中国航海科技发展报告概要
中国航海学会
2020年7月10日
一、航海科技发展进步
近五年来，在国家政策的支持下广大航海科技工作者努力拼搏奋进，在航海基础理论研究、技术创新应用等方面取得了突出成就，航海科研条件不断改善，在我国从航运大国迈向航运强国的历史征程中迈出了新的步伐。
（一）基础理论研究
航海科技基础理论研究在多方面取得进步和创新，为航海科技发展和技术进步提供了新的理论支撑。智能航运和港航特大风险防控的理论创新产生了重要的影响。
智能航运的理论创新主要是提出了“智能航运”概念和“航行脑”模型。张宝晨团队提出，智能航运是现代信息、通信、感知、大数据和人工智能等高新技术与传统航运要素深度融合而形成的航运新系统和新业态，是航运业未来发展的必然趋势。智能航运系统包括智能船舶、智能港口、智能航保、智能航运服务和智能航运监管等五大关键要素。交通运输部等七部委联合发布的《智能航运发展指导意见》就是基于上述系统概念来明确发展目标和布局工作任务的。
图1 智能航运体系
严新平团队提出，“航行脑”系统即通过“感知空间”获取船舶在航环境和自身的状态信息，“认知空间”根据感知的信息抽象出航行态势、实现自身状态辨识，基于人工驾驶记录与机器学习训练，建立智能船舶驾驶行为谱；“决策执行空间”利用“感知空间”的反馈信息，修正“认知空间”的态势认知，并在驾驶行为谱的支持下，实现对智能船舶的鲁棒控制。
图2 航行脑系统总体框图
天津港“8·12”瑞海公司危险品仓库特别重大火灾爆炸事故发生后，港航安全风险防控成为国内外高度关注的重点，何建中、张宝晨等基于国内外典型案例分析和我国港航发展实际，在广泛调查和深入研究的基础上，提出了“港航特大安全风险”的概念和防控理念。他们基于“港航特大安全风险”是指港航领域可能导致百人以上伤亡或可能造成特别恶劣社会与政治影响的事故风险的概念，确定了我国存在港航特大安全风险的具体领域，揭示了我国港航领域特大安全风险的因素构成、时间空间分布、演变规律和成灾情形与条件；运用系统论、矛盾论、条件论、事故树等理论与方法，提出“在风险广泛存在的今天不能寄希望于短时间消除所有风险和解决全部安全问题”和“港航特大安全风险可以有效防控”的基本判断；提出以“近期着眼防控重大风险，长远立足提高基础素质、培养习惯和接轨国际通行安全文化”、“从预防重大事故向防控重大风险转变”、“在促进发展中解决港航安全问题，而不是因噎废食”和“政府要把主要注意力放在法规标准制定、公共秩序维护与公共服务保障提供和重大风险防控的监管上，把生产过程控制和日常安全风险防控的责任还给企业”等为主要内容的新的港航安全理念。
（二）重大技术创新与应用
航海领域的重大技术创新主要体现在基础设施建设、装备研制、导助航、安全监管等技术领域。近些年来，先后建设了天津港30万吨级复式航道，连云港30万吨级深水航道，长江南京以下12.5m深水航道，三峡升船机；提出并突破形成了沉管隧道可逆式主动止水最终接头制造和安装关键技术；研制了云平台、六自由度及智能型航海模拟器；掌握了超大型矿砂船设计建造检验关键技术；设计了智能船舶“1+N”技术体系框架，提出了智能船舶总体解决方案；建设了智能船舶实验测试场；自主研制的基于超短基线定位系统在马里亚纳海沟最深的“挑战者深渊”海域成功进行万米级海试并首次给出超过万米水深的海底精确坐标；冰区四季通用灯浮标系列化研究、纳米材料在航标标体上的应用、绝壁自浮式航标海图编绘技术等取得新的突破；虚拟现实技术、大数据、物联网、区块链、人工智能等技术大规模应用在港航管理、海事监管及船舶防污染等领域，助力了“放、管、服”的要求。
案例1：长江南京以下12.5m深水航道工程。
长江南京以下12.5米深水航道建设工程是“十二五”和“十三五”期全国内河水运投资规模最大、技术最复杂的工程，主要对太仓至南京河段航道进行整治，建设范围为长江南京至太仓283公里河段，总投资110多亿元。项目2012年8月工程开工，2018年4月建成交工。工程建成后，长江南京以下航道水深从10.5米提高到12.5米，通航海轮从3万吨级提高到5万吨级，航道通过能力提升一倍。
该工程实现了潮汐分汊河段航道整治工程总体布置方法创新，提出了施工期与运营期全过程贯彻设计的工程管理新理念，突破了潮汐河段航道整治工程的技术，推动了水运行业技术进步，对其他潮汐河段的航道整治工程建设具有广泛的借鉴意义。
图3工程河段示意图
案例2：青岛港全自动化集装箱码头工程
除主体水工和码头工程外，该工程通过全自动化集装箱码头总体布局详细设计和开发，构建了基于数据驱动的自动化码头流程体系，研发了基于信息物理系统的智能生产管理系统和模拟仿真平台，发明了大型设备自动防风锚定、AGV循环充电模式等世界领先的设备控制系统和方法，取得了62项具有自主知识产权的关键技术。该码头仅用3年半时间完成国外8－10年的建设任务，建设成本为国外同类码头的65%，实现了低成本、高效率建设自动化码头，破解了自动化码头建设周期长、成本高、装卸效率低的瓶颈。该码头从根本上颠覆了传统集装箱码头的操作模式，实现了自动化集装箱码头、物流电商等关键技术的突破和跨越。现场空无一人，减少操作人员80%，将最辛苦的码头高强度体力劳动变成了最现代化脑力劳动，并创造了平均作业效率36.2自然箱/小时、最高作业效率44.6自然箱/小时的世界纪录。该码头采用纯电动设备，创造了绿色、节能、生态的码头样板，提升了我国在自动化码头装备、技术和建设的核心竞争力，实现了我国自动化码头技术从跟跑到引跑的转变。
图4：青岛港全自动化集装箱码头工程
案例3：海上船舶智能航行实验测试场
海上船舶智能航行实验测试场是国家重点研发计划项目“基于船岸协同的船舶智能航行与控制关键技术”的配套内容，位于青岛即墨鳌山湾附近海域，面积220平方海里。测试场设有进出港、靠离泊、锚泊、受限水域避碰等相关功能实验测试区，相关区域的海图矢量化工作已完成。已建设自主研发的运控中心，包括配套的船舶远程遥控岸端系统、大屏幕显示系统和CCTV监控、微波通信系统等；自主研发并已交付使用的20米级智能航行实验测试艇——“智腾号”具备人工驾驶、自主航行以及远程遥控驾驶等多种驾驶模式。在2019年5月16日交通运输部召开的智能航运发展工作推进会上，该实验测试场成功开展了船舶自主航行与远程遥控驾驶实验演示，受到业界及社会的广泛关注。
图5：何建中在海上船舶智能航行实验测试场运控中心远程驾驶“智腾”号
（三）科研条件
科研条件是支撑科技进步和创新的重要物质和信息基础，是抢占科技制高点、提高国家科技竞争力的关键因素之一。在航海科技领域目前有港口水工建筑技术，疏浚技术装备，航运技术与安全，国家内河航道整治工程，国家水运安全工程技术等5个国家级重点实验室和工程研究中心；工程泥沙，河口海岸，港口航道泥沙工程，港口岩土工程技术，水工构造物耐久性技术，水工构造物检测、诊断与加固技术，内河航道整治技术，航道疏浚技术，通航建筑物建设技术，港口物流装备与控制工程，航运技术，船机修造工程，港口装卸技术交通，航运技术与控制工程，船舶动力工程技术，水路交通环境保护技术，航海动态仿真和控制，集装箱运输智能化，水上智能，长江航运技术，应急救助与抢险打捞，船舶与港口节能减排、污染防治技术及装备等22个行业重点实验室及研发中心。
图7 部分实验室设施及结构
（四）政策环境
为促进科技发展，近年来我国先后发布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》《国家创新驱动发展战略纲要》《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》《关于深化中央财政科技计划（专项、基金等）管理改革的方案》《“十三五”国家科技创新规划》《国家科技创新基地优化整合方案》《“十三五”国家科技创新基地与条件保障能力建设专项规划》《深化科技体制改革实施方案》《关于大力推进海运业高质量发展的指导意见》等一系列促进科技发展的规划及政策。
交通运输部等相关部委先后制定了《推进综合交通运输大数据发展行动纲要（2020—2025年）》《交通运输中长期科技创新规划纲要（2021-2035年）》《数字交通发展规划纲要》《智能航运发展指导意见》《国家水上交通安全监管和救助系统布局规划》《交通运输部关于推进现代化专业救捞体系建设的意见》等一系列政策文件，为航海科技发展和支撑智能、平安、绿色、共享理念的实施提供了良好的政策环境。
二、国内外航海科技发展情况比较分析
我国的航海科技处在高速发展的过程之中，在重大水工工程、集装箱全自动化码头、绿色航运、智能航运等领域取得了瞩目的成就，有些已处在世界领先水平。但是，我国仍然是一个航海大国而非航海强国，走向航海强国的根本障碍依然是总体科技水平和核心技术创新能力的制约，与世界航海技术领先国家水平相比，仍存在较大差距。
（一）船舶工程领域
船舶驾驶仪器方面，我国在船载卫星导航系统、电子海图及信息显示系统、综合驾驶台系统、电子航海、极地航行船舶、自动操舵仪、自动雷达标绘仪、船舶自动识别系统、船舶航行数据记录以及气象导航等航海仪器设备的技术水平已处于世界先进水平；而船舶交通服务系统、船舶智能航行系统等尚未达到世界先进。
船舶机电设备方面，我国低速机的关键技术和核心部件长期依赖进口，操舵装置、锚机装置等甲板机械总体技术水平不高，船舶减振降噪的装备的研发、振动和噪声的评估技术以及减振降噪新材料研发方面仍存在不足，船舶动力定位系统（DP）和船舶余热回收利用技术水平与国外先进国家相比存在较大差距；在新能源船舶技术方面我国起步稍晚但发展速度快，电力推进系统的研究应用成熟且水平领先。
船舶通信导航方面，我国在星载通信处理技术、GMDSS通信设备核心芯片和部分关键技术受制于人；国际通信资源、国际新型航海通信技术标准受制于自主可控的核心技术体系，造成国际话语权较弱；北斗系统生态相较于GPS系统有一定差距，市场占有率较低；水下导航技术仍需要解决惯性定位设备精度、水下噪声干扰等问题；导航雷达中的磁控管、固态组件等核心部件受国外制约；“水运一号”虽然初步具备了星基AIS数据采集能力，但是受制于卫星数量少，星基AIS系统应用依赖国外提供数据；导助航产品的质量性能、服务水平及市场占有率等方面与国外领先产品有一定的差距。
（二）港航工程领域
航道建设方面，国外重视航道网尺度标准化，已建成统一航道标准的现代化内河高等级航道网；我国幅员辽阔，水系发达，流域面积大，地形地貌差别较大，造成我国的内河航道的网络化程度较低，干支流通航等级差别较大，航道网尺度规划统一难度较大。正是基于我国的特殊地理情况，我们国家航道渠化工程技术、深水航道整治技术等方面在世界处于领先位置，典型案例是三峡船闸，长江口深水航道整治。
同时，应用船舶操纵模拟器开展航道建设项目规划、设计、论证等方面，欧美国家已有几十年的应用历史，并取得了巨大的经济效益和社会效益。相比在我国，船舶模拟仿真技术应用到航
道的建设规划主要体现在沿海深水航道和内河高等级航道，但在低等级航道的规划建设方面应用较少。
航道信息化方面，我国与发达国家差距主要有：BIM技术水平和应用和航道监测技术及装备研发有待提高；航道网运行监测尚处于起步阶段，虽然建设了航道网运行监测的科研设施，但是受制于缺乏基础数据，尚难以开展有效服务。
（三）安全保障领域
航海保障方面，我国在航标新技术研发与应用领域取得了长足发展，已步入发达国家行列。与发达国家的航标相比，我国在LED灯器、遥测遥控、AIS应用等方面具有较为明显的优势，在航标技术、质量、自动化以及信息化等方面已不亚于发达国家水平。然而，我国海洋测量平台与装备整体能力水平、深远海救捞、信息化管理、大面积溢油处置和水下开孔等方面的装备及技术与国际发达国家相比还存在很大的差距：一是深远海救捞装备及技术相对落后；二是我国信息化管理装备及技术相对落后；三是大面积溢油处置及水下开孔抽油能力相对落后；四是我国在低轨道卫星组网建设领域处于起步阶段，相对落后。
货运安全方面，我国在船舶建造技术上与发达国家仍有差距，高端双燃料LNG船舶技术有待提升；船舶设计的精细化与合理化程度仍有待提高；LNG运输船关键设备和核心技术的自主能力研发仍然薄弱；关键设备如低温气体压缩机、热交换器、低温液货泵、再液化系统等依赖国外进口。
风险防控方面，国外虽然针对一般性生产安全风险防控的研究较多，但对于可能导致上百人群死群伤或可能造成特别恶劣社会影响的事故风险鲜有报道。我国针对国水运安全事故深入挖掘悲剧背后的深层次问题与原因，总结规律，提出符合行业特点的防控措施，为港航业完善相关法制体制机制、改进安全管理与应急，实现特大安全风险有效管控，提供理论依据和决策支持。
（四）航运管理领域
船舶检验方面，中国船级社远程检验的应用覆盖范围、大数据储存及管理方面落后于挪威船级社，在覆盖范围和数据深度挖掘方面还需进一步拓展。
航运监管方面，国外已建成综合性互联互通、高效应用平台模式，可成熟高效利用信息技术与工具，能够有效节省大量人力、物力财力成本，有效提升办事效率，服务国际航运中心建设。我国海事大数据生态体系尚不健全，数据开放难、共享难、多源异构等问题尚未得到根本解决，海事大数据成熟应用服务体系尚未形成，缺乏深度挖掘海事大数据价值的系统性技术手段，在数据计算、可视化、结果呈现等方面仍存在一定的差距。
三、航海科技发展展望
交通运输是国民经济的基础性、先导性、战略性产业和重要的服务性行业，水运是综合交通运输体系的重要组成部分，在支撑国民经济平稳健康发展，促进对外贸易和维护经济安全等方面发挥着重要作用。
展望未来，中国航海科技的发展要以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚持新发展理念，坚持推动高质量发展，牢牢把握交通“先行官”定位，按照《交通强国建设纲要》的总体部署，注重创新驱动，构建安全、畅通、高效、绿色、智能的现代化航运体系，打造一流设施、一流技术、一流管理、一流服务，基础设施规模质量、技术装备、科技创新能力、智能化与绿色化水平位居世界前列，为建设人民满意、保障有力、世界前列的交通强国提供坚强支撑。
“经济强国必定是海洋强国、航运强国”。建设海洋强国和航运强国离不开航海科技的强大的支撑，面对新形势，新要求，应在以下几个方面做好中国航海科技的相关工作：
一是，继续保持优势领域，坚持做世界引领者。主要是在我们的大型专业化散货码头、深水航道、航道渠化、自动化集装箱码头、港机装备、智能航运、绿色技术应用等方面继续加大科技攻关，保持世界领先地位。
二是，加大科技资金投入，推动科技研发创新。一方面要加强航海科技人才的培养，为航海事业的发展提供人才支撑；另一方面要加强科研条件建设，为航海科技的发展提供强大基础平台；同时，还应加强跨学科、跨领域的协同创新，为航海科技的融合发展提供智力源泉。
三是，强化新业态的研究，保持航海发展动能。研究跟踪“云大物移智”等新技术在航海领域的应用，研判新业态的发展趋势，牢牢把握航海科技领域新的制高点，并要适时调整相关的监管政策，适应新业态的发展。
四是，加强对外交流合作，增强国际影响力。充分利用国际行业组织和相关的学术交流平台，加强航海各专业技术领域的交流与合作，向国际提供中国技术、中国方案，不断增强在国际的行业影响力。同时，学习引进国外先进技术，助力我国航海科技发展。