深瞳工作室出品
科技日報(bào)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(yàn)船“海豚1”首航領(lǐng)隊(duì)、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(biāo)注出這里有養(yǎng)殖場，怎么辦？臨時(shí)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(biāo)未知的浮球，它能做到嗎？”
這一問題在張智腦中一閃而過時(shí)，然而，“海豚1”上裝載的激光雷達(dá)、固態(tài)雷達(dá)、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(shí)間就解決了首航中遇到的難題，巧渡“險(xiǎn)灘”。
在10月12日召開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(dāng)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(gè)方面達(dá)到的智能化水平時(shí)，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(shí)一步。
?“海豚1”從山東煙臺(tái)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(gè)國家都開啟了大型計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最初的‘信息化’定義范疇?！焙邶埥 邦^雁團(tuán)隊(duì)”、哈爾濱工程大學(xué)數(shù)字與智能技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人夏桂華教授接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的數(shù)字孿生智能科研試驗(yàn)船以“海豚”為名，是因?yàn)楹ｋ嗍侵悄艿南笳鳌?/p>
“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(biāo)的過人之處，更獨(dú)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(jìn)。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(jìn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
“要實(shí)現(xiàn)這樣的跨越必須為‘海豚1’裝上真正的‘超級(jí)大腦’?！惫枮I工程大學(xué)數(shù)字與智能技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)技術(shù)負(fù)責(zé)人朱齊丹教授說。該團(tuán)隊(duì)積累了豐富的智能船舶設(shè)計(jì)制造建模、計(jì)算等研究成果，能通過實(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(tǒng)仿真、風(fēng)浪流場仿真等，為智能船舶提供高精準(zhǔn)信息?！跋喈?dāng)于可以在接近實(shí)船的環(huán)境中進(jìn)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(tuán)隊(duì)收集了幾萬張、涵蓋多種場景的實(shí)船圖片，一張張地精確標(biāo)注、整理分析，最終形成一個(gè)數(shù)據(jù)集，用于人工智能的機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)自主繞開障礙、規(guī)劃最優(yōu)航線，仿佛一個(gè)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(gè)“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(gè)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(cuò)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(tuán)隊(duì)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(shí)體船停止了，虛擬船可以繼續(xù)航行?！睆堉钦f，這樣就可以為實(shí)船預(yù)判它接下來航行的策略，預(yù)判可能的危險(xiǎn)，并試驗(yàn)遇到這些危險(xiǎn)狀況時(shí)該怎樣操縱，保證實(shí)船運(yùn)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(gè)一個(gè)地教，船舶數(shù)字孿生集成軟件平臺(tái)及其應(yīng)用系統(tǒng)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(tái)為智能船舶測試提供一個(gè)比現(xiàn)實(shí)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(yàn)證、運(yùn)行、調(diào)度、管控平臺(tái)，或可應(yīng)用于自主智能船舶前期研發(fā)、中期測試、后期運(yùn)營等，加快我國自主智能船舶在可達(dá)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(gè)涵蓋虛擬船、虛擬海洋、虛擬天氣環(huán)境等映射現(xiàn)實(shí)世界，且具有精準(zhǔn)模擬功能的推演平臺(tái)呢？
夏桂華給出虛實(shí)交互的關(guān)鍵秘訣：“在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，虛與實(shí)是動(dòng)態(tài)辯證的關(guān)系，簡單概括就是‘從實(shí)到虛’‘從虛到實(shí)’，最后實(shí)現(xiàn)‘以虛控實(shí)’?！?/p>
遵循這一原則，團(tuán)隊(duì)依據(jù)真實(shí)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(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(yuǎn)程數(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)、主機(jī)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、裝備部件以及管線電路系統(tǒng)等進(jìn)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(shí)體船進(jìn)行遠(yuǎn)程支持控制，實(shí)現(xiàn)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(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(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程數(shù)字支持自主航行的關(guān)鍵問題，為未來基于遠(yuǎn)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(gè)全新的領(lǐng)域?！眻F(tuán)隊(duì)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(jìn)船舶的信息化、自動(dòng)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(dòng)。
2015年，哈爾濱工程大學(xué)與中船集團(tuán)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(yàn)系統(tǒng)V1.0，通過了中國船級(jí)社和法國BV船級(jí)社的國內(nèi)、國際雙認(rèn)證。
這是世界上首次實(shí)現(xiàn)的億級(jí)網(wǎng)格量的大規(guī)模高效并行計(jì)算，它能夠?yàn)榇芭c海洋工程設(shè)計(jì)、試航和運(yùn)行提供極為精細(xì)的水動(dòng)力性能模擬。
“當(dāng)時(shí)的潮流是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，就像會(huì)下圍棋的阿爾法狗，在一定的算法支持下，通過海量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練產(chǎn)生固定任務(wù)中的‘智能’。”張智說，但夏桂華沒有帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)算?！毕墓鹑A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(gè)條件：首先需要建立盡可能精準(zhǔn)的模型，其次要通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型迭代升級(jí)。
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(dāng)2019年智能船舶與數(shù)字孿生技術(shù)的研究開始實(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)是有過爭論的。我覺得開源平臺(tái)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(shí)了。夏老師卻堅(jiān)持源頭創(chuàng)新?！睆堉钦f，回過頭看，做這樣的決定是有遠(yuǎn)見的，作為工業(yè)數(shù)字化的基座，底層代碼服務(wù)于長遠(yuǎn)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(rèn)的‘領(lǐng)頭羊’。”張智說，如果當(dāng)時(shí)抱著交差的思想做事情，團(tuán)隊(duì)得不到歷練，而現(xiàn)在數(shù)字孿生系統(tǒng)里的代碼是團(tuán)隊(duì)一個(gè)一個(gè)敲出來的，團(tuán)隊(duì)對其底層、內(nèi)核的機(jī)理規(guī)律理解非常透徹。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員調(diào)試“海豚1”數(shù)字孿生系統(tǒng)。郭健楠 攝
未來遠(yuǎn)程“代駕”將乘風(fēng)破浪
一陣大風(fēng)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(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?fù)?dān)心。因?yàn)?，有“海?”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(gè)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(qiáng)輔助”。
而在距離海上千里之遙的哈爾濱工程大學(xué)61號(hào)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(yuǎn)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(yuǎn)程“代駕”，但在不久的將來，遠(yuǎn)程“代駕”能駛出港灣真正做到“乘風(fēng)破浪”。對此，團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確把握周圍環(huán)境態(tài)勢，輕松駕船?！薄昂ｋ?”團(tuán)隊(duì)成員劉志林教授說。團(tuán)隊(duì)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(dá)、固態(tài)雷達(dá)等硬件獲得的信息，與電子海圖、北斗導(dǎo)航、實(shí)時(shí)衛(wèi)星遙感等獲得的信息融合到一起，進(jìn)行分析、測算，同步構(gòu)建數(shù)字海洋環(huán)境，實(shí)現(xiàn)船舶航行態(tài)勢智能感知，指導(dǎo)船舶航行的遠(yuǎn)程操控。
“海豚1”上的激光雷達(dá)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(dá)已成功應(yīng)用在嫦娥3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)月球探測器上。此次，他們?yōu)椤昂ｋ?”特制了一款激光雷達(dá)。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(dá)，船舶的激光雷達(dá)探測要求為4公里，這相當(dāng)于要將探測指標(biāo)提高40倍?！?/p>
而在“海豚1”首航當(dāng)天遇到的養(yǎng)殖場“迷陣”，是靠另一種叫做“固態(tài)雷達(dá)”的設(shè)備定位標(biāo)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(dá)。該公司總師李常偉介紹，固態(tài)雷達(dá)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(biāo)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(chǔ)，并快速計(jì)算合成一幅渾然一體的360度全景圖，回傳給遠(yuǎn)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(shí)時(shí)的信息傳輸、先進(jìn)的算法模型，將共同為未來的船舶描繪出顛覆性變革，遠(yuǎn)程“代駕”或許只是其中的一個(gè)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?！榜S海之術(shù)”走入AI時(shí)代，人類有望在降低出海風(fēng)險(xiǎn)、減少能源消耗的同時(shí)獲得最大的運(yùn)營效率。不止如此，在自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自進(jìn)化等算法的加持下，船舶自身各系統(tǒng)還能像智能手機(jī)一樣不斷迭代和優(yōu)化，隨時(shí)復(fù)現(xiàn)船舶系統(tǒng)任意時(shí)刻的狀態(tài)，推演或仿真未來時(shí)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(lán)海
世界貿(mào)易運(yùn)輸，90%靠海運(yùn)。
船舶的設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新性強(qiáng)、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(jì)建造、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(tǒng)、覆蓋5G信號(hào)的我國首艘大型郵輪完成試航。
當(dāng)前，綠色、智能已成為船舶設(shè)計(jì)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主旋律。
“船舶不同于汽車等陸地運(yùn)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(diǎn)，因而標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化程度不高。數(shù)字化的系統(tǒng)可以彌補(bǔ)這一劣勢。”蔡成濤說，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(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(shè)計(jì)制造行業(yè)如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)？新型船舶如何高效地完成安全性、穩(wěn)定性等各類性能驗(yàn)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(yàn)室，以加速我國船舶智能技術(shù)的迭代進(jìn)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(jì)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(yàn)設(shè)備的接口，設(shè)有制作實(shí)驗(yàn)工具的必要器具?！眲⒅玖纸榻B，這艘船是一個(gè)開放的系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)需求。
在這個(gè)“流動(dòng)實(shí)驗(yàn)室”的支撐下，團(tuán)隊(duì)順利完成了智能船舶自主航行、遠(yuǎn)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(yàn)證，未來還將為船舶工業(yè)軟件的自主研發(fā)提供實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，積極推動(dòng)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(shí)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(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)的船舶設(shè)計(jì)升級(jí)，不僅可以開拓我國船舶制造業(yè)發(fā)展的新藍(lán)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(fēng)采。
