智能船舶背景下复合型航海人才培养

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(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

智能船舶背景下复合型航海人才培养

吕红光，尹勇，曹玉墀

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

在阐述智能船舶的定义、关键技术和外延需求的基础上，分析智能船舶对航海学科的影响，进而从航海师资及团队培养、交叉学科航海本科生与研究生培养、共享知识和技术交流平台的构建及“新工科”航海教育机制和理念的完善等方面，提出智能船舶背景下培养复合型航海人才的建议。

智能船舶；航海学科；新工科：复合型航海人才

一、引言

在党的十八大提出海洋强国战略、全球即将进入以智能制造为核心的“工业4.0”发展时期的背景下，《中国制造2025》(国发〔2015〕28号)对高技术船舶、船舶智能制造等做了重点说明。智能船舶的发展将有效解决船舶在节能减排、人力成本和船舶安全性等方面面临的主要问题。[1]国际海事组织(IMO)海上安全委员会第98届会议(MSC98)批准了“研究自主船法律监管范围界定和适用”的新工作计划[2]，海上自主船(Maritime Autonomous Surface Ships , MASS)成为国际海事热点，或将成为未来航运的发展方向，航运界、有关科研机构已投入相关研究，研发不同级别智能化或自动化船舶并分阶段实现。[3]智能船舶的发展必将面临经济、社会、法律、监管和技术等方面的诸多难题，需要大批的复合型创新人才做支撑。“交通运输工程”学科中的航海学科是培养交通运输水运类人才的关键学科，[4]应为国家实现海洋强国的战略目标，实现船舶工业智能化跨越式发展，提供坚实的保障和支撑。本文在分析智能船舶对航海学科的影响的基础上，重点探讨智能船舶背景下复合型航海人才的培养途径。

二、智能船舶的关键技术

1.智能船舶定义

根据中国船级社(CCS)2015年12月发布的《智能船舶规范》(以下简称《规范》)，智能船舶系指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶。智能船舶分为六大功能模块：智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台。[5]

2.智能船舶关键技术

实现《规范》中智能船舶功能需进一步研究与船舶有关的信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术、驾机一体化和自主航行技术[1]。另外，《10000个科学难题·交通运输科学卷》也涵盖了智能船舶有关的科学难题，包括船舶智能化面临的挑战、船舶航行智能决策、复杂水域船舶智能避碰避险决策、运输船舶的自主智能控制与无人驾驶、海上小型移动目标的智能识别等。[6]

2017年5月，科技部、交通运输部“十三五”交通领域科技创新专项规划指出，“水运交通”中的智能船舶关键技术包括：智能船舶设计与制造技术、智能船舶结构仿真技术、智能机舱深度智能化系统设备的设计制造技术，基于多信息融合的船舶机舱系统设备远程监控、状态评估及效能优化控制技术，基于国际海上避碰规则的船舶智能避碰辅助决策自动化技术及验证技术，基于信息自主感知和纵倾优化的船舶智能配载技术，基于船岸协同的船舶航线优化与自主决策、船舶自动航行技术，智能船舶多源信息自主感知、融合及呈现技术，以e-Navigation船端技术架构为核心的航海信息智能处理与显示技术，复杂水域船舶智能避碰避险辅助决策技术，船舶交通智能组织与协同调度技术，船内装备自组织物联网技术，恶劣气象条件和复杂会遇态势下船舶航行信息自动增强技术。

不管是劳氏船级社AL1-6分级，还是谢里丹1-10分级，智能船舶的终极目标都是无人工干预的自主船。罗尔斯·罗伊斯船舶创新副总裁 Oskar Levander认为，无人船技术三大探索方向包括传感器融合感知、航行和避碰决策控制算法、船岸通信和互联。[7]张英俊团队将无人驾驶船舶技术框架分为船端自主航行系统、高性能海上通信系统和岸基支持系统等三部分：船端自主航行系统是核心，涉及智能感知、智能决策及决策可靠执行的技术等；高性能海上通信系统负责在船岸之间传递信息和指令，涉及数据压缩技术、智能路由技术以及海上通信网络安全技术等；岸基支持系统包括监控中心和信息支持中心，涉及遥测遥控、完备信息实时推送及智能处理技术等。[8]

综上可知，智能船舶的关键技术主要集中在海上环境智能感知、船—岸及船—船互联及可靠通信、航行与避碰智能决策及控制等方面，每一方面都蕴含着诸多技术难题，尤其是这些技术的应用领域为复杂多变的海上环境及安全性和可靠性要求极高的海上货运船舶。因此，智能船舶研发是一个极其复杂的系统工程，需要多个学科长期的融合或协作才能完成，航海学科应当发挥其重要作用。

3.智能船舶外延

智能船舶的发展实现，除了智能船舶设计方面的关键技术，还需要很多外延条件，包括监管和法规方面的软环境，以及配套支持方面的硬件环境。

在硬件环境方面包括以下，首先，与智能船舶配套的港口码头、航道、锚地、航标、通信等基础设施需要进行产业化升级。如长江航道局已初步建立全面感知、广泛互联的长江智能航道系统，实现航标、水深的动态感知以及航道信息实时动态发布功能，这是为智能船舶提供岸基支持的良好开端。其次，智能船舶需要大量的船舶配套设备，包括高可靠性的动力设备、甲板机械、舱室设备、通导与智能系统(包括各类传感器)，且它们需通过信息交互协同配合才能完成智能船舶高度复杂业务功能，这也是工业4.0信息物理系统(CPS)发展的趋势。而我国目前船用配套关键电子设备系统的国产化率很低，仅为17%(日韩两国均超过90%)。另外，智能船舶需在划定的测试水域经过长期严格测试方能在实际中应用，该水域的水文气象等环境因素能够被实时监测和数字化，且需要完善的通信导航、海事监管及救助措施，2016年10月挪威在特隆赫姆峡湾开辟了世界首艘无人船测试水域，2017年8月芬兰开辟了具有充分数据连接能力的测试水域，中国在无人船测试水域设置及相关研究方面也应有所突破。

在软环境方面，智能船舶技术条件下的航运产业政策、法律、法规等需要“更新换代”。当前，国际海事组织(IMO)制定有超过50个有效的公约、规则供全球缔约国使用并遵守，同时这些公约、规则还须转换为各缔约国航运业的法规。这些法规在制定时一般是以人为主体的，当船舶智能化进入高度自主阶段甚至无人阶段时，船舶的航行主要依靠岸基远程操控，甚至自主航行，这种根本性的变革会导致很多现行公约、规则架构无法满足要求，而由此带来的公约、规则的修订将会是一个复杂而又庞大、甚至颠覆性的工作[9]。2017年2月27日，美国、挪威、丹麦、日本、韩国等9个IMO成员国向海安会提交了在无人船领域确定立法范围的提案。此外，美国、英国、比利时和韩国等国家已启动无人船的国内立法程序。目前CCS已向有关主管部门递交了《关于建议开展无人船相关问题研究的报告》，建议从对航运模式的影响、法律法规、运营管理、规范标准等四个方面尽早启动无人船相关技术和规则的研究。我国应为无人船的船舶运营、安全、防污染、海上权益与责任等方面配套的法律法规、规范标准的出台做充分的准备工作，以占领行业制高点和在国际上充分掌握话语权。此外，海事监管是智能船投入运营的重要保障，因为管理要为对象服务，在对象发生重大变革的情况下，海事管理将面临重大变革，包括“智慧海事”的建设、监控水域的信息化布局、应急和搜救的技术手段、海事监管和服务的系统模式等均需要同步升级。

三、智能船舶对航海学科的影响

航海学科主要指在交通运输工程一级学科下设的交通信息工程及控制(国家重点学科)、航海科学与技术、轮机工程等，相关本科专业主要包括航海技术、海事管理、地理信息科学和轮机工程各方向等。航海学科及专业是随着人类航海活动的扩张和加强而逐步建立和发展的[4]。航海活动是人类探索海洋、征服海洋的过程，其主要表现是海上货物运输，载体是船舶，主体是船员。智能船舶的终极目的是实现无人驾驶，减少人为失误，使航运更安全，海洋更清洁，这对航海学科及其人才培养的影响是深远的。

1.智能船舶将从根本上改变船员的工作角色和船员培训

智能船舶不是让传统航海学科培养的船员失业，而是会从根本上改变其工作性质，某些“我们甚至还没有想到”的工作将会被创造出来。欧洲运输专员Violeta Bulc称：“这一转型将需要新的创新技能，使该行业对年轻一代更有吸引力。未来，该行业将提供更广泛的机会。未来的航运自动化将有不同的商业模式。在这个新的模式中，将会有从船上转移到岸上就业的转变。”[10]在2017年9月召开的伦敦国际航运会议上，南安普敦大学海洋研究所所长Ajit Shenoi教授说：“人们需要学习才能与自主系统和相关技术进行无缝合作。未来的船员可能成为岸基人员，其将从办公室或海上对船舶进行远程管理，从而创造出新的培训和技能需求。指挥和控制中心可能会从船舶转移到其他地理位置上，届时业界需要适应操作和文化变化。”同月召开的欧洲海事会议上，欧盟提出“自主航运是未来的关键”，需要在船员培训、网络安全、研究与创新、新型商业模式等四个方面接受挑战。船员培训这一重大挑战，需航海院校提供主要的智力支持，培育高水平“航海者”，包括船上和岸基人员，使其具备使用和管理智能船舶系统进行高效工作的能力和相应的技能[2]。可见，智能船舶对航海学科培养航海人才提出了新的挑战和更高的要求。

2.智能船舶关键技术开发对航海学科的发展带来新的机遇与挑战

如前所述，智能船舶的关键技术主要集中在海上环境感知、通信、决策及控制等方面。海上环境复杂多变且受气象海况的影响显著，通信及物—物互联方面与陆地仍有较大差距。对于大型货运船舶这样的复杂系统，运行在基础设施不够完善的高度复杂的环境中，自主决策和控制的难度将比航空和陆地交通更具有挑战性。

不懂航海的人才难以把握智能船舶发展的主要矛盾和发展方向，而只懂航海的人才开发不出庞杂智能的无人船系统。因此航海学科应抓住此难得的历史机遇，了解智能船舶运输系统的框架和核心问题，充分利用本学科专业的优势，积极与相关学科交叉融合，尤其是信息与通信工程、计算机应用技术、控制理论与控制工程等学科，着力为智能船舶的关键技术开发方面培养人才。

航海学科作为应用型学科，应充分吸收、应用相关学科的新理论、新技术，在智能船舶的新形势下加强学科建设，明确学科定位，使学科在人才培养、教师教学、科学研究方面具有更明确的目标和方向。航海科技工作者应抓住机遇，迎接挑战，开拓创新，不断培养航海学科复合型人才，为智能船发展提供强有力的智库资源，推动智能船舶及真正无人船系统的早日实现。

3.智能船舶带来的法律及监管问题为航海学科发展提供新的研究方向

智能船舶将推进智能港口、电子航道更深层次的建设，推动海事监管和相关法律法规的改进提高；同时智能航行保障系统的研发，将带来相关国际公约和规则的重大调整，如STCW公约和国际海上避碰规则。

目前全球航运规则对无人船还没有清楚的规定，例如，未来无人远洋船能否被允许驶入海域，如何判断责任人，无人船远程操作者的适任标准等都还有待完善，另外在探索如何使现行国际规则适用于无人自主驾驶船舶方面还有很长的路要走。智能船舶技术的发展将孕育着航运产业政策话语权更迭的重大机会，如何在这方面抢占制高点，增加国际上的话语权，对中国这样的航运大国、海员大国来说至关重要。航海学科在培养这方面的人才方面应有所突破，除了IMO示范课程，在STCW公约、国际海上避碰规则等重要的国际公约的跟踪修改方面，将有大量的工作可做。

另外，针对智能船的监管、防污染、船舶管理、海上救助、智慧海事、电子港口与航道建设以及海洋信息遥测遥感等方面均会面临重大挑战，这也是航海学科中的海事管理和地理信息科学等专业需要面对的。

四、智能船舶与复合型航海人才的培养

复合型航海人才是指具有航海学科与其他一个或以上专业(或学科)的基本知识和基本能力的人才，最终达到航海学科知识与其他各种知识、能力和素质的有机结合、融会贯通并发挥综合作用的目的。复合型的实质是打破学科或专业之间壁垒，接触并把握不同专业领域的知识及思维方法，这种复合包括自然科学与社会科学之间的复合、多种专业之间的复合、智力因素和非智力因素之间的复合。[11]本科院校(特别是已经具有多学科架构的院校)可以定位于培养高素质具有国际竞争力的复合型航海类专门人才(领导者)。[12]在智能船舶背景之下，复合型航海人才的培养可以从以下几个方面着手。

1.具有航海背景的师资及其团队培养

在智能船舶背景下，具有扎实的多学科理论知识的学者(至少精通两个学术领域，如交通运输工程学科及与智能船舶相关的其他学科)应受到学校高度重视，并加大培养或引进力度。对交通运输工程学科则尤其要重视本土人才的培养，因为该学科是在传统涉海类专业基础上凝练而成，历史悠久，特色明显，如将其他相关的人才引进来并继续培养，存在一定的难度。[13]高水平师资的培养非一朝一夕，建议重视本科、研究生直至任教各个阶段培养计划的顶层设计，从招生选拔到在校培养，均应分类培养，因材施教，动态遴选，过程管理，使得基础理论知识过硬、对智能船舶领域感兴趣并有突出能力的人才能够效力于学校。学校应为其营造自由的学术氛围和宽松的研究环境，不唯论文项目和职称待遇而急功近利；相关人才能以兴趣爱好而持之以恒，耐得住寂寞，经得起磨砺。

另外，人才培养及其成长的根基是团队。因为智能船舶系统如此之复杂，需要各方面高水平科研团队的通力合作。因此必须重视培养具有组织协调策划能力的科研人才，管理中要淡化个人利益分割，要重视团队荣誉，这样才能做到很好地分工协作和成果共享。[14]

2.交叉学科航海本科生及研究生培养

毋庸置疑，智能船舶甚至无人船对航海学科及专业的教学与培训的影响是显著和深远的。把握智能船舶关键技术趋势和需求，未雨绸缪，及早调整相关本科及研究生专业培养方案，培养新一代适应智能船舶背景的复合型高端航海人才是航海学科发展的当务之急，具体建议如下。

(1)跨学科本科生小班培养试点

在航海技术本科专业中设置试点小班，该班为宽口径专业，下设若干个专业方向，让学生在修习海事局规定的专业课的同时，自由选择1～2个专业方向的模块课程，主要是数学、计算机、电子和通信方面的课程；采用任务驱动的培养方式，将数学思维和计算思维渗透到航海应用，加强航海实践能力的培养，激发其投身科研的兴趣并提高动手能力，使人才具有宽厚的专业基础知识、广阔的专业适应性和较强的自主创新能力。小班初期可采用主辅修制和选修课制度，为其遴选与智能船舶关键技术和外延有关的基础课程模块，如物联网、大数据、数据挖掘、云计算、机器学习、船舶运动控制、数字导航、数字通信、航运公约法规研究等，作为其限选课程，并为其开通选课及学习通道，利用学校公共课程资源，无需单独授课。当条件成熟时可以启动双学位、第二学位、联通培养(如本硕连读机制)，使其在知识的广度和深度均有发展。

(2)跨二级学科研究生培养试点

制订体现学科交叉的研究生培养方案。本阶段可以尝试交通信息工程及控制和信息与通信工程、计算机应用技术、控制理论与控制工程等学科的交叉培养方案，有条件的可以与国外著名高校相关学科进行深入合作和交流，联合培养研究生。通过跨学科招研究生，航海学科与非航海学科的正、副导师联合培养，过程管理中互派导师参加研究生开题、中期及毕业答辩，共同申报项目并合作研究等措施，实现跨学科复合型航海类研究生的培养，条件成熟时启动双硕士授予机制，使得培养的人才不仅具有复合型知识，而且具有利用学科交叉优势进行创新的能力。

3.共享知识和技术的交流平台的构建

(1)将科研项目向教学资源转化，实现课程内容的更新

鼓励教师发挥自身的科研优势，实现科研为教学服务的目的。提炼和总结最新研究成果，将科研成果向教学资源转化；积极出版相关专著和教材，为课程教学提供教材支撑和参考资料；在课程教学中及时将智能船舶发展的新成果、新技术充实到教学内容中，拓宽学生的知识面，提高学生的创新能力。

鼓励教师将科研成果或软件进行再开发，使之成为新的实验教学系统，并设置相关的实验项目。如“无人船”教学研究团队开发的科研软件，征集获得国家级、省部级及航海学会相关奖项的最新科研成果，筛选其中的一些内容经过二次开发改造，成为培养航海学科复合型人才的重要实验教学工具或软件。[15]

(2)充分利用教学实习船及无人船艇，开展科研教学活动

利用教学实习船开展船舶姿态测试、船舶运动控制先进技术、航海信息化与智能化、船舶动力定位等方面的科学研究[13]。在“实习船共享联盟”框架下，进一步开放多个教学实习船重点实验平台，通过设置重点课题基金的方式，吸引智能船舶领域相关的科研院所、公司与高等航海院校相关学科联合，将其先进的智能感知、通信、决策及控制方面的技术在海上进行实船测试研究，共享实验平台，共享试验数据，构建共享测试研究平台。建议尽快启动无人船设计及建造项目，将无人船测试水域提上日程，申请实船共享试验平台的基地建设项目，依托基地进行相关科研和教学联合培养复合型航海人才。

(3)构建交叉学科知识资源整合与共享平台，推动复合型航海人才培养

智能船舶问题不是一个简单的造船工程问题，涉及经济、社会、法律、环境、能源、工程、制造等各领域，包括信息、通信、自动化等各种技术，作为海运类多学科综合性大学，可以尝试将多个学科的知识资源进行整合和共享，共同研究提高。目前，在资源选择及载体上，注意除了课程之外还有专著、专利、论文、课题、讲座等；但资源整合、运作和推广在很大程度上靠生产和创新这些资源的教师，这就限制了各学科资源整合和共享的效度。大规模在线开发课程(MOOC)在承载高校知识资源整合与共享的方面具有很好的优势，建议以其为基础，融合知识传播型慕课(xMOOC)与学术社交型慕课(cMOOC)，从学校层面构建交叉学科知识资源整合与共享平台。该平台既能够将已有的智能船舶相关的知识一体化展示和共享，又能够实现学者间包括和学生之间充分的沟通和交流，从根本上促进知识资源的整合与共享，推动知识的协调创新，推动专业的互动和复合型航海人才的培养，增强学校对外的科技、文化的辐射能力。[16]

4.“新工科”航海教育机制和理念的完善

相对于传统的航海类工科人才，未来的智能船舶新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才，他们不仅精通航海学科专业，而且还应具有“学科交叉融合”的特征；他们不仅能运用所掌握的知识去解决现有的问题，也有能力学习新知识、新技术去解决未来发展出现的问题，对未来技术和产业起到引领作用；他们不仅在技术上优秀，同时懂得经济、社会和管理，兼具良好的人文素养。“新工科”航海教育的机制应该是培养复合型、综合性航运人才。

智能船舶是新经济、新技术的一种表现形式和承载方式。经济和技术的新旧是动态的、相对的，他们的发展总是在推陈出新，不同时期都有“新”的部分。尤其在当前新技术爆炸式发展的历史时期，航海教育将面临更多的新技术和新经济。因此，“新工科”下的航海教育要着眼于当前互联网革命、大数据、云计算、智能制造等时代特征，面向未来不可预见的新技术，争取做未来新技术的创造和发明者。培养学生最核心的能力应该是“学习而且是快速学习新事物的能力”，而不是总是重复别人的劳动，做新技术的追随者，此为复合型航海人才培养的核心理念。

目前，信息化、智能化等方面新概念和新技术层出不穷，已经淡化了工科和理科的划分。创新业态将催生大学教育转型和升级换代。“新工科”做的事情是科学、人文、工程的交叉融合，是培养复合型、综合性人才，使学生具备整合能力、全球视野、领导能力、实践能力，成为人文科学和工程领域的领袖人物。我们所做的航海教育，不管是在智能船舶还是其他新技术的背景之下，应该也是这种目的，复合型航海人才的培养是高等航海院校的根本和目标所在。

五、结语

在增强自主创新能力、建设创新型国家的进程中，人才是第一资源，而高端人才的培养，是科技自主创新的前提和基础[17]。在智能船舶的背景之下，高等航海院校应认清形势，把握发展机遇，关注航海学科发展，深耕关键优势学科，增强自主创新能力，培养大批具有创新意识、多学科交叉融合、实践动手能力强的高端复合型“新工科”航海人才，为“四个交通”、海洋强国战略、交通运输科技创新贡献应有的力量。

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U676.2

A

1006-8724(2017)04-0010-06

2017-10-17

中央基本科研业务费资助项目(3132016368)；辽宁省自然科学基金项目“基于电子海图的航线自动生成及避碰决策研究”(201602081)；大连海事大学教改项目“‘航海学’实践教学内容及其教学方式改革”(2016Y05)

吕红光(1981-)，男，讲师，主要从事智能船舶、自动避碰及航海教育研究。