别为航行智能化、船体智能化、机舱智能化、能效管理智能化、货物管理智能化、以及配置智能化的集成平台。

其中定义智能航行，指利用通讯导航设备感知和获取信息，通过数据计算分析处理，优化设计船舶航行参数；条件允许的情况下，借助岸基方的航行协助，以实现船舶在各种水域环境中能自动避碰和自主航行的功能。

为保证设计研究长江船舶智能航行方案的全面，本文通过学习，并参考CCS《智能船舶规范》中重点内容，叙述智能船舶发展和智能航行研究的现状。

1.2.1 智能船舶发展概述

内河航运系统由各组成因素之间相互作用，而成功运行。其中组成系统的最基本要素，为船舶、港口以及航道^[1]，显而易见，船舶是航运系统中不可缺少且至关重要的要素，为了实现航运系统的智能化就要求船舶具有一定的智能化。国际上许多机构早已意识到智能船舶之于航运业发展的意义，开展了一系列的试验工作，也取得了许多实际成果。国外在研究进展方面较领先于我国。就各国智能船舶研究成果绘制时间线图1.1。

国外方面，欧洲各国关于智能船舶的研究取得了丰硕的成果。2012年9月至2015年8月，欧洲8家机构开启工程MUNIN^[2]，重点研究无人船舶的驾驶过程，研究技术基础、经济效益以及法律适用性等方面内容；2015年，罗尔斯罗伊斯公司向外公布^[10]，关于开发和应用无人船舶驾驶的项目，该计划在芬兰船运公司“Stella”号上成功实践，完成了船舶在不同航行条件下的航次试验；2017年，劳斯莱斯公司与芬兰相关部门开发，高水平、高层次、自动化的水上运输的项目，提出项目目标是，十年时间内研发一种遥控船或全自动船，来实现沿海区域的自动航行；2018年，欧洲挪威诞生航运公司Massterly，其为作为世界第一家无人船公司开始运营，这象征着全球航运正迈入新的纪元；2018年，罗尔斯罗伊斯公司和芬兰国有渡轮运营商Finferries成功展示了世界上第一艘全自动渡船，一艘载有80名乘客的汽车渡船——“Falco”号在两港口之间实现了自动航行。

图1.1 世界智能出船舶发展时间线

国际上其他国家^[2][10]也十分重视智能船舶的开发研制，进行了一系列的研究工作。早在2011年3月，日本公司成功研制出世界上第一艘智能船舶，是能够装载4500标准箱的集装箱船，并搭载了IEC（国际电工委员会）标准所认证的智能技术；2016年4月，美国政府部门对外宣布，将进行为期两年的无人驾驶船舶的开发和验证可行性的工作，而这艘名“海猎人”号的船舶也是目前世界上最大的无人船舶；2016年7月，韩国现代重工集团对外公布，同多家制造公司达成合作意愿，共同签署谅解备忘录，旨在建设全新的智能船舶生态环境，以及在智能船舶上应用“船舶服务软件”，这一举措反映了造船厂正在向智能化制造的转变和升级。

国内方面，我国近几年来对智能船舶的研究也取得了一定的成绩。2015年12月，中国船级社发布《智能船舶规范》，该项规范于次年3月正式生效，其中系统阐述了智能船舶所要求的智能化功能；2017年7月，大连海事大学与其他几所机构共同组建了，重点研究无人船舶技术和其法律规范内容的实验室；2017年12月5日，中国船舶工业集团研制的智能船舶——“大智”号交付使用，是一艘载重量3.88万吨的散货船舶，主要承担为中澳，以及我国与东南亚的煤盐运输任务；此外，预计2020年，我国第一艘无人驾驶船舶能完成建造，载重为万吨级。这表征我国的智能船舶研发进展正以稳定的加速度持续前进。

图1.2 大智号散货智能船舶

1.2.2 智能航行研究发展

从本文的研究背景可看出推动内河航行智能化的必要性和迫切性，国内外许多学者也对智能航行开展了研究。

有学者针对长江内河流域特点，分析流域现实发展状态，就实现长江航运智能化，提出了自己的见解。武汉理工严新平^[4]等分析了智能航运的功能和技术框架，并从长江流域的智能航道、智能港口、智能船舶、智慧海事四方面阐述了智能航行的现状，并对未来航行技术发展做出展望；大连海事大学赵丽宁^[1]提出了一种基于Agent多协同的长江流交通协调管理系统，系统由多Agent技术构建框架，并结合长江实际的环境信息，能够完成对航道船舶交通流的引导，进而提高整个通航水道的航行效率，有效保障了区域船舶航行安全；孙星^[7]等提出了长江流域中实现智能化航行决策的体系，分析了借助物联网，面向船舶、航标、岸基对象的关键技术，最终完成长江流域航行信息采集；Wang Q^[22]等定义了以内河为主体的船舶智能航行系统的概念，并设计了系统的框架结构。以船舶通导设备收集的航行信息，以及岸基云服务平台提供的信息为基础，跟踪服务船舶航行过程，设计一种具有智能报警功能的软件平台。

航行系统功能的实现需要保证航行信息的获取、船岸之间的通信、以及岸基管理部门的远距离管理的可行性。不少的学者针对这三个环节，进行了大量的研究工作，其成果对推动智能航行系统的运行有着非凡的意义。

对于航行信息的获取，Feng Ma^[23]等指出了现行船舶搭载的ARPA（自动雷达标绘仪）可能误导船舶对航道结构和陆地物体的判断，从而使航行复杂化的问题。提出使用Fuzzy C-Means模糊均值（FCM），可以构建人工智能来分类和识别ARPA目标类型，并根据目标相对地面速度、相对地面矢量线和位置来计算目标是真实船只的可能性；智能航行系统重要功能之一是，实现船舶自主航行和避碰。针对这方面的内容，Lokukaluge P. Perera^[27]等指出船舶导航系统以及船舶交通监控和信息系统的重要任务有结合状态估计和轨迹预测的机动船检测和跟踪，以改善海上航行中的海上安全和安全。针对传统的船舶检测跟踪、状态估计和导航轨迹预测的智能程度不足，提出了智能特征与船舶交通监控的集成。设计了一种人工神经网络作为检测和跟踪多个船舶的机制，以及利用扩展卡尔曼滤波器用于船舶状态的估计，并进一步用于船舶轨迹的预测。

针对航行系统中的船舶和岸基管理部门发展现状，以及智能航行系统对两者的要求，Garciadominguez-A^[24]指出当前船舶和岸基发展现状不足以保证航行安全，仍然存在较高的事故发生率的现状。于是提出开发一种智能船舶，即在船上运用智能技术，以及利用云计算、大数据分析认知实时过程的手段，以此提升船舶航行的安全性；Wu H^[25]等指出实现岸基管理的智能化也是不可忽视的工作，并基于快速发展的新型信息技术，如WSN（无线传感器网络）、IOT（物联网）、云计算等，设计了一种新型的内河航运信息管理系统，具有低成本、环保、跨平台高可扩展性和完整性的特点，可以有效地改善内河船舶管理和内河水域环境；BUKHARI A C^[26]等设计了一种船舶碰撞风险评估系统，利用VTS（船舶交通服务）中心收集到的船舶之间的DCPA（船舶最近会遇距离），TCPA（最近会遇时间），方位等数据参数，计算并显示其余周围环境物标之间的碰撞风险程度，是一种基于模糊推理系统的智能解决方案。系统中还包括雷达过滤算法，帮助VTS管理人员计算出特定船舶周围的碰撞风险程度。

智能航行系统中，船岸双方通信的畅通十分关键。乔大雷等^[8]基于物联网技术，设计并实现了，一种演示并验证无人船智能航行控制系统。创新性上，该系统采用窄带物联网技术和AIS（船舶自动识别系统）连接船岸之间的通信通路；陈莹^[6]基于“长江数字航道建设”等实际业务需求，总结通信网络技术的特点，提出建立智能航运系统的通信传输网络的方法，同时阐述现有通信传输方案优化改进的分析结果。

1.3本文主要研究内容及章节安排

本文的主要研究内容为，为了充分利用长江干线流域的航运资源，完成流域经济和航运安全的高水平提升的目标，基于长江干线航道水文条件的实际条件下，设计一种长江干线船舶智能航行方案，并研究方案的实际应用。全文内容分成三个章节展开讨论：

第一章绪论，叙述本文研究目的及意义，介绍了智能船舶和智能航行研究现状，为本文建立智能航行方案提供了重要的参考；

第二章为建立长江干线智能船舶航行方案，本章介绍了干线流域的水文情况，分析智能航行概念以及方案功能要求，以此提出了干线船舶智能航行方案，并简单陈述了系统组成部分的内涵；

第三章为长江干线智能航行方案应用，侧重分析长江干线船舶智能航行要点以及岸上智能化管理的方式。就船舶航行，介绍了智能船舶航行信息的获取与处理，船舶自主航行中的自主避碰和航线优化过程，和船舶智能预警的功能。就岸上部门的管理，从岸基部门采集信息、信息服务、智能港口和智能航道的智能化管理方式展开叙述；

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