【深瞳工作室出品】
采 寫(xiě)：本報記者 張佳星 李麗云
通 訊 員 霍 萍
策 劃：趙英淑 林莉君 滕繼濮
浮球！平靜的航行被一陣預警聲打斷?！昂ｋ?”的首航航線(xiàn)上出現了成片的浮球，浮球下方是一望無(wú)際的海產(chǎn)養殖場(chǎng)。
這讓中國首艘數字孿生智能試驗船“海豚1”首航領(lǐng)隊、哈爾濱工程大學(xué)教授張智心里咯噔一下：“海圖上并沒(méi)有標注出這里有養殖場(chǎng)，怎么辦？臨時(shí)繞路已經(jīng)來(lái)不及，只能穿越這片‘暗礁’林立的迷亂之地?！?/p>
“繞開(kāi)這些定位規律不明、確切坐標未知的浮球，它能做到嗎？”
這一問(wèn)題在張智腦中一閃而過(guò)時(shí)，然而，“海豚1”上裝載的激光雷達、固態(tài)雷達、全景紅外視覺(jué)系統以及它百兆每秒的數據處理速度又讓張智覺(jué)著(zhù)自己想多了。
憑借超高配置和決策能力，“海豚1”僅用了很短時(shí)間就解決了首航中遇到的難題，巧渡“險灘”。
在10月12日召開(kāi)的世界航海裝備大會(huì )上，哈爾濱工程大學(xué)展廳中展出的“海豚1”受到廣泛關(guān)注，當參觀(guān)者了解到該船在信息融合、態(tài)勢感知、數字孿生等三個(gè)方面達到的智能化水平時(shí)，忍不住嘖嘖稱(chēng)贊。
由“海豚1”出征領(lǐng)航，中國智能船舶高質(zhì)量發(fā)展之路邁出了扎實(shí)一步。
讓船舶擁有“料事如神”的超能力
自2006年國際海事組織提出e-Navigation(電子航海)概念以來(lái)，歐美日韓等多個(gè)國家都開(kāi)啟了大型計劃以提升船舶智能化水平。
“隨著(zhù)人工智能、數字孿生等技術(shù)的深化應用，船舶智能化已經(jīng)遠遠超過(guò)了最初的‘信息化’定義范疇?！焙邶埥 邦^雁團隊”、哈爾濱工程大學(xué)數字與智能技術(shù)創(chuàng )新團隊負責人夏桂華教授接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)介紹，團隊研發(fā)的數字孿生智能科研試驗船以“海豚”為名，是因為海豚是智能的象征。
“海豚1”不僅具備在2海里內精確探測水面上0.5米高微小目標的過(guò)人之處，更獨特的是態(tài)勢智能感知、超前預判等AI技術(shù)賦予了它“智慧”。
“在陸地上，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)正在改變交通的安全性、能源的利用效率，正朝著(zhù)智能駕駛，甚至無(wú)人駕駛邁進(jìn)。在海洋里，智能船舶的變革也在迎頭趕上?！毕墓鹑A說(shuō)。
“海豚1”開(kāi)啟了未來(lái)智慧船舶打造“智能眼、智能耳、智慧腦”的先河，將在進(jìn)一步完善后賦能中國船舶制造，為未來(lái)智慧船舶的主要系統和關(guān)鍵設備全自主技術(shù)能力的形成奠定堅實(shí)基礎。
“要實(shí)現這樣的跨越必須為‘海豚1’裝上真正的‘超級大腦’?！惫枮I工程大學(xué)數字與智能技術(shù)創(chuàng )新團隊技術(shù)負責人朱齊丹教授說(shuō)。該團隊積累了豐富的智能船舶設計制造建模、計算等研究成果，能通過(guò)實(shí)尺度船舶動(dòng)力學(xué)建模、航行水動(dòng)力性能仿真、動(dòng)力系統仿真、風(fēng)浪流場(chǎng)仿真等，為智能船舶提供高精準信息?！跋喈斢诳梢栽诮咏鼘?shí)船的環(huán)境中進(jìn)行預先演練，賦予‘海豚1’預想、思考、研判的能力?！敝忑R丹告訴記者。
為了做出這樣的模型，團隊收集了幾萬(wàn)張、涵蓋多種場(chǎng)景的實(shí)船圖片，一張張地精確標注、整理分析，最終形成一個(gè)數據集，用于人工智能的機器學(xué)習；在核心模塊的支持下，“海豚1”能夠以每秒數百兆的速度實(shí)時(shí)采集、處理外來(lái)的多源信息數據……
這些都讓“海豚1”能夠實(shí)時(shí)自主繞開(kāi)障礙、規劃最優(yōu)航線(xiàn)，仿佛一個(gè)可以應對未知世界的“神算子”。
“海豚1”有個(gè)“數字分身”
從外觀(guān)看，“海豚1”嬌小而普通。它僅有25米長(cháng)，排水量也只有100噸。但它與其他船最大的區別是，在虛擬世界中有一個(gè)能為它預言的“數字孿生體”。
要知道，虛擬世界最大的優(yōu)勢是試錯成本低。試想如果有一個(gè)虛擬人提前演繹了你生活中的缺憾，你在真實(shí)生活里還會(huì )讓缺憾發(fā)生嗎？
研發(fā)團隊就為“海豚1”量身打造了這樣一條虛擬船。它們不僅可以同步航行，還可以預演航行。
“實(shí)體船停止了，虛擬船可以繼續航行?！睆堉钦f(shuō)，這樣就可以為實(shí)船預判它接下來(lái)航行的策略，預判可能的危險，并試驗遇到這些危險狀況時(shí)該怎樣操縱，保證實(shí)船運行安全。
“我們希望將‘海豚1’的智慧‘復制’給萬(wàn)千船舶。但又不能一個(gè)一個(gè)地教，船舶數字孿生集成軟件平臺及其應用系統的作用就是要像老師一樣‘傳道授業(yè)’?！毕墓鹑A告訴記者，虛實(shí)交互的平臺為智能船舶測試提供一個(gè)比現實(shí)環(huán)境更多變、更豐富的“演練場(chǎng)”。
未來(lái)，“海豚1”所依托的高效測試、驗證、運行、調度、管控平臺，或可應用于自主智能船舶前期研發(fā)、中期測試、后期運營(yíng)等，加快我國自主智能船舶在可達海域的應用和部署步伐。
大海中的環(huán)境瞬息萬(wàn)變，與船舶航行相關(guān)的因素何止萬(wàn)千。如何才能構建一個(gè)涵蓋虛擬船、虛擬海洋、虛擬天氣環(huán)境等映射現實(shí)世界，且具有精準模擬功能的推演平臺呢？
夏桂華給出虛實(shí)交互的關(guān)鍵秘訣：“在數字孿生系統中，虛與實(shí)是動(dòng)態(tài)辯證的關(guān)系，簡(jiǎn)單概括就是‘從實(shí)到虛’‘從虛到實(shí)’，最后實(shí)現‘以虛控實(shí)’?！?/p>
遵循這一原則，團隊依據真實(shí)物理空間的船舶和其航行的海洋環(huán)境，構造出數字孿生船舶以及數字“賽博”海洋環(huán)境，并通過(guò)信息和人工智能技術(shù)，讓虛實(shí)之間實(shí)時(shí)交互聯(lián)通。
在“海豚1”的船艙里、在黃島和哈爾濱的船舶遠程數字支持控制中心，都可以看到實(shí)時(shí)“海豚1”實(shí)時(shí)同步的“虛擬船”。它不僅對本體的機械結構、主機系統、感知系統、裝備部件以及管線(xiàn)電路系統等進(jìn)行了數字再現，還與“海豚1”的感知系統、操控系統完全打通。
“虛擬船中的數字建模，可以對實(shí)體船進(jìn)行遠程支持控制，實(shí)現智能船舶的自主航行、自動(dòng)靠離泊和自動(dòng)避碰等作業(yè)環(huán)節?！睆堉钦f(shuō)，“海豚1”的落地解決了基于數字孿生技術(shù)實(shí)現船舶遠程數字支持自主航行的關(guān)鍵問(wèn)題，為未來(lái)基于遠程支持的智能船舶和海洋工程裝備自主航行和作業(yè)提供基礎技術(shù)支撐。
兩次原始創(chuàng )新扎牢技術(shù)根基
“這并非一個(gè)全新的領(lǐng)域?！眻F隊系統首席蔡成濤教授說(shuō)，工業(yè)數字化是新型工業(yè)化的一部分。世界各國在多年前就紛紛開(kāi)啟了數字孿生智能船舶的研制。例如，韓國2012年開(kāi)始建造智能船舶，以促進(jìn)船舶的信息化、自動(dòng)化、智能化以及綠色節能發(fā)展。
中國的選擇是：謀定而后動(dòng)。
2015年，哈爾濱工程大學(xué)與中船集團702所共同牽頭，與多家船海學(xué)科技術(shù)優(yōu)勢科研院所和高校協(xié)同攻關(guān)，研發(fā)全球第一座數值水池虛擬試驗系統V1.0，通過(guò)了中國船級社和法國B(niǎo)V船級社的國內、國際雙認證。
這是世界上首次實(shí)現的億級網(wǎng)格量的大規模高效并行計算，它能夠為船舶與海洋工程設計、試航和運行提供極為精細的水動(dòng)力性能模擬。
“當時(shí)的潮流是數據驅動(dòng)，就像會(huì )下圍棋的阿爾法狗，在一定的算法支持下，通過(guò)海量數據集訓練產(chǎn)生固定任務(wù)中的‘智能’?！睆堉钦f(shuō)，但夏桂華沒(méi)有帶領(lǐng)團隊走這條路。
“數據很重要，但模型才是性能的魂。兩者相互磨合，才能在一定算力的基礎上實(shí)現高精度運算?！毕墓鹑A說(shuō)，要在船舶工業(yè)中落地應用的數字化系統必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：首先需要建立盡可能精準的模型，其次要通過(guò)數據驅動(dòng)模型迭代升級。
毋庸諱言，信息技術(shù)領(lǐng)域有一條不變的鐵律：惟有掌握代碼，才能決定迭代的節奏。
正因如此，當2019年智能船舶與數字孿生技術(shù)的研究開(kāi)始實(shí)施時(shí)，夏桂華再次選擇了源頭創(chuàng )新。
“我和夏老師曾經(jīng)是有過(guò)爭論的。我覺(jué)得開(kāi)源平臺上的架構、模型是很多人工智能愛(ài)好者打磨出來(lái)的，已經(jīng)足夠豐富和扎實(shí)了。夏老師卻堅持源頭創(chuàng )新?！睆堉钦f(shuō)，回過(guò)頭看，做這樣的決定是有遠見(jiàn)的，作為工業(yè)數字化的基座，底層代碼服務(wù)于長(cháng)遠發(fā)展、服務(wù)于國家戰略，必須牢固。
源頭創(chuàng )新的決定不僅扎牢了數字孿生技術(shù)這棵大樹(shù)的根基，也讓技術(shù)的應用“枝繁葉茂”。
“在船舶數字孿生技術(shù)方面，我們已經(jīng)是船舶行業(yè)公認的‘領(lǐng)頭羊’?！睆堉钦f(shuō)，如果當時(shí)抱著(zhù)交差的思想做事情，團隊得不到歷練，而現在數字孿生系統里的代碼是團隊一個(gè)一個(gè)敲出來(lái)的，團隊對其底層、內核的機理規律理解非常透徹。
未來(lái)遠程“代駕”將乘風(fēng)破浪
一陣大風(fēng)襲來(lái)，大浪隨之興起，一浪高過(guò)一浪。海平面上的環(huán)境剛剛還是晴空萬(wàn)里、寧靜祥和，馬上變成波濤激蕩、暗流洶涌，船體跟著(zhù)劇烈搖擺起來(lái)。
“在威海到乳山的航段風(fēng)比較大，‘海豚1’劇烈橫搖，船上的研究人員幾乎都暈船了，躺著(zhù)不敢動(dòng)?！睆堉腔貞浧鹗缀降慕?jīng)歷：盡管感到難受，但一點(diǎn)也不必擔心。因為，有“海豚1”的數字分身替船員輔助“代駕”。
目前“海豚1”是“四胞胎”，與它性能最相像的是船艙里的那個(gè)數字孿生系統，能直接獲取“海豚1”的所有感知數據，成為船員開(kāi)船的“最強輔助”。
而在距離海上千里之遙的哈爾濱工程大學(xué)61號樓、哈爾濱工程大學(xué)青島創(chuàng )新發(fā)展基地的智能船舶遠程數字支持中心，由于受衛星數據傳輸和網(wǎng)絡(luò )帶寬數據傳輸容量所限，尚只能傳輸少量數據，目前只能做到海況條件好的近岸遠程“代駕”，但在不久的將來(lái)，遠程“代駕”能駛出港灣真正做到“乘風(fēng)破浪”。對此，團隊成員信心滿(mǎn)滿(mǎn)。
“未來(lái)，我們在智能船舶態(tài)勢智能感知系統的輔助下，即使不在現場(chǎng)也能準確把握周?chē)h(huán)境態(tài)勢，輕松駕船?！薄昂ｋ?”團隊成員劉志林教授說(shuō)。團隊開(kāi)發(fā)了綜合信息融合軟件系統，能把全景視覺(jué)、激光雷達、固態(tài)雷達等硬件獲得的信息，與電子海圖、北斗導航、實(shí)時(shí)衛星遙感等獲得的信息融合到一起，進(jìn)行分析、測算，同步構建數字海洋環(huán)境，實(shí)現船舶航行態(tài)勢智能感知，指導船舶航行的遠程操控。
“海豚1”上的激光雷達帶有“嫦娥”月球探測器的基因。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研發(fā)的激光雷達已成功應用在嫦娥3號、4號、5號月球探測器上。此次，他們?yōu)椤昂ｋ?”特制了一款激光雷達。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所主任黃庚華解釋道：“比起探測距離100米左右的航天激光雷達，船舶的激光雷達探測要求為4公里，這相當于要將探測指標提高40倍?！?/p>
而在“海豚1”首航當天遇到的養殖場(chǎng)“迷陣”，是靠另一種叫做“固態(tài)雷達”的設備定位標記、順利闖關(guān)的。北京海蘭信數據科技股份有限公司為“海豚1”研制固態(tài)雷達。該公司總師李常偉介紹，固態(tài)雷達對于雜波特性的抑制能力很高，能夠將養殖區一串一串的浮球清晰標記出來(lái)。
“海豚1”的視覺(jué)系統也分為紅外和可見(jiàn)光兩套。兩套360度全景視覺(jué)系統均由12路拼接高分辨率攝像頭組成，可以通過(guò)嵌入式系統將采集到的船舶航行視覺(jué)信息快速存儲，并快速計算合成一幅渾然一體的360度全景圖，回傳給遠程測控中心和船載航行感知系統。
高精度的傳感設備、實(shí)時(shí)的信息傳輸、先進(jìn)的算法模型，將共同為未來(lái)的船舶描繪出顛覆性變革，遠程“代駕”或許只是其中的一個(gè)典型應用。
從鄭和七下西洋到哥倫布環(huán)球旅行，人類(lèi)征服大海的步伐從未止步?！榜S海之術(shù)”走入AI時(shí)代，人類(lèi)有望在降低出海風(fēng)險、減少能源消耗的同時(shí)獲得最大的運營(yíng)效率。不止如此，在自學(xué)習、自適應、自進(jìn)化等算法的加持下，船舶自身各系統還能像智能手機一樣不斷迭代和優(yōu)化，隨時(shí)復現船舶系統任意時(shí)刻的狀態(tài)，推演或仿真未來(lái)時(shí)刻的“假設”場(chǎng)景，產(chǎn)生預判的應對策略。
開(kāi)拓船舶智能制造藍海
世界貿易運輸，90%靠海運。
船舶的設計制造創(chuàng )新性強、科技含量高，是船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展引擎。
7月，我國自主研發(fā)設計建造、擁有自主知識產(chǎn)權的純電池動(dòng)力集裝箱船N997輪首航。
9月，采用集成操作系統、覆蓋5G信號的我國首艘大型郵輪完成試航。
當前，綠色、智能已成為船舶設計制造業(yè)轉型升級的主旋律。
“船舶不同于汽車(chē)等陸地運輸工具，其生產(chǎn)制造具有多品種、小批量、結構系統復雜的特點(diǎn)，因而標準化、模塊化程度不高。數字化的系統可以彌補這一劣勢?！辈坛蓾f(shuō)，利用數字孿生技術(shù)，可以形成一些通用的軟件模塊，如感知、決策、控制、環(huán)境等，大大促進(jìn)智能船舶的模塊化“柔性定制”組裝，加速推動(dòng)船舶智能技術(shù)的快速發(fā)展。
AI時(shí)代的船舶設計制造行業(yè)如何實(shí)現轉型升級？新型船舶如何高效地完成安全性、穩定性等各類(lèi)性能驗證？
“‘海豚1’就是要為中國船舶智能技術(shù)的發(fā)展建起一座流動(dòng)的海上實(shí)驗室，以加速我國船舶智能技術(shù)的迭代進(jìn)程?！毕墓鹑A說(shuō)，“海豚1”上可以搭載各種智能系統，通過(guò)數據積累、模型分析，為未來(lái)智能船舶的設計提供高效優(yōu)化的方案。
“‘海豚1’船艙各處都配備了接通實(shí)驗設備的接口，設有制作實(shí)驗工具的必要器具?！眲⒅玖纸榻B，這艘船是一個(gè)開(kāi)放的系統，采用模塊化設計，所有內部系統都留有接口，以滿(mǎn)足船舶與海洋技術(shù)裝備的實(shí)驗需求。
在這個(gè)“流動(dòng)實(shí)驗室”的支撐下，團隊順利完成了智能船舶自主航行、遠程遙控、多尺度多模態(tài)智能船舶感知等一系列智能船舶關(guān)鍵技術(shù)的示范驗證，未來(lái)還將為船舶工業(yè)軟件的自主研發(fā)提供實(shí)船試驗驗證條件。
哈爾濱工程大學(xué)正在聯(lián)合行業(yè)優(yōu)勢單位，共同成立智能航行設備的行業(yè)聯(lián)盟。未來(lái)聯(lián)盟內的成員單位都可以利用“海豚1”進(jìn)行實(shí)驗，積極推動(dòng)智能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
“數字化是智能化的基礎，工業(yè)軟件是實(shí)現數字化的手段，船舶數字與智能控制是未來(lái)船舶發(fā)展的主要方向?！毕墓鹑A表示，包括綠色化、智能化等多個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)的船舶設計升級，不僅可以開(kāi)拓我國船舶制造業(yè)發(fā)展的新藍海，還能在國際船舶制造市場(chǎng)上展現綠色智能高端船型“中國創(chuàng )造”的風(fēng)采。 【編輯:劉陽(yáng)禾】
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