無人航運的美妙前景似乎比人預想的更近了。隨著部分關鍵技術的攻克，一些敢為人先的船東正準備將其投入商業應用測試。
隨著無人航運技術的快速成熟，如何建立自主航行船只的設計和運營標準成為了當務之急。另外，有關如何保障無人航運船舶運營的安全性和可靠性的規則和法規也亟待出臺。與此同時，自動化系統、遠程連接和運營支持軟件的部署正呈逐步上升之勢。這一系列步驟環環相扣，每一步都將為船員、船隊船東和服務商帶來更多價值。
無人航運概念的核心是有關船舶環境可視化和分析，以及操縱和航程規劃控制的方法論。其包括傳感器技術、軟件分析、人工智能或機器學習方法，以確保港口之間的安全和良好運營。因此，遠程連接對于船舶監控及互動必不可少。
另外，如何確保船只的基本進塢、操縱和導航系統與日益無人化的運營相適應也同樣重要。傳統的機械推進動力系并不具備高容錯性和冗余性，在發生故障時依賴于輪機員進行干預的能力。在無人值守船舶中，要么必須避免此類故障，要么系統能夠通過自動自我修復或借助遠程連接與船載數字化監控系統的交互，重置到安全模式以避免運營中斷。這也是ABB認為下一代船只，包括正日益無人化的船舶必將邁向電氣化、數字化和智慧互聯的原因之一。
過去，由于硬件和專有技術之間的通信局限，以及衛星或無線電船/岸通信的低性能和高成本，不同船載系統的整合處處受制。
如今，數字革命、云技術以及物聯網已經改寫了游戲規則。平臺和標準紛紛出臺，從成千上萬的嵌入式傳感器中收集和傳輸更多的數據，最終增強船舶管理能力。為此，ABB專門打造了統一的跨行業數字化產品ABB Ability TM，從設備到邊緣再到云端集一系列設備、系統、解決方案、服務于一個平臺，幫助客戶提高生產力，降低成本。自2017年發布以來，ABB Ability TM現已提供了210多種解決方案，包括面向船舶領域的ABB Ability TM聯合運營中心。
船只和船隊繼續朝著無人航運甚至無人值守的方向前進。如今，在商用航線上展示并試點無人值守船舶的技術已經蓄勢待發。2018年11月，芬蘭堡II號冰級客渡輪通過遠程領航穿越了赫爾辛基港附近的測試區域，證實當今技術可在任何地方對船舶進行人工監督。芬蘭堡II號通過改造，配備了ABB動態定位系統和ABB Ability TM船舶態勢感知控制系統，并通過赫爾辛基的控制中心進行操縱。
船舶設計從傳統到未來的轉變得益于電力推進的普及。自從25-30年前首次大規模應用以來，船載電站已取得長足的發展。人們對更高效率、更低排放、冗余安全以及船員和乘客舒適性的追求，正是推動這一趨勢的原動力。
如今，電力推進被廣泛應用于各類船型，其基本概念涵蓋從交直流配電系統到電力-機械混合動力，直到最近運用儲能系統的全電動動力系統。
新興的清潔能源在航運業中的地位正在不斷提升，如替代傳統重質燃油和船用柴油的天然氣或新型液體燃料。另外，零排放設計也在摸索使用氫燃料電池。在2018年年中，ABB與巴拉德動力系統公司(Ballard Power Systems)就開發面向可持續船舶電動出行的下一代燃料電池動力系統簽署諒解備忘錄。雙方將利用并優化現有千瓦級燃料電池技術，聯合打造適合更大型船只的開創性兆瓦級解決方案。
除了能效和不排斥任何能源的靈活性等廣為人知的優勢外，其電網設計簡單，兼具容錯性和可用性。因此對于客船及動力定位船等安全規格更高的船只而言，高冗余性的電力推進已成為了行業標準。
對于無人航運和無人值守船舶，電力和推進系統是滿足船上維護人員對健固性和可用性需求的基本條件。
本文提出了一種全局性的系統設計理念，表明了自動容錯、遠程或手動重配置自身的優勢。另外，還提供了一套平臺來提高導航和進塢的安全性。這些構建模塊最終將使無人航運和無人值守船舶運營成為可能。
以電力推進系統為骨干
發配電系統促進了與自動化和控制系統的緊密集成，使得船舶裝機從簡單連接的“模塊”轉變為了一個協作性的高度自動化系統。這種電氣“骨干”還將可用能源的范疇擴展到傳統燃料以外，囊括了環保型蓄電池和燃料電池。
憑借優化的發動機控制和負載管理，使用高可靠性的推進器（例如Azipod R推進系統）以及高機械和流體動力學效率，電動推進系統的設計靈活性有助于提高可用性和效率。
一項最新的變革性技術是Onboard DC Grid TM船載直流電網，這種直流電力系統可簡單、靈活地整合調速發電機組和軸帶發電機、蓄電池和燃料電池等能量源，并將相關功能融為一體，見圖1。與在交流配電系統中連接的發電機需要匹配系統電壓和頻率不同，Onboard DC Grid TM船載直流電網僅需要發電機匹配系統電壓。這意味著發電機和發動機轉速可根據系統負載情況動態優化。當發動機負載降低時，發動機轉速也隨之降低。中速柴油機在部分負載運行時，可減少20%以上的燃油消耗，同時降低排放和維護要求。由于電力通過各能量源單獨控制，因此可以優化負載，以提高效率、性能和使用壽命。
圖1：Onboard DC Grid TM船載直流電網
Onboard DC Grid TM船載直流電網簡單、容錯性高、易于集成儲能，還能使用LNG或氫等替代性燃料能源來減少發電過程中的排放，這都使Onboard DC Grid TM船載直流電網成為理想之選。系統集成與控制發揮了系統中各種能量源的優勢，并借助電力和能源管理系統(PEMS)管控系統中電力和能源的平衡，以此嚴格控制用電設備。
逐步向無人航運演進
上述一系列好處可能已經令人驚嘆，但智能環保船舶還因另一原因而受益于電氣主干：自動化系統可以完全集成，船舶運營的所有所需信息都可在一個系統和一個平臺內獲得。
Onboard DC Grid TM船載直流電網及電力電子設備為船載數字解決方案提供了獨一無二的平臺。借助傳感器和通信基礎設施，數據可以在系統之間即時傳輸。這使得信息觸手可及，使橋樓能手動或自動監控和優化性能表現。
這個統一的平臺讓自動化和電力系統與船舶數字化連接之間的完全集成成為可能，最終提供了一個途徑，讓日益增強的云計算能力能夠為船東所用，使機器學習和互聯數據分析技術能夠在能效、資產和設備維護管理以及船舶安全方面實現前所未有的突破。Onboard DC Grid TM船載直流電網的高水平集成也意味著，船上或遠程運營人員和維護工程師可以隨時獲取高質量的狀態和性能信息。
以此為起點，只要拾級而上，每一步都展現對船舶運營的獨有價值，那么通往全自主甚至最終無人駕駛船舶之路就會暢通無阻。
在此過程中，重要的是總結以往經驗教訓，審視那些認為不可避免的環節，評估海事行業在任何給定節點的進度。從ABB角度來看，到位的構建模塊包括：
1、高度可靠且可重配置的電力推進系統，融合了在動態定位船舶、客船和破冰船方面的多年經驗，滿足其對高可用性和可靠性、優化設計和控制以降低運營成本的要求。
2、Azipod R推進系統，降低了推進系統的機械復雜性，推進效率和操縱性高（圖2）。
圖2：Azipod R DO
3、儲能系統，減少了發動機磨耗，進一步優化運營、降低油耗，并在發動機發生故障時提供備用動力。
4、燃料電池電源，可降低排放并整合多種能源系統。
5、先進保護系統和Onboard DC Grid TM船載電流電網，實現了高容錯的電力系統設計，可單獨利用各種能源，并通過整合所有能源和耗能設備來優化狀態，還能在部件故障后進行重配置，將對船舶性能和安全的影響降至最低。
6、與電力推進系統全面集成的分布式冗余自動化系統，能實現自動控制、監控和電站診斷。
7、帶擴展功能的集成導航系統（如ABB Ability TM Pilot Vision態勢知系統），用于增強現實、態勢感知和導航支持。
8、運營支持系統，用于運營規劃、船舶優化和航線規劃
9、實時可用的在線船隊信息，與岸基運營相連，隨時隨地處理數據來分析和優化船舶和船隊的運營、性能和狀態。在ABB，這主要由ABB Ability TM聯合運營中心實現。
10、每個構建模塊在改善船舶性能和運營方面都有其自身的價值，在通往自主控制和導航的無人駕駛或低級無人駕駛船只之旅中起到了補給站的作用。
無人值守機械的設計可用性
無論在總體概念的哪個層面，所有基本船只系統的可用性和可靠性對于無人航運和無人值守船舶能否為人所接受都起著至關重要的作用。電站是為推進、操縱和控制系統提供可靠優化電力必不可少的骨干。
在配有電力推進系統的傳統船只上，可用性主要是通過冗余來實現的。這些系統對于使用動態定位（DP）、對安全需求較高的客船、破冰船和近海工程船而言，更是必不可少。
圖3中，近海工程船系統采用了一個電站和兩個變電站，通過主配電盤的母線開關或轉換開關進行電力連接。這兩個變電站必須彼此獨立運營。通過提高變電站的數量，可相對減輕故障造成的影響，如果單臺設備故障，兩設備分體式的平衡系統將損失50%的裝機容量，三設備分體式的平衡系統將損失33%的裝機容量（圖4），四設備分體式平衡系統將損失25%的裝機容量，以此類推。
圖3：傳統的OSV船兩段式電力推進系統
圖4：傳統系統冗余
傳統設計假設船上工程師能夠識別和糾正故障，并使船舶恢復正常運營。所以其基本思路是系統能耐受任何單點故障。如果船舶配備了無人照顧機艙，則船員依賴自動報警系統進行故障檢測。原則上來講，這意味著船員無需時時刻刻呆在機艙里。只有在發出報警聲時，他們才進入機艙識別并解決問題，之后則繼續履行其他職責。
傳統上，分布式電站(圖5)可簡化保護系統的設計和驗證。而最近，由于強烈關注油耗和排放，已有船舶采用閉環控制來實現單點故障后的更優效率和可用性。
圖5：適用于鉆井船的徑向電站
而在無人值守船舶上，沒有船員執行干預和維修工作。在許多情況下，要等待數天甚至數周才能獲得支持。由于故障件無法修復或更換，必須重新定義可用性規則。其中一種方式是，通過關鍵組件的高可靠性并通過重配置來解決各種故障，從而保證設計可用性(圖6)：
1、對于不能輕易增加的部件，比如主推進系統或主電源，應通過使用高可靠性部件（即，減少故障發生率）實現可用性。
2、對于其他部件，比如配電系統，系統應能夠進行重配置以實現持續運營，使故障對性能的影響降至最低，并在出現故障后系統能在容錯狀態下運營。重配置可基于預定義或智能算法全自動進行，或通過岸上控制中心遠程完成。
圖6：冗余設計
顯然，可明確的故障數量有限，具體取決于故障和風險分析。 除分布式和閉環結構外，還可以考慮使用更復雜的拓撲，如星點互連或與環形組合互連（圖7）。原則上，這些拓撲結構在電站的各個配電層面上皆可采用，從而為從能源到耗電設備的能量流動創造多條路徑。
圖7：可重新配置的系統概念
模塊化的設計讓新能源和儲能在更大的額定功率下具有相對相似的效率和電力密度。為提高可用性，可采用更小的能源/儲能單元。前述不同拓撲結構原則上可以任意組合連接，以實現所需的容錯性和可重配置性。為了便于說明，概念設計如圖8所示。
圖8：超高穩定性的概念
在對其可行性下結論之前，仍需對此類替代性高級拓撲結構進行評估。不過，我們將可能會看到趨勢沿這一方向發展。雖然傳統直流系統可用作高級拓撲結構的基礎結構，但Onboard DC Grid TM船載直流電網憑借其簡單和快速連接，而成為必然選擇。
總結
與最初設想的一樣，船舶行業距離全面摘取數字化成果并不遙遠。
ABB對未來船舶的看法很簡單。未來船舶將實現電力、數字化和智慧互聯。首先，對動力裝置進行電氣化，以利用更清潔的燃料和針對預期運營的優化設計。下一步是確立數字化運營。反過來，這可以促成互聯運營的實施。無人駕駛，甚至無人值守船舶將加入船隊。目的不是要消除人員，而是要為人員提供更多有附加值的任務，使他們能夠實現更有效、更安全地運營。
電動船舶效率更高、更簡單、更靈活、更數字化和更互聯化。而且電動船舶是邁向更智能化、數字化和自動化航運的天然平臺。系統更小、更簡單、活動部件更少，因而所需的維護和監控也更少。幾乎一切都可遠程診斷，許多故障可自動或遠程修復或避開。全電動動力裝置已是海洋石油支持船以及較小型渡輪和沿海船舶的可行選擇。這些船舶最有可能成為首批商業運營的全自動船舶。
