深瞳工作室出品
科技日報記者 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(yù)警聲打斷?！昂ｋ?”的首航航線上出現(xiàn)了成片的浮球，浮球下方是一望無際的海產(chǎn)養(yǎng)殖場。
這讓中國首艘數(shù)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：“海圖上并沒有標注出這里有養(yǎng)殖場，怎么辦？臨時繞路已經(jīng)來不及，只能穿越這片‘暗礁’林立的迷亂之地。”
“繞開這些定位規(guī)律不明、確切坐標未知的浮球，它能做到嗎？”
這一問題在張智腦中一閃而過時，然而，“海豚1”上裝載的激光雷達、固態(tài)雷達、全景紅外視覺系統(tǒng)以及它百兆每秒的數(shù)據(jù)處理速度又讓張智覺著自己想多了。
憑借超高配置和決策能力，“海豚1”僅用了很短時間就解決了首航中遇到的難題，巧渡“險灘”。
在10月12日召開的世界航海裝備大會上，哈爾濱工程大學(xué)展廳中展出的“海豚1”受到廣泛關(guān)注，當參觀者了解到該船在信息融合、態(tài)勢感知、數(shù)字孿生等三個方面達到的智能化水平時，忍不住嘖嘖稱贊。
由“海豚1”出征領(lǐng)航，中國智能船舶高質(zhì)量發(fā)展之路邁出了扎實一步。
“海豚1”從山東煙臺蓬萊港首航。郭健楠 攝
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，歐美日韓等多個國家都開啟了大型計劃以提升船舶智能化水平。
“隨著人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的深化應(yīng)用，船舶智能化已經(jīng)遠遠超過了最初的‘信息化’定義范疇?！焙邶埥 邦^雁團隊”、哈爾濱工程大學(xué)數(shù)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時介紹，團隊研發(fā)的數(shù)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(nèi)精確探測水面上0.5米高微小目標的過人之處，更獨特的是態(tài)勢智能感知、超前預(yù)判等AI技術(shù)賦予了它“智慧”。
“在陸地上，智能網(wǎng)聯(lián)汽車正在改變交通的安全性、能源的利用效率，正朝著智能駕駛，甚至無人駕駛邁進。在海洋里，智能船舶的變革也在迎頭趕上。”夏桂華說。
“海豚1”開啟了未來智慧船舶打造“智能眼、智能耳、智慧腦”的先河，將在進一步完善后賦能中國船舶制造，為未來智慧船舶的主要系統(tǒng)和關(guān)鍵設(shè)備全自主技術(shù)能力的形成奠定堅實基礎(chǔ)。
“要實現(xiàn)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(shù)字與智能技術(shù)創(chuàng)新團隊技術(shù)負責人朱齊丹教授說。該團隊積累了豐富的智能船舶設(shè)計制造建模、計算等研究成果，能通過實尺度船舶動力學(xué)建模、航行水動力性能仿真、動力系統(tǒng)仿真、風浪流場仿真等，為智能船舶提供高精準信息?！跋喈斢诳梢栽诮咏鼘嵈沫h(huán)境中進行預(yù)先演練，賦予‘海豚1’預(yù)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，團隊收集了幾萬張、涵蓋多種場景的實船圖片，一張張地精確標注、整理分析，最終形成一個數(shù)據(jù)集，用于人工智能的機器學(xué)習(xí)；在核心模塊的支持下，“海豚1”能夠以每秒數(shù)百兆的速度實時采集、處理外來的多源信息數(shù)據(jù)……
這些都讓“海豚1”能夠?qū)崟r自主繞開障礙、規(guī)劃最優(yōu)航線，仿佛一個可以應(yīng)對未知世界的“神算子”。
哈爾濱工程大學(xué)自主研發(fā)的全景視覺感知系統(tǒng)。郭健楠 攝
“海豚1”有個“數(shù)字分身”
從外觀看，“海豚1”嬌小而普通。它僅有25米長，排水量也只有100噸。但它與其他船最大的區(qū)別是，在虛擬世界中有一個能為它預(yù)言的“數(shù)字孿生體”。
要知道，虛擬世界最大的優(yōu)勢是試錯成本低。試想如果有一個虛擬人提前演繹了你生活中的缺憾，你在真實生活里還會讓缺憾發(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(yù)演航行。
“實體船停止了，虛擬船可以繼續(xù)航行。”張智說，這樣就可以為實船預(yù)判它接下來航行的策略，預(yù)判可能的危險，并試驗遇到這些危險狀況時該怎樣操縱，保證實船運行安全。
“我們希望將‘海豚1’的智慧‘復(fù)制’給萬千船舶。但又不能一個一個地教，船舶數(shù)字孿生集成軟件平臺及其應(yīng)用系統(tǒng)的作用就是要像老師一樣‘傳道授業(yè)’。”夏桂華告訴記者，虛實交互的平臺為智能船舶測試提供一個比現(xiàn)實環(huán)境更多變、更豐富的“演練場”。
未來，“海豚1”所依托的高效測試、驗證、運行、調(diào)度、管控平臺，或可應(yīng)用于自主智能船舶前期研發(fā)、中期測試、后期運營等，加快我國自主智能船舶在可達海域的應(yīng)用和部署步伐。
大海中的環(huán)境瞬息萬變，與船舶航行相關(guān)的因素何止萬千。如何才能構(gòu)建一個涵蓋虛擬船、虛擬海洋、虛擬天氣環(huán)境等映射現(xiàn)實世界，且具有精準模擬功能的推演平臺呢？
夏桂華給出虛實交互的關(guān)鍵秘訣：“在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，虛與實是動態(tài)辯證的關(guān)系，簡單概括就是‘從實到虛’‘從虛到實’，最后實現(xiàn)‘以虛控實’?！?/p>
遵循這一原則，團隊依據(jù)真實物理空間的船舶和其航行的海洋環(huán)境，構(gòu)造出數(shù)字孿生船舶以及數(shù)字“賽博”海洋環(huán)境，并通過信息和人工智能技術(shù)，讓虛實之間實時交互聯(lián)通。
在“海豚1”的船艙里、在黃島和哈爾濱的船舶遠程數(shù)字支持控制中心，都可以看到實時“海豚1”實時同步的“虛擬船”。它不僅對本體的機械結(jié)構(gòu)、主機系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、裝備部件以及管線電路系統(tǒng)等進行了數(shù)字再現(xiàn)，還與“海豚1”的感知系統(tǒng)、操控系統(tǒng)完全打通。
“虛擬船中的數(shù)字建模，可以對實體船進行遠程支持控制，實現(xiàn)智能船舶的自主航行、自動靠離泊和自動避碰等作業(yè)環(huán)節(jié)?！睆堉钦f，“海豚1”的落地解決了基于數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)船舶遠程數(shù)字支持自主航行的關(guān)鍵問題，為未來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(chǔ)技術(shù)支撐。
“海豚1”智能駕控系統(tǒng)。郭健楠 攝
兩次原始創(chuàng)新扎牢技術(shù)根基
“這并非一個全新的領(lǐng)域?！眻F隊系統(tǒng)首席蔡成濤教授說，工業(yè)數(shù)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啟了數(shù)字孿生智能船舶的研制。例如，韓國2012年開始建造智能船舶，以促進船舶的信息化、自動化、智能化以及綠色節(jié)能發(fā)展。
中國的選擇是：謀定而后動。
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(shù)值水池虛擬試驗系統(tǒng)V1.0，通過了中國船級社和法國BV船級社的國內(nèi)、國際雙認證。
這是世界上首次實現(xiàn)的億級網(wǎng)格量的大規(guī)模高效并行計算，它能夠為船舶與海洋工程設(shè)計、試航和運行提供極為精細的水動力性能模擬。
“當時的潮流是數(shù)據(jù)驅(qū)動，就像會下圍棋的阿爾法狗，在一定的算法支持下，通過海量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練產(chǎn)生固定任務(wù)中的‘智能’?！睆堉钦f，但夏桂華沒有帶領(lǐng)團隊走這條路。
“數(shù)據(jù)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(chǔ)上實現(xiàn)高精度運算。”夏桂華說，要在船舶工業(yè)中落地應(yīng)用的數(shù)字化系統(tǒng)必須滿足兩個條件：首先需要建立盡可能精準的模型，其次要通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型迭代升級。
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(jié)奏。
正因如此，當2019年智能船舶與數(shù)字孿生技術(shù)的研究開始實施時，夏桂華再次選擇了源頭創(chuàng)新。
“我和夏老師曾經(jīng)是有過爭論的。我覺得開源平臺上的架構(gòu)、模型是很多人工智能愛好者打磨出來的，已經(jīng)足夠豐富和扎實了。夏老師卻堅持源頭創(chuàng)新?！睆堉钦f，回過頭看，做這樣的決定是有遠見的，作為工業(yè)數(shù)字化的基座，底層代碼服務(wù)于長遠發(fā)展、服務(wù)于國家戰(zhàn)略，必須牢固。
源頭創(chuàng)新的決定不僅扎牢了數(shù)字孿生技術(shù)這棵大樹的根基，也讓技術(shù)的應(yīng)用“枝繁葉茂”。
“在船舶數(shù)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，如果當時抱著交差的思想做事情，團隊得不到歷練，而現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)里的代碼是團隊一個一個敲出來的，團隊對其底層、內(nèi)核的機理規(guī)律理解非常透徹。
研發(fā)團隊成員調(diào)試“海豚1”數(shù)字孿生系統(tǒng)。郭健楠 攝
未來遠程“代駕”將乘風破浪
一陣大風襲來，大浪隨之興起，一浪高過一浪。海平面上的環(huán)境剛剛還是晴空萬里、寧靜祥和，馬上變成波濤激蕩、暗流洶涌，船體跟著劇烈搖擺起來。
“在威海到乳山的航段風比較大，‘海豚1’劇烈橫搖，船上的研究人員幾乎都暈船了，躺著不敢動?！睆堉腔貞浧鹗缀降慕?jīng)歷：盡管感到難受，但一點也不必擔心。因為，有“海豚1”的數(shù)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數(shù)字孿生系統(tǒng)，能直接獲取“海豚1”的所有感知數(shù)據(jù)，成為船員開船的“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(shù)字支持中心，由于受衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)帶寬數(shù)據(jù)傳輸容量所限，尚只能傳輸少量數(shù)據(jù)，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，遠程“代駕”能駛出港灣真正做到“乘風破浪”。對此，團隊成員信心滿滿。
“未來，我們在智能船舶態(tài)勢智能感知系統(tǒng)的輔助下，即使不在現(xiàn)場也能準確把握周圍環(huán)境態(tài)勢，輕松駕船。”“海豚1”團隊成員劉志林教授說。團隊開發(fā)了綜合信息融合軟件系統(tǒng)，能把全景視覺、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(dǎo)航、實時衛(wèi)星遙感等獲得的信息融合到一起，進行分析、測算，同步構(gòu)建數(shù)字海洋環(huán)境，實現(xiàn)船舶航行態(tài)勢智能感知，指導(dǎo)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(yīng)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(yǎng)殖場“迷陣”，是靠另一種叫做“固態(tài)雷達”的設(shè)備定位標記、順利闖關(guān)的。北京海蘭信數(shù)據(jù)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?qū)B(yǎng)殖區(qū)一串一串的浮球清晰標記出來。
“海豚1”的視覺系統(tǒng)也分為紅外和可見光兩套。兩套360度全景視覺系統(tǒng)均由12路拼接高分辨率攝像頭組成，可以通過嵌入式系統(tǒng)將采集到的船舶航行視覺信息快速存儲，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(tǒng)。
高精度的傳感設(shè)備、實時的信息傳輸、先進的算法模型，將共同為未來的船舶描繪出顛覆性變革，遠程“代駕”或許只是其中的一個典型應(yīng)用。
從鄭和七下西洋到哥倫布環(huán)球旅行，人類征服大海的步伐從未止步。“馭海之術(shù)”走入AI時代，人類有望在降低出海風險、減少能源消耗的同時獲得最大的運營效率。不止如此，在自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自進化等算法的加持下，船舶自身各系統(tǒng)還能像智能手機一樣不斷迭代和優(yōu)化，隨時復(fù)現(xiàn)船舶系統(tǒng)任意時刻的狀態(tài)，推演或仿真未來時刻的“假設(shè)”場景，產(chǎn)生預(yù)判的應(yīng)對策略。
開拓船舶智能制造藍海
世界貿(mào)易運輸，90%靠海運。
船舶的設(shè)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(shè)計建造、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的純電池動力集裝箱船N997輪首航。
9月，采用集成操作系統(tǒng)、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(shè)計制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主旋律。
“船舶不同于汽車等陸地運輸工具，其生產(chǎn)制造具有多品種、小批量、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜的特點，因而標準化、模塊化程度不高。數(shù)字化的系統(tǒng)可以彌補這一劣勢?！辈坛蓾f，利用數(shù)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，大大促進智能船舶的模塊化“柔性定制”組裝，加速推動船舶智能技術(shù)的快速發(fā)展。
AI時代的船舶設(shè)計制造行業(yè)如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級？新型船舶如何高效地完成安全性、穩(wěn)定性等各類性能驗證？
“‘海豚1’就是要為中國船舶智能技術(shù)的發(fā)展建起一座流動的海上實驗室，以加速我國船舶智能技術(shù)的迭代進程?！毕墓鹑A說，“海豚1”上可以搭載各種智能系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)積累、模型分析，為未來智能船舶的設(shè)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驗設(shè)備的接口，設(shè)有制作實驗工具的必要器具。”劉志林介紹，這艘船是一個開放的系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，所有內(nèi)部系統(tǒng)都留有接口，以滿足船舶與海洋技術(shù)裝備的實驗需求。
在這個“流動實驗室”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，未來還將為船舶工業(yè)軟件的自主研發(fā)提供實船試驗驗證條件。
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(shè)備的行業(yè)聯(lián)盟。未來聯(lián)盟內(nèi)的成員單位都可以利用“海豚1”進行實驗，積極推動智能船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
“數(shù)字化是智能化的基礎(chǔ)，工業(yè)軟件是實現(xiàn)數(shù)字化的手段，船舶數(shù)字與智能控制是未來船舶發(fā)展的主要方向?！毕墓鹑A表示，包括綠色化、智能化等多個關(guān)鍵核心技術(shù)的船舶設(shè)計升級，不僅可以開拓我國船舶制造業(yè)發(fā)展的新藍海，還能在國際船舶制造市場上展現(xiàn)綠色智能高端船型“中國創(chuàng)造”的風采。
