技術(shù)改變世界。多年來，挪威船級社（DNV）的研究和創(chuàng)新部門根據(jù)自身在相關(guān)領(lǐng)域的專長和能力，提出了對于未來十年的技術(shù)展望。DNV新近出版的《2020年技術(shù)展望》，探討并總結(jié)了對全球新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用具有重大影響的七大趨勢。

人口：全球人口總量到2020年將超過75億。西方、中國和日本的人口正在走向老齡化，中東人口卻走向年輕化，很多發(fā)達(dá)國家的工作年齡人口的比例在減小。自然資源的壓力、城市化、自然災(zāi)難和地區(qū)沖突都是造成國內(nèi)和國際人口遷移的刺激因素。

經(jīng)濟(jì)：工業(yè)革命將世界經(jīng)濟(jì)中心從亞洲轉(zhuǎn)至西方，現(xiàn)在情況正在逆轉(zhuǎn)。全球不同地區(qū)間的人口轉(zhuǎn)移意味著越來越多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出將發(fā)生在目前的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體之外，這可能會造成更大規(guī)模的社會轉(zhuǎn)變，形成新的商業(yè)機(jī)會，但同時會對環(huán)境造成進(jìn)一步壓力。到2020年，全球中產(chǎn)階級的規(guī)?？赡軙黾右槐叮渲衼喼迣嫉?0%。

治理：當(dāng)前的政府治理架構(gòu)主要是在二次世界大戰(zhàn)后的環(huán)境中形成的，歐盟、金磚四國、維基解密和臉譜等現(xiàn)象那時還未出現(xiàn)，而這些現(xiàn)象對當(dāng)前世界產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。解決全球化的利弊是很嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，還沒有形成適合集體行動的治理架構(gòu)，缺少對全球問題比如金融穩(wěn)定性、貿(mào)易、氣候變化、水和安全等的有效而統(tǒng)一的治理，將是未來十年的風(fēng)險來源。

信息技術(shù)：信息技術(shù)對個人生活、工商業(yè)甚至整個社會產(chǎn)生了巨大影響。信息很容易產(chǎn)生而且可以共享，數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)檢索和安全方面的挑戰(zhàn)。隨著廉價、小型、功能更強大的計算機(jī)的推廣使用以及無線連通能力的增強，不僅促進(jìn)了自動化和泛在計算，同時也產(chǎn)生了與集成軟件密集型系統(tǒng)相關(guān)的安全和（網(wǎng)絡(luò)）保安問題。

能源：以環(huán)保、可持續(xù)的方式以及可支付得起的價格提供能源是人類所面臨的重大挑戰(zhàn)之一，加之對能源供應(yīng)安全性問題的考量，這一挑戰(zhàn)變得越來越復(fù)雜。全球能源消耗到2020年將增長19%，雖然全球能源構(gòu)成仍然主要是油、氣和煤，但未來十年會發(fā)生變化，將向低碳能源邁出第一步。

自然資源：資源過度開采是人類所面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。水資源將面臨短缺，稀土資源稀缺可能會阻礙替代性技術(shù)的發(fā)展，城市人口的增加會帶來新的挑戰(zhàn)，但是也帶來了廢物循環(huán)利用的機(jī)會。解決這些資源問題雖然任務(wù)繁重，但也不是不可逾越的。

氣候變化：氣候?qū)W家認(rèn)為在未來的三十到五十年內(nèi)會不可避免地發(fā)生重要的不利影響。有些變化已經(jīng)可以明顯察覺到了，如果人們還一如既往，那么全球溫室氣體排放到2020預(yù)計增長20%。未來十年是非常關(guān)鍵的十年，要考慮如何以合理的成本來長久實現(xiàn)減排，同時防止達(dá)到不可逆轉(zhuǎn)的傾覆點。

全球趨勢將會直接或間接地影響未來技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。DNV分析了四大領(lǐng)域的未來技術(shù)：海事航運、石化能源、可再生能源及核能，以及動力系統(tǒng)。

全世界人口在2020年會達(dá)到75億，成熟經(jīng)濟(jì)體和新興經(jīng)濟(jì)體在人口構(gòu)成和發(fā)展程度方面的差異越來越顯著。隨著生活方式越來越資源密集以及人口的不斷增加，海運量注定也將增加。全球船舶數(shù)量將不斷增加，但不同地區(qū)對不同船型的需求大相徑庭。

航運業(yè)面臨著開發(fā)可持續(xù)的運輸解決方案的壓力，會要求新建船舶具有更高環(huán)保、安全和保安的性能。這就要求更多地開發(fā)和實施創(chuàng)新性技術(shù)和操作解決方案，特別是提高環(huán)保性能和能效。

與材料科學(xué)、阻力降低和推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的哪些技術(shù)發(fā)展會為面向2020年低能耗概念船的研發(fā)做出貢獻(xiàn)？

低能耗船舶——解決能源損失

燃料成本的高漲、市場的變化、整個行業(yè)對環(huán)境的關(guān)注，以及越來越嚴(yán)格的與污染排放和壓載水相關(guān)的法規(guī)要求，這一切都將導(dǎo)致船舶設(shè)計建造的重大調(diào)整。材料科學(xué)、降低阻力、推進(jìn)系統(tǒng)和能效方面的技術(shù)發(fā)展將為新概念船舶奠定基礎(chǔ)。

氣泡潤滑

通過完善船舶設(shè)計可最大程度減低船舶的興波阻力，但摩擦阻力對大型慢速航行商船的影響更為重要。

氣泡潤滑系統(tǒng)采用在船體下方噴入氣體的方式，通過船舶底部的幾個小孔向水流噴射微型氣泡，干擾漩渦的產(chǎn)生，從而延遲高度耗散型紊流的產(chǎn)生（一般在船體周圍會產(chǎn)生高度耗散型紊流）。與渦流相比，層流的摩擦阻力小，可以降低摩擦阻力。

在2020年前需要解決相關(guān)機(jī)械裝置的不確定性、設(shè)備尺寸和技術(shù)的可行性，特別是必須消除擴(kuò)散的氣泡與推進(jìn)器之間可能產(chǎn)生的不利交互作用。

氣腔系統(tǒng)

在氣腔系統(tǒng)中，在船體底部開幾個凹槽，泵入壓縮空氣，填滿空間，形成連續(xù)氣腔，鋼鐵與海水的接觸面就變?yōu)楦饣?SPAN copyright="drcnet">的空氣與海水接觸面，有效地減少船舶的潮濕表面，減少摩擦力，通過這種方式有可能減少10%的油耗。氣腔中的空氣會不可避免地散失，需要持續(xù)注入氣體。

氣腔系統(tǒng)的不良副作用是在船體下方產(chǎn)生不穩(wěn)定的自由表面，在自由表面產(chǎn)生重力波以及氣泡擴(kuò)散到螺旋槳進(jìn)流區(qū)都會造成能量損失。

混合材料

通過降低船體重量可以降低污染排放，節(jié)約燃料。小型船舶和二級結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)材料，例如玻璃鋼、鋁和鈦。

可以采用多層金屬板和高分子復(fù)合材料層壓板制造復(fù)合材料，纖維-金屬層壓板具有金屬性能（高抗沖擊性、耐用性、生產(chǎn)靈活）以及復(fù)合材料的性能（強、硬度/重量比例高、抗疲勞和腐蝕性能高），金屬層可以是鋁或鋼板，而高分子夾心層可采用碳纖維或玻璃纖維強化。這些材料在航空業(yè)和特種船中的應(yīng)用為航運界做了示范，但是到2020年前大規(guī)模采用還不太可能，主要障礙包括成本高、制造和再回收的挑戰(zhàn)以及消防問題。

組合推進(jìn)系統(tǒng)

螺旋槳的效率受到單一設(shè)計速度、大槳葉、二沖程柴油發(fā)動機(jī)和直驅(qū)推進(jìn)的限制。

組合推進(jìn)系統(tǒng)概念綜合采用了螺旋槳、吊艙和增效設(shè)備（如前渦旋翅和后渦旋翅）。通過流體動力優(yōu)化，可以把反轉(zhuǎn)吊艙螺旋槳布置在螺距可調(diào)整的主螺旋槳后面，在飛羽化中心線螺旋槳旁設(shè)置可轉(zhuǎn)向吊艙，提高能效。

這些系統(tǒng)利用了各部分的流體動力優(yōu)點，通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)負(fù)荷擴(kuò)大了有效操作范圍。

盡管混合推進(jìn)器的設(shè)計和制造費用很高，但這項技術(shù)針對不同的利用率和船型（如集裝箱船和多用途船）可以節(jié)約最高10%的燃料。

無壓載水船舶

采用梯形船體和橫向傾斜船底可以保證空載時的穩(wěn)定性和吃水，不需要壓載水。為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的排水量，需要增加寬度和長度。

船首和船尾對調(diào)節(jié)任何裝載狀態(tài)下的縱傾非常重要。這種船舶因為增加了尺寸，同時要在部分裝載條件下保證足夠的強度，所以使用了更多的鋼鐵。目前看來采用兩個小壓載水艙來調(diào)整縱傾的混合型船舶更可行。

即使在2020年后，不采用壓載水船舶的建造費用仍然會很高，并且面臨著各種施工困難。其他競爭性的解決方案包括在船上處理壓載水，在碼頭上設(shè)置接收設(shè)施。

隨著環(huán)保法規(guī)的實施和燃油價格的上漲，天然氣和混合生物燃料會成為可行的解決方案。但風(fēng)能和核能能否為航運提供航運動力呢

綠色燃料船舶——傳統(tǒng)燃料將終結(jié)

隨著海運面臨越來越嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)要求以及燃油價格的攀升，天然氣和可再生能源越來越被認(rèn)為是可行的替代性能源。液化天然氣、混合生物燃料或更激進(jìn)的能源（如風(fēng)能或核能）都有開發(fā)潛力。

天然氣

使用天然氣為燃料會徹底消除氧化硫和顆粒物質(zhì)的排放，以天然氣為燃料的四沖程稀燃發(fā)動機(jī)可以減少90%的硫化物。這類發(fā)動機(jī)適用于游輪、小型貨船和工作船，也適合用作輔助動力，但大型商船一般采用慢速二沖程發(fā)動機(jī)，氮化物的減排效果要小一些。

使用天然氣為燃料，根據(jù)發(fā)動機(jī)類型的不同，二氧化碳當(dāng)量的減排能力最高可達(dá)到20%，也可能出現(xiàn)凈增加。不過天然氣與燃油相比，盡管二氧化碳減排量可達(dá)到25%，但存在釋放未燃甲烷的問題，甲烷的溫室氣體效應(yīng)比二氧化碳大21倍。

采用天然氣為燃料的發(fā)動機(jī)廣泛用于陸地發(fā)電和運輸。航運所面臨的挑戰(zhàn)之一是，液化天然氣儲罐占用空間一般是柴油儲罐的2～3倍，天然氣必須以液態(tài)或壓縮狀態(tài)儲存，儲罐成本也更高。根據(jù)經(jīng)驗，以液化天然氣為燃料的船舶新建成本比同等的以柴油為燃料的船舶高10%～20%。

盡管目前液化天然氣補給設(shè)施還非常有限，預(yù)計到2020年燃料補給碼頭的數(shù)量會大幅增加，特別是在污染排放控制區(qū)內(nèi)。嚴(yán)格的控制氮氧化物和硫氧化物的法規(guī)，加上天然氣價格越來越具有競爭力，將促進(jìn)采用天然氣作為船用燃料。預(yù)計在未來的十年中，很大一部分新船將采用天然氣作為燃料，特別是近海航運。

風(fēng)箏

風(fēng)箏是小型裝置，利用風(fēng)能直接提供推進(jìn)動力。這個系統(tǒng)由風(fēng)箏、帶控制節(jié)點的控制線以及與艏樓連接的纜繩、絞盤和橋樓控制系統(tǒng)組成。

商用風(fēng)箏目前的尺寸范圍在160～300平方米，根據(jù)風(fēng)況和船舶速度可以替代最高2000kW的推進(jìn)動力。在風(fēng)速為3～8蒲福風(fēng)級時，風(fēng)箏飛行高度為100～420米，自動控制系統(tǒng)主動地操縱并穩(wěn)定風(fēng)箏，優(yōu)化性能。風(fēng)箏風(fēng)力推進(jìn)系統(tǒng)安裝比較容易，有可能在未來十年中為有些船舶所采用。風(fēng)箏操作增加了船員的工作量，可能會出現(xiàn)與貨物裝卸設(shè)備的沖突。

生物燃料

生物燃料是一種可再生能源，可極大地降低生命周期的二氧化碳排放量，在操作過程中可以減少硫氧化物和顆粒物質(zhì)的排放。但是氮氧化物的排放量會稍有增加，原則上現(xiàn)有的柴油發(fā)動機(jī)都可以使用混合生物燃料。最有前途的船用生物燃料是生物柴油和粗植物油，生物柴油最適合替代船用餾分柴油，而植物油適合替代殘渣燃油。但有很多問題需要解決，包括燃料不穩(wěn)定性、腐蝕、容易生長微生物、對管路和儀表有負(fù)面影響、低溫流動性不良等問題。盡管在2020年之前可以解決這些技術(shù)問題，但在航運中廣泛采用生物燃料還取決于價格、刺激政策和供給能力。

核能

核電站在操作過程中沒有溫室氣體排放，特別適合于動力需求變化慢的船舶。盡管目前有幾百艘以核能提供動力的海軍艦船，但是很少有商船采用核能。商用核能動力船需要使用低濃縮鈾，開發(fā)的陸地原型是一個小反應(yīng)堆（與大型船用柴油發(fā)動機(jī)相比），功率輸出可達(dá)到25MW，生命周期以十年左右計算，能源價格為200萬美元/MW。

這項技術(shù)要求進(jìn)行廣泛測試和嚴(yán)格的質(zhì)量認(rèn)證，政府參與可能會加速這項技術(shù)的應(yīng)用過程。

航運業(yè)采用核能動力的主要障礙是難以控制核燃料的擴(kuò)散、放射性廢物的儲存、高昂的投資成本和社會接受程度。

綜合了多種可再生能源的混合型電動船概念將在特種船上實現(xiàn)，岸電供應(yīng)計劃、船用燃料電池和高溫超導(dǎo)體也會得到發(fā)展嗎

電動船——海上“普銳斯”

到2020年混合型電動船可以采用柴油-電動配置、船用燃料電池、電池組、太陽板或可縮回的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和緊湊型的超導(dǎo)電動機(jī)。引入電動船概念會提高船舶整體效率，綜合采用各種可再生能源。

混合動力船舶

到2020年混合電動船可能采用各種傳統(tǒng)和超導(dǎo)電動機(jī)和發(fā)電機(jī)、燃料電池和其他電池。混合動力概念把各種可再生能源的動力組合到一起，例如太陽能板或伸縮式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中，性能監(jiān)控、動力管理和冗余是關(guān)鍵因素。在未來十年，混合動力概念將應(yīng)用于工作船、客船和小型貨船，對于大型貨船，只能用作輔助動力。

混合系統(tǒng)的高度復(fù)雜性要求制定良好的維護(hù)戰(zhàn)略，控制電網(wǎng)穩(wěn)定性，提高空間利用率，最大程度降低重量。

船用燃料電池

為了提高動力生產(chǎn)效率，可以考慮燃料之外的其他措施。

燃料電池通過一系列的電化學(xué)反應(yīng)把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，理論效率可以達(dá)到80%（氫），它可采用天然氣、生物燃?xì)狻⒓淄?、乙烷、柴油或氫氣作為燃料。液化天然氣燃?SPAN copyright="drcnet">電池與柴油發(fā)動機(jī)相比，每千瓦可實現(xiàn)最高50%的二氧化碳減排。隨著污染排放控制區(qū)的建立，人們會傾向于采用液化天然氣燃料電池，目前的船用燃料電池原型可提供0.3MW的動力。燃料電池最初會提供輔助動力，如客房載荷，最終將在混合電動船中提供輔助推進(jìn)動力。應(yīng)用這項技術(shù)的主要障礙是成本、重量、尺寸、生命周期以及對負(fù)荷變化的響應(yīng)速度。在未來的十年中會出現(xiàn)完全商用型船用燃料電池。

電池

負(fù)荷頻繁變化的船舶可采用多種動力形式，以使船舶達(dá)到最佳效率，而這都要求采用合適的動力儲存模式。

電池能解決網(wǎng)絡(luò)功率波動，實現(xiàn)整體平衡，保證船舶平穩(wěn)運行不受到干擾。電池可儲存多余的電能，在用電高峰時供電。例如，在燃料電池不能滿足負(fù)荷的快速變化時，通過電池進(jìn)行補償。通過電池儲存電能可以讓雙燃料發(fā)電機(jī)以接近最佳載荷的工況運行，避免負(fù)荷的快速變化以及船舶污染排放的增加。到2020年，供電能力為0.4MWh、高峰負(fù)荷為4MW的電池組的重量可下降到2～4噸，占用大約1立方米的空間。稀土金屬例如鋰的資源有限，電池性能下降和充電時間長是阻礙電池廣泛應(yīng)用的主要因素。

預(yù)計納米技術(shù)將在實現(xiàn)電池儲存能力的突破方面發(fā)揮重要作用。

高溫超導(dǎo)體

電阻會造成發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器和傳輸電纜的能量損失。

高溫超導(dǎo)體的電阻（在－160℃時）為零，超導(dǎo)體電纜與相同尺寸的銅電纜相比可允許150倍的電流通過，大大縮小電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的尺寸。超導(dǎo)體線圈還可以用于儲存電能。

但是，這些材料需要通過液態(tài)氮和特殊熱屏蔽等進(jìn)行低溫冷卻。主要風(fēng)險是低溫冷卻發(fā)生故障，導(dǎo)致喪失超導(dǎo)性能。冗余是采用高溫超導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行船舶設(shè)計所面臨的主要問題。

岸電計劃

全球船舶每年有5%的燃油是在港口消耗的。港口一般都位于人口密集的地區(qū)，船舶污染排放會造成本地環(huán)境和健康問題。

岸電計劃是通過岸電替代船發(fā)電，可以減少因排放硫氧化物，氮氧化物和顆粒物質(zhì)而對健康和環(huán)境造成不良影響。另外，通過利用岸上清潔發(fā)電站，可以減少二氧化碳的排放量。在2020年之前會實現(xiàn)現(xiàn)有船舶與新建船舶在船舶和岸電網(wǎng)絡(luò)之間的標(biāo)準(zhǔn)連接，可以把岸電轉(zhuǎn)換為適合船用的電壓和頻率。

這項技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)是大型港口是否有足夠的電網(wǎng)供應(yīng)能力，小型港口是否會缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施。

廣泛采用船舶E-導(dǎo)航解決方案可提高安全性能，優(yōu)化保安、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能，但哪些是關(guān)鍵技術(shù)呢

數(shù)字船舶——降低航行難度

船舶E-導(dǎo)航系統(tǒng)是指訪問、集成、處理以及呈現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程采集的航海信息，把傳感器關(guān)鍵信息傳輸?shù)桨渡匣蚱渌?SPAN copyright="drcnet">的能力。其中的關(guān)鍵技術(shù)與導(dǎo)航（如電子海圖、雷達(dá)和聲波定位）、狀況監(jiān)控（如船舶應(yīng)力傳感器）、船舶跟蹤（如AIS，LRIT）、衛(wèi)星圖像和通信及計算機(jī)軟件等相關(guān)。這些構(gòu)成元素為船長提供了決策支持。

目前航運業(yè)的領(lǐng)袖企業(yè)采用了E-導(dǎo)航技術(shù)，到2020年很多船舶都將效仿。E-導(dǎo)航匯集了船舶操作的所有方面，從安全導(dǎo)航（包括避免極端的氣候事件）到最大程度減少燃料消耗和污染排放、降低維護(hù)費用，保證有效的船舶－港口通信，優(yōu)化靠泊和貨物裝卸。

在2020年之前，基于AIS、LRIT系統(tǒng)和其他衛(wèi)星服務(wù)開發(fā)的系統(tǒng)將實現(xiàn)全球監(jiān)控和跟蹤，提供一系列的支持應(yīng)用。充分利用這些系統(tǒng)可能要求較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，可能會限制偏僻區(qū)域的使用。

ECDIS

船舶觸礁事故會造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失、人員傷亡和石油污染事故。

電子海圖展示和信息系統(tǒng)（ECDIS）采用電子導(dǎo)航圖，把觸礁可能性減低了30%。IMO新規(guī)則要求大部分船舶在2020之前采用ECDIS。

ECIDS是其他支持系統(tǒng)（如高級氣候?qū)Ш?、海盜偵查、海冰識別和浮動物體報警等）的平臺。ECDIS同時也是一項關(guān)鍵的E-導(dǎo)航技術(shù)，通過與非導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合，它的優(yōu)勢將不僅局限于保證安全導(dǎo)航，還會延伸到港口排期和清關(guān)系統(tǒng)。對這項新技術(shù)的熟練掌握非常重要，但用戶必須清醒地認(rèn)識到ECDIS存在信息過載和報警盲區(qū)的風(fēng)險。

先進(jìn)的氣候?qū)Ш较到y(tǒng)

傳統(tǒng)意義的氣候?qū)Ш街饕P(guān)注于安全導(dǎo)航，避免惡劣的氣候。事實上，氣候?qū)Ш揭部梢詢?yōu)化燃料消耗（可節(jié)省10%左右）和到達(dá)時間，提高船員和乘客舒適度，降低船舶疲勞度。通過風(fēng)險評估措施選擇最佳路徑，取決于所選目標(biāo)的優(yōu)化，船舶特征和風(fēng)浪及海流的變化，需要制定極端氣候事件的報警標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮氣候變化的影響。

預(yù)計在2020年之前通過遠(yuǎn)程和船上傳感器的數(shù)據(jù)收集，將會提高海洋實時信息和預(yù)報數(shù)據(jù)的空間-時間分辨率。針對具體船舶和路線調(diào)整適航和海浪阻力的響應(yīng)模型。可以通過采用實時和歷史數(shù)據(jù)和自我學(xué)習(xí)算法來實現(xiàn)上述目標(biāo)。

海盜偵測與震懾

保險費率提高反映了以船員和船舶為目標(biāo)的武裝搶劫、海盜和恐怖主義的猖獗。在未來十年這些威脅不會減弱。

成功減低威脅要求及早偵測，并采取有效的遠(yuǎn)程控制的震懾措施（如水、聲音和電擊）。商船高性能雷達(dá)的偵測范圍是標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航雷達(dá)的4倍，可以偵測到4海里以外的小物體，到2020年可以提高到10海里。將來的船上報警系統(tǒng)會處理雷達(dá)、聲納、攝像頭以及遠(yuǎn)程衛(wèi)星采集的實時數(shù)據(jù)。在未來十年，預(yù)計反海盜服務(wù)商會通過衛(wèi)星提供海盜預(yù)警服務(wù)，這個系統(tǒng)可以集成到船上系統(tǒng)中。

船舶-港口同步技術(shù)

航運合同一般要求船舶在港口之間按最高速度航行，而不管目的港是否有泊位。當(dāng)高速行駛的船舶到達(dá)目的地后，卻往往要在錨地停泊數(shù)天，這就導(dǎo)致了不必要的高燃油消耗量和污染排放，造成港口擁擠。

到2020年可以采用衛(wèi)星跟蹤和氣候?qū)Ш?，把泊位?guī)劃算法集成到船舶港口通信系統(tǒng)中，實現(xiàn)同步化，生成靠泊時間表，以最小的成本實現(xiàn)碼頭通過量的最大化，同時最大程度減少船舶的駐留時間和燃料消耗量。

因為船舶在靠岸等待期間更容易受到損壞，減少港口停留時間也提高了船舶安全。

未來北極地區(qū)夏季可能出現(xiàn)積冰消融，海運量或增加。除了新型船舶之外，北極航運還需哪些新系統(tǒng)和新軟件

極地級船舶——探索北極新機(jī)遇

未來十年夏季海冰規(guī)模會減少，隨著碳?xì)浠衔锶剂蟽r格不斷升高，各國將勘探開發(fā)新資源，北極航運量也會增加，與北極相關(guān)的技術(shù)會迅猛發(fā)展，例如冰區(qū)路線優(yōu)化軟件、船體負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)以及新的破冰概念。

新型破冰船

被護(hù)衛(wèi)船舶的船首兩側(cè)區(qū)域比破冰船寬，會遇到未破碎的冰塊，導(dǎo)致冰塊阻力增加。

采用為側(cè)向破冰而特殊設(shè)計的斜型船體的破冰船可以拓寬一些航道，通過采用多個可360度旋轉(zhuǎn)的Z推進(jìn)器可實現(xiàn)側(cè)向操作。這種破冰船在護(hù)衛(wèi)小型船舶時首先采用船首部分破冰，在護(hù)衛(wèi)較寬的船舶時會采用側(cè)向破冰。采用這種設(shè)計允許寬度為20米的破冰船開出40米寬的航道。這樣未來一艘破冰船就可以護(hù)衛(wèi)較寬的船舶，而到目前為止還是需要兩艘傳統(tǒng)的破冰船。通過測試表明在采用傾斜操作模式時，速度是正常速度的一半。在未來十年，這種新型破冰概念將廣泛地應(yīng)用于北極航運操作。

冰負(fù)荷監(jiān)控

在冰層覆蓋的水域中航行時，船長必須能夠判斷冰層負(fù)荷是否超出了船體局部強度承受能力。

在遭受極端負(fù)荷時，橋樓中的冰負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)會提示。冰負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)通過固定在船首某些選定肋骨上的幾百個應(yīng)變儀來連續(xù)測量冰負(fù)荷情況，然后把測量的信號值與已知的肋骨安全限值相對比，安全限值是根據(jù)每條船舶的有限元模型計算出來的。這個系統(tǒng)的運作依賴于正確的傳感器位置、及時校準(zhǔn)和故障傳感器的偵測以及有效的和安全限值對比。

預(yù)計在未來十年，很多北極船舶都將采用上述系統(tǒng)，為船舶的減速時間或選擇其他航線以避免船舶損壞提供參考意見。

北極救生船

傳統(tǒng)的救生船或救生筏不是針對在北極冰層條件下安全撤離而設(shè)計的。

北極救生艇針對冰區(qū)航行進(jìn)行了強化，并采用防凍措施。救生艇需要穿越冰區(qū)（如冰脊），還要穿越開闊水面。到2020年，這類船舶將采用阿基米德的螺旋式運動概念。在船舶兩側(cè)會設(shè)計兩個大型螺旋式浮筒。設(shè)計難關(guān)包括浮筒材料及其連接，必須承受極端溫度條件下的碰撞負(fù)荷。

北極船舶的常規(guī)防凍措施應(yīng)該考慮救生艇的防凍，例如防止結(jié)冰，預(yù)熱發(fā)動機(jī)。

冰區(qū)導(dǎo)航軟件

沒有破冰船護(hù)衛(wèi)的船舶需要自己找尋通過冰層的路線，以最大程度減少燃料消耗和航行時間。

到2020年，冰區(qū)導(dǎo)航軟件將根據(jù)衛(wèi)星圖像、氣候觀察、冰區(qū)海圖和氣候、冰區(qū)模型的預(yù)測等綜合考慮冰區(qū)基本狀況。

航線選擇時首先會推測模擬所經(jīng)區(qū)域的冰層狀況，例如平坦海冰、碎冰航道、浮冰區(qū)域和冰脊區(qū)域等。然后冰區(qū)模型計算冰阻力、速度和通過時間，并考慮船舶具體情況。導(dǎo)航器將設(shè)置最佳路徑的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，例如速度、通過時間、燃料節(jié)約能力或污染排放。

冰區(qū)航行培訓(xùn)模擬裝置

在北極地區(qū)航行的船舶數(shù)量不斷增加，但會有一些船員只有很少或完全沒有冰區(qū)航行經(jīng)驗。這就需要采取有效的培訓(xùn)，讓船員掌握冰區(qū)航行技術(shù)。

培訓(xùn)模擬裝置提供了船舶培訓(xùn)環(huán)境，讓船員掌握在各種模擬的海冰、黑暗、冰雪、大霧和結(jié)冰條件下如何操作。根據(jù)船舶－冰塊交互作用和推進(jìn)模型，并考慮選定的氣候條件的影響，模擬器會進(jìn)行實時計算，船（模擬）會對船員操作實時響應(yīng)。

船員將學(xué)習(xí)識別不同的海冰類型，學(xué)習(xí)如何避免厚冰層，例如冰脊和多年冰。可以通過模擬器培訓(xùn)特定的船舶操作，例如冰區(qū)的位置保持或冰況管理。

從生命周期角度評估船舶技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能先進(jìn)模型技術(shù)，能更好地管理設(shè)計的復(fù)雜性和不確定性。那么如何實現(xiàn)呢

虛擬船舶——新設(shè)計思路

船舶設(shè)計人員總是試圖綜合考慮各種目標(biāo)，但總會受到規(guī)則和法規(guī)的制約。隨著未來更多新規(guī)范的出臺，越來越多的領(lǐng)域會受到監(jiān)管，新設(shè)計也面臨著很多挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些新設(shè)計所面臨的挑戰(zhàn)，為了管理創(chuàng)新性解決方案的復(fù)雜性和內(nèi)在風(fēng)險，業(yè)界會采用先進(jìn)的模型化技術(shù)來評估各種概念和技術(shù)在整個生命周期的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能。

整合船舶設(shè)計工具

鑒于未來設(shè)計和風(fēng)險的復(fù)雜性，人們會加速采用先進(jìn)的建模方法和工具，實現(xiàn)新船體設(shè)計、推進(jìn)器和船機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)和評估。這種設(shè)計方法依據(jù)的是各種軟件環(huán)境，包括多目標(biāo)優(yōu)化算法。

由設(shè)計人員完全控制個案所采用的數(shù)學(xué)方法、目標(biāo)、限制條件和分析軟件。在計算過程中，將針對船舶每個子系統(tǒng)采用模塊化工具，例如機(jī)械設(shè)備或船體外形。不同的模塊通過集成設(shè)計平臺連接到一起，為了保證及時評估，軟件會設(shè)計多尺寸、多物理和多分辨率的物理模型。

性能的定義是多維的。集成設(shè)計工具發(fā)展到2020年將充分利用多處理器架構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，支持分布式、平行式和協(xié)調(diào)執(zhí)行的各種設(shè)計任務(wù)。在更復(fù)雜的專業(yè)化和投資更高的船舶設(shè)計和優(yōu)化中會更多地采用這項技術(shù)，例如客船和工作船。

未來十年采用集成設(shè)計工具所面臨的主要風(fēng)險是極其復(fù)雜性和專業(yè)用戶的特殊需要，還會存在與軟件集成、數(shù)據(jù)管理和通信等方面相關(guān)的風(fēng)險。

這項技術(shù)的關(guān)鍵因素是如何獲得與設(shè)計、性能以及各種可選技術(shù)的成本相關(guān)的可靠數(shù)據(jù)。大部分?jǐn)?shù)據(jù)都可以通過終端用戶的應(yīng)用程序、模塊化措施和大規(guī)模測試來收集。

模型化船機(jī)設(shè)計

隨著燃料電池、其他電池和可再生輔助動力等動力系統(tǒng)的出現(xiàn)，系統(tǒng)配置也越來越復(fù)雜。而傳統(tǒng)的設(shè)計關(guān)注于通過優(yōu)化每個組件來提高效率。

隨著當(dāng)今設(shè)備技術(shù)的成熟，需要從集成系統(tǒng)角度來考慮船機(jī)和能源系統(tǒng)，提出創(chuàng)新的開發(fā)模式。

到2020年將可以采用模塊化計算機(jī)工具對現(xiàn)實工作狀況下的船機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模、模擬和優(yōu)化。從設(shè)備模塊庫中選擇模塊來建立系統(tǒng)，采用同樣的工具執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)控和性能優(yōu)化以及安全和可靠性分析。專家匱乏和數(shù)據(jù)可靠性問題是這些工具在2020年前將面臨的主要風(fēng)險。

模塊化船體設(shè)計

傳統(tǒng)的船體設(shè)計優(yōu)化通常局限在靜水情況、設(shè)計載貨能力和設(shè)計速度條件。采用這種方法建造的船舶在偏離設(shè)計條件時性能不良。

到2020年，船體設(shè)計工具將實現(xiàn)計算機(jī)輔助工程設(shè)計組件，例如CAD、CFD和FEM與多目標(biāo)優(yōu)化的無縫整合。性能定義將泛指阻力、效率、耐波、操縱性和強度等。通過采用降低阻力措施或推進(jìn)能效增強設(shè)備，進(jìn)一步提升對具有更高預(yù)測能力的計算工具的需要。在2020年將根據(jù)實際運作模式來設(shè)計船舶，保證穩(wěn)健的船體結(jié)構(gòu)，充分地應(yīng)對各種外部條件。

采用這些工具所面臨的主要挑戰(zhàn)是靈活性和計算效率。

大型示范項目

為了應(yīng)對航運業(yè)在2020年的復(fù)雜狀況和各種風(fēng)險，需要快速安全地完成從構(gòu)思到新產(chǎn)品投入使用的開發(fā)過程。第一步是使用先進(jìn)的建模工具。為增強對新產(chǎn)品的信心，實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)的商業(yè)化，必須進(jìn)行實驗室測試和大型項目的示范。

示范項目應(yīng)該能夠驗證理論模型，找出并解決安全挑戰(zhàn)，完成技術(shù)認(rèn)證，消除認(rèn)識偏差。通過制定更準(zhǔn)確的測試和擴(kuò)展規(guī)范，可以實現(xiàn)建模工具和實驗項目的相互促進(jìn)。大型示范項目必須由研發(fā)組織和終端航運企業(yè)聯(lián)合實施。

在主要利害關(guān)系人之間分擔(dān)投資和風(fēng)險將加速創(chuàng)新和技術(shù)的應(yīng)用。

來源：航運交易公報