中船集团业态融合体系实践

1.全球船舶业的寒冬

二十世纪八十年代开始，随着中国改革开放进程的推进和国际经济形势的大繁荣，航运业以及船舶制造业经历了飞速增长的过程，大宗商品运输需求高涨，航运企业老旧船型升级改造需求强烈，造船企业订单过多，全部生产线满负荷生产仍不能满足船东的要求，生产线改扩建工作如火如荼。截止2014年，中国集装箱吞吐量为世界第一，船队规模为世界第四，造船业独占全球40%以上的订单，这些数字表明中国已成为世界海运大国和造船大国。然而，任何市场都有其经济规律和周期，船舶业也不例外，自2008年全球经济危机开始，航运业陷入了长期的不景气周期，运价指数连年下滑，企业亏损日益加剧。航运业大幅亏损的多米诺效应影响到船舶制造端，部分造船订单开始减少，甚至已开工建设的订单也遭到了毁约，越来越多的造船企业申请破产重组，国内第一家国有船厂倒闭，苛刻的船舶订单出现等船舶业负面新闻频发。

在如此严峻的经济形势下，造船企业面临巨大的挑战，船舶本身的生产能力、质量和装备科技水平等因素在增量需求严重下降的情况下，并不能够为企业创造更大的市场和收入。然而市场上已有的存量船舶依然在运营，比起扩大船队的规模，航运公司更加关心如何去使用和运营好已有的船队，如果能够优化运营效率和运维费用，就能够在竞争激烈的航运市场中占据先机。

这样的需求使中国船舶工业集团意识到行业整体解决方案的重要性，需要将船舶制造的全产业链能力以客户价值为导向进行整合，为航运企业提供船舶交付后的持续增值服务，在为船东创造“无忧船舶”和“无忧运营”解决方案的同时，与之分享资源运营效率提升所带来的红利。

在思考如何实现这样的解决方案之前，我们先来看看船厂、船东、船员之间的矛盾：

船厂方面：随着订单量的持续下降，大量造船企业因产能过剩、回款缓慢而度日维艰，在此情况下，一些船厂尝试升级造船生产线，提高生产管理信息化程度等手段，缩短造船周期，降低造船成本，提高造船利润。但是，制造端的升级改造，远远无法应对当前航运市场大环境下船东对于船舶的低价要求。船舶装备和制造技术的升级需要成本的投入，而产生的新成本却不可能由船东来买单，这使造船企业在探索突围方面时感到矛盾和迷茫。

船东：远洋运输需求的降低使船东在新船采购上的投入更加谨慎，在市场不景气的环境下，船东对于资金链问题尤为重视，即便是船厂降价销售，购买新船的集中投入依然会带来较大资金风险；与此同时，海运市场的低迷使得货运数量和价格持续下降，而船舶的运营成本却居高不下，更进一步削弱了船东的新船采购意愿。

船员：“90后船员”已经成为了一种现象问题，独生子女船员很难适应枯燥、单调的船上工作和生活。传统模式下，培养一个优秀的船员需要5～10年，随着越来越多的老船员退休，经验丰富和技术可靠的船员严重匮乏是海运行业面临的共同问题，部分企业甚至发生了有船却无人开船的现象。因此，航运业需要创新型的船员培养模式和船舶运营技术，快速提高船员的技能水平，同时降低操作对于船员经验的依赖程度。

2.基于CPS的船舶行业解决方案

中国船舶工业集团公司作为中国船舶工业的主要力量之一，为了探索适应中国船舶制造业和远洋航运业的转型发展方案，率先开展了基于CPS船舶行业解决方案的探索。集团下属的中国船舶工业系统工程研究院/中船电子科技有限公司，在2010年率先在船舶领域开展了CPS体系在海洋装备领域的研究与应用实践，并联合IMS中心于2013年成立了中国船舶领域首个以CPS技术体系性研发与应用的“海洋装备信息智能管理与应用技术创新中心”，2016年，中心更名为海洋智能技术中心（OITC），进一步整合优势力量，深度探索基于工业大数据的CPS智能技术研究与应用。

海洋智能技术中心结合中国海洋装备技术和应用特点，重点打造“一硬、一软、一网、一云”的应用体系，研制了中国首个以装备全寿命周期视情使用、视情管理和视情维护为核心，面向船舶与航运智能化的智能船舶运行与维护系统（smart-vessel operation and maintenance system，SOMS），并进一步面向船舶（个体）、船队（群体）和产业链（社区）分别设计了由智能控制单元、智能管理单元和认知环境构成的CPS应用解决方案，为整个船舶产业链提供面向环境的智能、面向状态的智能、面向集群的智能和面向任务的智能。

在船舶的智能运行与维护方面，海洋智能技术中心研发了船舶智能体作为船舶运行数据建模和分析算法的载体，通过模型在不同船舶之间的协同学习与转移技术实现船舶智能体在集群环境和大数据环境中的自主成长能力。在实时接入上千种传感器数据的基础上，独立为船端用户的活动提供实时快速的决策支持。同时，以模型化方式与北京认知中心进行知识交互，并在北京工业大数据认知中心与智能信息服务平台的支持下，基于群体认知学习能力提供更深度的智能决策支持和智能体持续升级。

在面向船舶制造产业链的增值服务方面，海洋智能技术中心（OITC）在北京设置了工业大数据认知中心与智能信息服务平台，通过具有自主知识产权的CPS认知与决策系统（CPS cognition and decision system，CCDS），将船舶工业数据异构融合，在赛博空间进行映射，在机器学习的认知计算等智能分析技术的帮助下，完成了船舶设计、制造、运营流程的知识发现与行为预测；并通过智能信息服务平台以数据驱动的模型训练技术对外提供面向船舶设计、制造、管理、运营的视情决策支持。

通过工业大数据认知中心与智能信息服务平台，以及CCDS和智能体的技术布局，海洋智能技术中心（OITC）根据船舶产业应用对象的不同提出了三个层次的SOMS解决方案：

第一，面向船舶的“SOMS个体CPS体系解决方案”

船舶作为船舶行业的核心装备，既是整个产业链技术水平的集中体现，也是产业链智能化升级最重要的载体。SOMS个体解决方案设计了由感知、分析、决策和控制4个模块构成的智能控制单元，首先对典型的主力船型加装感知系统和分析系统，分析全船数据，通过OITC认知计算中心的强大运算能力和数据科学家队伍，训练认知模型，优化认知算法，以重点船舶的智能化带动船舶整体智能化发展。在为重点船舶提供视情决策和资源优化支持的基础上，利用模型移植结果将核心模型和关键算法制作成“CPS胶囊”，此后只需要在同型“姐妹船舶”上安装CPS胶囊，并接入简单的关键数据就可以实现大部分自主视情优化功能，无须进行感知网络的重复建设，有利于CPS技术和成果的高效率和低成本推广。

第二，船队-SOMS群体CPS体系解决方案

船队作为工业领域内最典型的装备集群，几乎具备了装备集群的所有特点和特征，同时由于船舶使用场景和任务的多样性，也出现了很多集群协同优化方面的智能化需求。SOMS群体解决方案为船队的直接关系用户，也就是船东，设计了由感知、分析、决策和管理4个模块构成的智能管理单元，在船舶智能化的基础上，结合中国船舶工业的实际情况，运用模型化传输手段实现了岸海一体分析决策流程，为船东提供了基于赛博-实体融和的群体认知学习环境，并通过智能信息服务平台，为船东提供视情使用和视情管理服务，在安全、经济和环保三个方面为船东提供自主成长的智能化服务支撑。

第三，产业链-SOMS社区CPS体系解决方案

在SOMS个体和群体解决方案的基础上，为了进一步在船舶产业进行CPS的应用推广，本着“数据驱动，融合创新”的理念，SOMS社区解决方案提供面向全产业链的全维度数据感知、综合的数据分析、定制的信息服务，以商船、渔船、执法船和关键设备等海洋领域核心装备为对象，向海洋领域核心活动的用户提供装备全寿命周期信息服务、智慧航运、货物产业链服务、智慧渔业管理等智慧化服务，以智能体和部署在船端、船东总部的分布式数据中心为数据来源，以OITC认知计算中心为数据认知、优化决策、信息服务的载体，以CCDS为核心，将不同领域用户以知识相连接，构建赛博-实体融和的船舶工业社区，实现CPS在船舶产业链的深度融合与广泛应用。

SOMS船舶、船队和产业链三种解决方案是依次递进、相互影响的，由于面临装备、船舶、船队和企业等众多对象，船舶的工作环境恶劣、任务场景复杂，SOMS解决方案既是装备建设解决方案，又是系统工程解决方案，更是体系工程解决方案，因此，SOMS解决方案在实现过程中需要相互依托、相互促进、循序渐进，整个SOMS体系工程分为三个建设阶段：

（1）第一阶段：CPS体系框架建设。海洋智能技术中心（OITC）建设由工业软件、感知控制硬件、船舶互联网、认知决策中心和信息服务中心组成的CPS框架体系，并在CPS认知决策系统进行重点攻关，同步开展主力船型和重点企业实践验证工作，为CPS体系应用和推广提供技术基础和实践案例。

（2）第二阶段：通过典型船舶和重点企业的示范带动作用，将SOMS解决方案在船舶产业链上下游进一步推广，由船舶使用端向船舶的设计、制造端延伸，最终实现SOMS技术体系在船舶产业的整体布局，为船舶产业的赛博-实体深度融和打下基础。

（3）第三阶段：通过船舶、船队和产业链的对象全面覆盖，实现SOMS解决方案在船舶设计、制造、使用流程的全面融入，真正实现船舶全产业链的赛博-实体深度融合与广泛融合，构建完整的CPS工业体系化应用，从而提升整个产业的工业智能化水平。

3.SOMS与智能船舶

以往的航线规划、经济性分析、主机监控、设备优化、能效管理和远程维护等功能系统都是相互分立的，各系统的数据独立而分散，造成各系统设备、线路、空间复用，资源利用率低，可扩展性差。国外如韩国智能船、欧洲无人船等智能船舶计划逐渐兴起并均处于实施阶段，对中国船舶智能化的发展带来不小的压力，对于占据世界第一大造船大国和航运大国位置的中国而言，如何发挥船舶制造与使用数据及产业链优势，通过构建船舶智能体和信息平台，制造出真正意义上的“无人自主船”，是中国船舶业由“大”变“强”的关键所在。

因此，国家工信部依据“十三五”国家科技创新专项规划，开展“智能船舶1.0”研发专项工程，该工程是“中国制造2025”发展的重点领域，也是对海洋强国战略的有效契合。海洋智能技术中心（OITC）的“SOMS个体解决方案”提出了基于CPS的船舶智能化解决方案，并率先在民用船舶领域开展了实船应用实践，受到了市场用户和领域专家的高度认可，在此基础上承担了工信部“智能船舶1.0”重大专项中“智能系统总体设计和船舶智能信息平台”“设备运行与维护智能系统”的研制任务，作为智能系统总体牵头单位，设计船舶智能体解决方案。

“SOMS个体解决方案”主要针对船舶智能化所面临的以下几个方面问题开展研究：

（1）面向船舶智能应用的系统架构及兼容性，即能够面向船舶级、船队级、船东企业级应用，设计全新的智能系统架构，并具备各型国际船舶设备、系统与应用功能的兼容性；

（2）船舶智能决策的分层策略问题，即根据船东-船队-单船-系统-设备，解决分层级的决策策略，包括各层级关联关系、包容关系、影响关系等研究；

（3）面向船舶航行的环境、对象、活动的自主分析与认知问题，即能通过智能核心技术，实现自感知、自记忆与自认知能力，逐步建立针对船舶全寿命周期的智能分析与思维体系；

（4）面向船舶航行安全性、经济性以及节能减排等所需有限调度资源的机制与方法问题，即进一步实现自决策与自重构能力；

（5）能够适应于民船运行需求的智能信息平台开发，即解决实现船岸一体、多船相互之间的信息共享与成本约束等问题。

因此，SOMS智能体，作为智能船舶1.0专项的核心组成，不会停留于单一的信息化和浅层的数据分析，而是要建设智能船的“思考能力”，通过对CPS的应用和实践，实现船舶“自感知-自记忆-自认知-自决策-自重构”的核心能力（见图5-8）。

图5-8 CPS对信息平台的智能化赋能过程

“SOMS个体解决方案”通过“智能船舶1.0”专项建设实践建立船舶智能化的感知、评估、分析和决策能力，为船舶更加经济和安全地运行提供决策支持，逐步实现全船信息集成与融合能力、智能思维能力和智能控制；并由单船的智能升级向全行业辐射，为智能船舶系统相关智能技术及产业提供指引，促进相关产业转型发展，提升中国船舶工业体系的综合竞争力。

4.SOMS与智能管理

对于船东企业来说，传统的船舶基础功能相对完善，已有成熟的信息系统应用，如自动化、网络、机务、通导等产品已极为成熟，但市场份额均被国外海事公司长期占据，这些应用不单价格昂贵，且相互独立、分散、数据分离，可扩展性差，并仅限于船基的应用，造成了新加系统的成本浪费，且船东无法全面掌握船舶信息，难以做到船队管理的优化、更难以从这些成熟分散的应用中节省成本和提升效益。

作为中国最早开展CPS研究和应用实践的船东之一，招商轮船在劳氏船级社的支持下，率先与中船集团签署战略合作协议，共同推进船舶智能化、航运管理智能化、岸海一体智能信息体系等方向的全面合作，并创造条件，推进“SOMS群体解决方案”的实船试装与实践应用。

目前“SOMS群体解决方案”已在招商轮船VLOC、VLCC等主力船型开展了实船试装与测试工作，并取得了阶段性成果。

“SOMS群体解决方案”从船东管理活动的角度出发，在船舶智能体的基础上，利用多源监测、预诊断、趋势预测、性能优化、精确运行、自主保障、供应链管理等多领域专业知识，在OITC认知计算中心利用CCDS对船舶工业大数据进行挖掘与分析，对船舶当前及未来的状态进行定量化评估，并结合船队管理的决策活动需求，实现从“精确设备”到“精确信息”的转变与应用，以智能信息服务平台为载体，为船东用户的使用、维修、管理等活动提供科学的决策支持（见图5-9）。

图5-9 SOMS系统应用示意

“SOMS群体解决方案”通过船队的综合状态、环境与活动信息，以工业大数据分析为手段，构建了以机器自主学习能力形成为目标的群体CPS应用体系，重点关注船队运行的安全性、经济性、高效性，目的是保障船舶安全，提高船舶能效，减少设备自身或人为因素造成的安全事故、燃油消耗，通过岸海一体服务能力，向船东用户提供从集控室、驾驶室到公司总部实现无缝信息交流与协同管理的可能性。

在招商轮船的大力支持和英国劳氏船级社的指导帮助下，SOMS系统于2015年在三大主力船型开展示范性应用，其中6.4万吨散货“明勇轮”作为全球首个搭载定制版SOMS系统的远洋大型船舶自2015年起已累计运行10080小时，有18个不同航段，积累大量航行数据，其中的健康管理和能效管理两大模块，实现了显著的油耗节省和“近零故障”（near-zero breakdown），受到了船东的认可。

“SOMS群体解决方案”所取得的阶段成果包括：

（1）在船舶智能化方面，整体实现了由概念设计到实船系统的巨大跨越，通过两型船舶的示范应用，在智能船舶信息系统的设计与应用方面实现了国际上的引领；

（2）在船岸一体智能化方面，实现了工业大数据轻量化传输的国际先进技术突破及实船的应用验证，实现了岸海一体智能信息平台从架构到技术细节的工程化应用；

（3）在岸海信息服务系统方面，初步实现以定制化的船舶航行大数据分析为核心的信息服务模式与分析报告，实现了传统船队信息管理系统到数据驱动机器自主学习的CPS认知决策系统的升级。

5.SOMS与智慧海洋

科技是第一生产力，在建设海洋强国，推进21世纪海上丝绸之路建设的今天，科技兴海更成为发展海洋事业的强大动力。近年来，国家通过逐步实施“一带一路”“智慧海洋”等重要战略，把科技创新作为引领海洋经济转型升级的重要抓手，创建多种产学研紧密结合的科技兴海新模式，大力推进海洋科技成果转化和产业化，加快培育海洋新兴产业，为海洋经济持续健康快速发展做出重要贡献。而“智慧海洋”在我国船舶工业领域的实质，是一个业态融合的构成。

海洋智能技术中心（OITC）站在整个船舶产业链的高度上，提出了“SOMS社区解决方案”依托民用船舶的实践经验，结合CPS与工业大数据的价值理念，提出了“3-3-1”的船舶产业智能化体系，如图5-10所示，即基于工业大数据挖掘的分析、评估、预测和决策能力，建立多维赛博-实体空间的映射，实现环境、活动、目标、设备、系统、群体等多维状态一体的综合状态评估与分析，并面向各类用户的创值需求，形成船基三个产品（面向设备、面向系统、面向全船）、岸基三类用户服务（面向运营、面向生产、面向设计）和一个智能信息服务中心的体系结构，实现用户价值需求最大化的多维决策和协同优化支持。

图5-10 船舶产业智能化体系

“SOMS社区CPS体系解决方案”结合船舶领域的应用需求，构建了“装备端-CPS云端-用户端”三位一体的船舶领域CPS知识体系，实现知识的挖掘、积累、组织、成长和应用。该体系主要由CPS云智能胶囊、CPS数据分析与信息服务平台等核心部分组成，如图5-11所示。

图5-11 三位一体的船舶领域CPS知识体系

通过以CPS为核心的智能化技术的体系性应用，将知识从核心生产要素转化为核心生产力，进而达成将产能优势转化为知识优势的能力，从价值链底端向顶端转移的能力，以及海洋领域军警民高效协同的能力，在海洋管控、海洋经济、海洋军事、海洋执法等领域构建我国知识经济时代的重要保障，实现我国海洋领域寻找新经济增长点和军警民协同管控的双重任务。同时，进一步强化创新驱动，将实现海洋装备智能体改造，分布式数据中心建设，集中式的认知决策中心建设，以及定制化的智能运营服务，进一步做大做强海洋信息服务产业，实现海洋新兴产业突破性发展，推动现代海洋服务业大发展，加快海洋传统产业升级，完善现代海洋产业体系，打造升级版海洋经济。

“SOMS社区解决方案”，通过CPS在船舶产业的体系性应用，加快了船舶产业的两化融合步伐，给船舶产业带来了新的思路。例如造船和修船企业在未来的市场环境中需要依托更高附加值和更节能环保的设计对成本进行控制；海洋运输市场最被看好的主要是能源运输和特种船运输；航运金融业未来需要在航运产业基金、航运融资租赁、资产证券化和运价衍生品四个方向大力发展；航运电商平台的发展需要有先进和清晰的理念模式进行指引等。同时，将船舶产业链企业用户以及政府管理机构有效的纳入同一个知识互动体系当中，创造了基于智能船舶的业态融合新形态。