技術(shù)改變世界。多年來(lái)，挪威船級社（DNV）的研究和創(chuàng )新部門(mén)根據自身在相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)長(cháng)和能力，提出了對于未來(lái)十年的技術(shù)展望。DNV新近出版的《2020年技術(shù)展望》，探討并總結了對全球新技術(shù)發(fā)展和應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(guò)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、自然災難和地區沖突都是造成國內和國際人口遷移的刺激因素。
經(jīng)濟：工業(yè)革命將世界經(jīng)濟中心從亞洲轉至西方，現在情況正在逆轉。全球不同地區間的人口轉移意味著(zhù)越來(lái)越多的經(jīng)濟產(chǎn)出將發(fā)生在目前的發(fā)達經(jīng)濟體之外，這可能會(huì )造成更大規模的社會(huì )轉變，形成新的商業(yè)機會(huì )，但同時(shí)會(huì )對環(huán)境造成進(jìn)一步壓力。到2020年，全球中產(chǎn)階級的規?？赡軙?huì )增加一倍，其中亞洲將會(huì )占到50%。
治理：當前的政府治理架構主要是在二次世界大戰后的環(huán)境中形成的，歐盟、金磚四國、維基解密和臉譜等現象那時(shí)還未出現，而這些現象對當前世界產(chǎn)生著(zhù)深遠的影響。解決全球化的利弊是很?chē)谰?SPAN copyright="drcnet">的挑戰，還沒(méi)有形成適合集體行動(dòng)的治理架構，缺少對全球問(wèn)題比如金融穩定性、貿易、氣候變化、水和安全等的有效而統一的治理，將是未來(lái)十年的風(fēng)險來(lái)源。
信息技術(shù)：信息技術(shù)對個(gè)人生活、工商業(yè)甚至整個(gè)社會(huì )產(chǎn)生了巨大影響。信息很容易產(chǎn)生而且可以共享，數據呈指數級增長(cháng)，進(jìn)而造成數據檢索和安全方面的挑戰。隨著(zhù)廉價(jià)、小型、功能更強大的計算機的推廣使用以及無(wú)線(xiàn)連通能力的增強，不僅促進(jìn)了自動(dòng)化和泛在計算，同時(shí)也產(chǎn)生了與集成軟件密集型系統相關(guān)的安全和（網(wǎng)絡(luò )）保安問(wèn)題。
能源：以環(huán)保、可持續的方式以及可支付得起的價(jià)格提供能源是人類(lèi)所面臨的重大挑戰之一，加之對能源供應安全性問(wèn)題的考量，這一挑戰變得越來(lái)越復雜。全球能源消耗到2020年將增長(cháng)19%，雖然全球能源構成仍然主要是油、氣和煤，但未來(lái)十年會(huì )發(fā)生變化，將向低碳能源邁出第一步。
自然資源：資源過(guò)度開(kāi)采是人類(lèi)所面臨的最嚴峻的挑戰之一。水資源將面臨短缺，稀土資源稀缺可能會(huì )阻礙替代性技術(shù)的發(fā)展，城市人口的增加會(huì )帶來(lái)新的挑戰，但是也帶來(lái)了廢物循環(huán)利用的機會(huì )。解決這些資源問(wèn)題雖然任務(wù)繁重，但也不是不可逾越的。
氣候變化：氣候學(xué)家認為在未來(lái)的三十到五十年內會(huì )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(jué)到了，如果人們還一如既往，那么全球溫室氣體排放到2020預計增長(cháng)20%。未來(lái)十年是非常關(guān)鍵的十年，要考慮如何以合理的成本來(lái)長(cháng)久實(shí)現減排，同時(shí)防止達到不可逆轉的傾覆點(diǎn)。
全球趨勢將會(huì )直接或間接地影響未來(lái)技術(shù)的發(fā)展和應用。DNV分析了四大領(lǐng)域的未來(lái)技術(shù)：海事航運、石化能源、可再生能源及核能，以及動(dòng)力系統。
全世界人口在2020年會(huì )達到75億，成熟經(jīng)濟體和新興經(jīng)濟體在人口構成和發(fā)展程度方面的差異越來(lái)越顯著(zhù)。隨著(zhù)生活方式越來(lái)越資源密集以及人口的不斷增加，海運量注定也將增加。全球船舶數量將不斷增加，但不同地區對不同船型的需求大相徑庭。
航運業(yè)面臨著(zhù)開(kāi)發(fā)可持續的運輸解決方案的壓力，會(huì )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(kāi)發(fā)和實(shí)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)系統相關(guān)的哪些技術(shù)發(fā)展會(huì )為面向2020年低能耗概念船的研發(fā)做出貢獻？
低能耗船舶——解決能源損失
燃料成本的高漲、市場(chǎng)的變化、整個(gè)行業(yè)對環(huán)境的關(guān)注，以及越來(lái)越嚴格的與污染排放和壓載水相關(guān)的法規要求，這一切都將導致船舶設計建造的重大調整。材料科學(xué)、降低阻力、推進(jìn)系統和能效方面的技術(shù)發(fā)展將為新概念船舶奠定基礎。
氣泡潤滑
通過(guò)完善船舶設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。
氣泡潤滑系統采用在船體下方噴入氣體的方式，通過(guò)船舶底部的幾個(gè)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?chē)鷷?huì )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)機械裝置的不確定性、設備尺寸和技術(shù)的可行性，特別是必須消除擴散的氣泡與推進(jìn)器之間可能產(chǎn)生的不利交互作用。
氣腔系統
在氣腔系統中，在船體底部開(kāi)幾個(gè)凹槽，泵入壓縮空氣，填滿(mǎn)空間，形成連續氣腔，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(guò)這種方式有可能減少10%的油耗。氣腔中的空氣會(huì )不可避免地散失，需要持續注入氣體。
氣腔系統的不良副作用是在船體下方產(chǎn)生不穩定的自由表面，在自由表面產(chǎn)生重力波以及氣泡擴散到螺旋槳進(jìn)流區都會(huì )造成能量損失。
混合材料
通過(guò)降低船體重量可以降低污染排放，節約燃料。小型船舶和二級結構采用輕質(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合材料層壓板制造復合材料，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)和特種船中的應用為航運界做了示范，但是到2020年前大規模采用還不太可能，主要障礙包括成本高、制造和再回收的挑戰以及消防問(wèn)題。
組合推進(jìn)系統
螺旋槳的效率受到單一設計速度、大槳葉、二沖程柴油發(fā)動(dòng)機和直驅推進(jìn)的限制。
組合推進(jìn)系統概念綜合采用了螺旋槳、吊艙和增效設備（如前渦旋翅和后渦旋翅）。通過(guò)流體動(dòng)力優(yōu)化，可以把反轉吊艙螺旋槳布置在螺距可調整的主螺旋槳后面，在飛羽化中心線(xiàn)螺旋槳旁設置可轉向吊艙，提高能效。
這些系統利用了各部分的流體動(dòng)力優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機負荷擴大了有效操作范圍。
盡管混合推進(jìn)器的設計和制造費用很高，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）可以節約最高10%的燃料。
無(wú)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(shí)的穩定性和吃水，不需要壓載水。為了達到標準設計的排水量，需要增加寬度和長(cháng)度。
船首和船尾對調節任何裝載狀態(tài)下的縱傾非常重要。這種船舶因為增加了尺寸，同時(shí)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(lái)采用兩個(gè)小壓載水艙來(lái)調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(huì )很高，并且面臨著(zhù)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，在碼頭上設置接收設施。
隨著(zhù)環(huán)保法規的實(shí)施和燃油價(jià)格的上漲，天然氣和混合生物燃料會(huì )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(dòng)力呢
綠色燃料船舶——傳統燃料將終結
隨著(zhù)海運面臨越來(lái)越嚴格的環(huán)境法規要求以及燃油價(jià)格的攀升，天然氣和可再生能源越來(lái)越被認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(kāi)發(fā)潛力。
天然氣
使用天然氣為燃料會(huì )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(dòng)機可以減少90%的硫化物。這類(lèi)發(fā)動(dòng)機適用于游輪、小型貨船和工作船，也適合用作輔助動(dòng)力，但大型商船一般采用慢速二沖程發(fā)動(dòng)機，氮化物的減排效果要小一些。
使用天然氣為燃料，根據發(fā)動(dòng)機類(lèi)型的不同，二氧化碳當量的減排能力最高可達到20%，也可能出現凈增加。不過(guò)天然氣與燃油相比，盡管二氧化碳減排量可達到25%，但存在釋放未燃甲烷的問(wèn)題，甲烷的溫室氣體效應比二氧化碳大21倍。
采用天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機廣泛用于陸地發(fā)電和運輸。航運所面臨的挑戰之一是，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施還非常有限，預計到2020年燃料補給碼頭的數量會(huì )大幅增加，特別是在污染排放控制區內。嚴格的控制氮氧化物和硫氧化物的法規，加上天然氣價(jià)格越來(lái)越具有競爭力，將促進(jìn)采用天然氣作為船用燃料。預計在未來(lái)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(dòng)力。這個(gè)系統由風(fēng)箏、帶控制節點(diǎn)的控制線(xiàn)以及與艏樓連接的纜繩、絞盤(pán)和橋樓控制系統組成。
商用風(fēng)箏目前的尺寸范圍在160～300平方米，根據風(fēng)況和船舶速度可以替代最高2000kW的推進(jìn)動(dòng)力。在風(fēng)速為3～8蒲福風(fēng)級時(shí)，風(fēng)箏飛行高度為100～420米，自動(dòng)控制系統主動(dòng)地操縱并穩定風(fēng)箏，優(yōu)化性能。風(fēng)箏風(fēng)力推進(jìn)系統安裝比較容易，有可能在未來(lái)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(huì )出現與貨物裝卸設備的沖突。
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(guò)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(huì )稍有增加，原則上現有的柴油發(fā)動(dòng)機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(wèn)題需要解決，包括燃料不穩定性、腐蝕、容易生長(cháng)微生物、對管路和儀表有負面影響、低溫流動(dòng)性不良等問(wèn)題。盡管在2020年之前可以解決這些技術(shù)問(wèn)題，但在航運中廣泛采用生物燃料還取決于價(jià)格、刺激政策和供給能力。
核能
核電站在操作過(guò)程中沒(méi)有溫室氣體排放，特別適合于動(dòng)力需求變化慢的船舶。盡管目前有幾百艘以核能提供動(dòng)力的海軍艦船，但是很少有商船采用核能。商用核能動(dòng)力船需要使用低濃縮鈾，開(kāi)發(fā)的陸地原型是一個(gè)小反應堆（與大型船用柴油發(fā)動(dòng)機相比），功率輸出可達到25MW，生命周期以十年左右計算，能源價(jià)格為200萬(wàn)美元/MW。
這項技術(shù)要求進(jìn)行廣泛測試和嚴格的質(zhì)量認證，政府參與可能會(huì )加速這項技術(shù)的應用過(guò)程。
航運業(yè)采用核能動(dòng)力的主要障礙是難以控制核燃料的擴散、放射性廢物的儲存、高昂的投資成本和社會(huì )接受程度。
綜合了多種可再生能源的混合型電動(dòng)船概念將在特種船上實(shí)現，岸電供應計劃、船用燃料電池和高溫超導體也會(huì )得到發(fā)展嗎
電動(dòng)船——海上“普銳斯”
到2020年混合型電動(dòng)船可以采用柴油-電動(dòng)配置、船用燃料電池、電池組、太陽(yáng)板或可縮回的風(fēng)力發(fā)電機和緊湊型的超導電動(dòng)機。引入電動(dòng)船概念會(huì )提高船舶整體效率，綜合采用各種可再生能源。
混合動(dòng)力船舶
到2020年混合電動(dòng)船可能采用各種傳統和超導電動(dòng)機和發(fā)電機、燃料電池和其他電池?；旌蟿?dòng)力概念把各種可再生能源的動(dòng)力組合到一起，例如太陽(yáng)能板或伸縮式風(fēng)力發(fā)電機。其中，性能監控、動(dòng)力管理和冗余是關(guān)鍵因素。在未來(lái)十年，混合動(dòng)力概念將應用于工作船、客船和小型貨船，對于大型貨船，只能用作輔助動(dòng)力。
混合系統的高度復雜性要求制定良好的維護戰略，控制電網(wǎng)穩定性，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(dòng)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(guò)一系列的電化學(xué)反應把化學(xué)能直接轉換為電能，理論效率可以達到80%（氫），它可采用天然氣、生物燃氣、甲烷、乙烷、柴油或氫氣作為燃料。液化天然氣燃料電池與柴油發(fā)動(dòng)機相比，每千瓦可實(shí)現最高50%的二氧化碳減排。隨著(zhù)污染排放控制區的建立，人們會(huì )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(dòng)力。燃料電池最初會(huì )提供輔助動(dòng)力，如客房載荷，最終將在混合電動(dòng)船中提供輔助推進(jìn)動(dòng)力。應用這項技術(shù)的主要障礙是成本、重量、尺寸、生命周期以及對負荷變化的響應速度。在未來(lái)的十年中會(huì )出現完全商用型船用燃料電池。
電池
負荷頻繁變化的船舶可采用多種動(dòng)力形式，以使船舶達到最佳效率，而這都要求采用合適的動(dòng)力儲存模式。
電池能解決網(wǎng)絡(luò )功率波動(dòng)，實(shí)現整體平衡，保證船舶平穩運行不受到干擾。電池可儲存多余的電能，在用電高峰時(shí)供電。例如，在燃料電池不能滿(mǎn)足負荷的快速變化時(shí)，通過(guò)電池進(jìn)行補償。通過(guò)電池儲存電能可以讓雙燃料發(fā)電機以接近最佳載荷的工況運行，避免負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(shí)間長(cháng)是阻礙電池廣泛應用的主要因素。
預計納米技術(shù)將在實(shí)現電池儲存能力的突破方面發(fā)揮重要作用。
高溫超導體
電阻會(huì )造成發(fā)電機、電動(dòng)機、變壓器和傳輸電纜的能量損失。
高溫超導體的電阻（在－160℃時(shí)）為零，超導體電纜與相同尺寸的銅電纜相比可允許150倍的電流通過(guò)，大大縮小電動(dòng)機和發(fā)電機的尺寸。超導體線(xiàn)圈還可以用于儲存電能。
但是，這些材料需要通過(guò)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，導致喪失超導性能。冗余是采用高溫超導技術(shù)進(jìn)行船舶設計所面臨的主要問(wèn)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，船舶污染排放會(huì )造成本地環(huán)境和健康問(wèn)題。
岸電計劃是通過(guò)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(guò)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(huì )實(shí)現現有船舶與新建船舶在船舶和岸電網(wǎng)絡(luò )之間的標準連接，可以把岸電轉換為適合船用的電壓和頻率。
這項技術(shù)所面臨的主要挑戰是大型港口是否有足夠的電網(wǎng)供應能力，小型港口是否會(huì )缺乏電力基礎設施。
廣泛采用船舶E-導航解決方案可提高安全性能，優(yōu)化保安、經(jīng)濟和環(huán)保性能，但哪些是關(guān)鍵技術(shù)呢
數字船舶——降低航行難度
船舶E-導航系統是指訪(fǎng)問(wèn)、集成、處理以及呈現本地和遠程采集的航海信息，把傳感器關(guān)鍵信息傳輸到岸上或其他船舶的能力。其中的關(guān)鍵技術(shù)與導航（如電子海圖、雷達和聲波定位）、狀況監控（如船舶應力傳感器）、船舶跟蹤（如AIS，LRIT）、衛星圖像和通信及計算機軟件等相關(guān)。這些構成元素為船長(cháng)提供了決策支持。
目前航運業(yè)的領(lǐng)袖企業(yè)采用了E-導航技術(shù)，到2020年很多船舶都將效仿。E-導航匯集了船舶操作的所有方面，從安全導航（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A(yíng)IS、LRIT系統和其他衛星服務(wù)開(kāi)發(fā)的系統將實(shí)現全球監控和跟蹤，提供一系列的支持應用。充分利用這些系統可能要求較高的數據傳輸速度，可能會(huì )限制偏僻區域的使用。
ECDIS
船舶觸礁事故會(huì )造成嚴重的財產(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（ECDIS）采用電子導航圖，把觸礁可能性減低了30%。IMO新規則要求大部分船舶在2020之前采用ECDIS。
ECIDS是其他支持系統（如高級氣候導航、海盜偵查、海冰識別和浮動(dòng)物體報警等）的平臺。ECDIS同時(shí)也是一項關(guān)鍵的E-導航技術(shù)，通過(guò)與非導航系統結合，它的優(yōu)勢將不僅局限于保證安全導航，還會(huì )延伸到港口排期和清關(guān)系統。對這項新技術(shù)的熟練掌握非常重要，但用戶(hù)必須清醒地認識到ECDIS存在信息過(guò)載和報警盲區的風(fēng)險。
先進(jìn)的氣候導航系統
傳統意義的氣候導航主要關(guān)注于安全導航，避免惡劣的氣候。事實(shí)上，氣候導航也可以?xún)?yōu)化燃料消耗（可節省10%左右）和到達時(shí)間，提高船員和乘客舒適度，降低船舶疲勞度。通過(guò)風(fēng)險評估措施選擇最佳路徑，取決于所選目標的優(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準，還要考慮氣候變化的影響。
預計在2020年之前通過(guò)遠程和船上傳感器的數據收集，將會(huì )提高海洋實(shí)時(shí)信息和預報數據的空間-時(shí)間分辨率。針對具體船舶和路線(xiàn)調整適航和海浪阻力的響應模型?？梢酝ㄟ^(guò)采用實(shí)時(shí)和歷史數據和自我學(xué)習算法來(lái)實(shí)現上述目標。
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的武裝搶劫、海盜和恐怖主義的猖獗。在未來(lái)十年這些威脅不會(huì )減弱。
成功減低威脅要求及早偵測，并采取有效的遠程控制的震懾措施（如水、聲音和電擊）。商船高性能雷達的偵測范圍是標準導航雷達的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(lái)的船上報警系統會(huì )處理雷達、聲納、攝像頭以及遠程衛星采集的實(shí)時(shí)數據。在未來(lái)十年，預計反海盜服務(wù)商會(huì )通過(guò)衛星提供海盜預警服務(wù)，這個(gè)系統可以集成到船上系統中。
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。當高速行駛的船舶到達目的地后，卻往往要在錨地停泊數天，這就導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年可以采用衛星跟蹤和氣候導航，把泊位規劃算法集成到船舶港口通信系統中，實(shí)現同步化，生成靠泊時(shí)間表，以最小的成本實(shí)現碼頭通過(guò)量的最大化，同時(shí)最大程度減少船舶的駐留時(shí)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(shí)間也提高了船舶安全。
未來(lái)北極地區夏季可能出現積冰消融，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和新軟件
極地級船舶——探索北極新機遇
未來(lái)十年夏季海冰規模會(huì )減少，隨著(zhù)碳氫化合物燃料價(jià)格不斷升高，各國將勘探開(kāi)發(fā)新資源，北極航運量也會(huì )增加，與北極相關(guān)的技術(shù)會(huì )迅猛發(fā)展，例如冰區路線(xiàn)優(yōu)化軟件、船體負荷監控系統以及新的破冰概念。
新型破冰船
被護衛船舶的船首兩側區域比破冰船寬，會(huì )遇到未破碎的冰塊，導致冰塊阻力增加。
采用為側向破冰而特殊設計的斜型船體的破冰船可以拓寬一些航道，通過(guò)采用多個(gè)可360度旋轉的Z推進(jìn)器可實(shí)現側向操作。這種破冰船在護衛小型船舶時(shí)首先采用船首部分破冰，在護衛較寬的船舶時(shí)會(huì )采用側向破冰。采用這種設計允許寬度為20米的破冰船開(kāi)出40米寬的航道。這樣未來(lái)一艘破冰船就可以護衛較寬的船舶，而到目前為止還是需要兩艘傳統的破冰船。通過(guò)測試表明在采用傾斜操作模式時(shí)，速度是正常速度的一半。在未來(lái)十年，這種新型破冰概念將廣泛地應用于北極航運操作。
冰負荷監控
在冰層覆蓋的水域中航行時(shí)，船長(cháng)必須能夠判斷冰層負荷是否超出了船體局部強度承受能力。
在遭受極端負荷時(shí)，橋樓中的冰負荷監控系統會(huì )提示。冰負荷監控系統通過(guò)固定在船首某些選定肋骨上的幾百個(gè)應變儀來(lái)連續測量冰負荷情況，然后把測量的信號值與已知的肋骨安全限值相對比，安全限值是根據每條船舶的有限元模型計算出來(lái)的。這個(gè)系統的運作依賴(lài)于正確的傳感器位置、及時(shí)校準和故障傳感器的偵測以及有效的和安全限值對比。
預計在未來(lái)十年，很多北極船舶都將采用上述系統，為船舶的減速時(shí)間或選擇其他航線(xiàn)以避免船舶損壞提供參考意見(jiàn)。
北極救生船
傳統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計的。
北極救生艇針對冰區航行進(jìn)行了強化，并采用防凍措施。救生艇需要穿越冰區（如冰脊），還要穿越開(kāi)闊水面。到2020年，這類(lèi)船舶將采用阿基米德的螺旋式運動(dòng)概念。在船舶兩側會(huì )設計兩個(gè)大型螺旋式浮筒。設計難關(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荷。
北極船舶的常規防凍措施應該考慮救生艇的防凍，例如防止結冰，預熱發(fā)動(dòng)機。
冰區導航軟件
沒(méi)有破冰船護衛的船舶需要自己找尋通過(guò)冰層的路線(xiàn)，以最大程度減少燃料消耗和航行時(shí)間。
到2020年，冰區導航軟件將根據衛星圖像、氣候觀(guān)察、冰區海圖和氣候、冰區模型的預測等綜合考慮冰區基本狀況。
航線(xiàn)選擇時(shí)首先會(huì )推測模擬所經(jīng)區域的冰層狀況，例如平坦海冰、碎冰航道、浮冰區域和冰脊區域等。然后冰區模型計算冰阻力、速度和通過(guò)時(shí)間，并考慮船舶具體情況。導航器將設置最佳路徑的優(yōu)選標準，例如速度、通過(guò)時(shí)間、燃料節約能力或污染排放。
冰區航行培訓模擬裝置
在北極地區航行的船舶數量不斷增加，但會(huì )有一些船員只有很少或完全沒(méi)有冰區航行經(jīng)驗。這就需要采取有效的培訓，讓船員掌握冰區航行技術(shù)。
培訓模擬裝置提供了船舶培訓環(huán)境，讓船員掌握在各種模擬的海冰、黑暗、冰雪、大霧和結冰條件下如何操作。根據船舶－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(huì )進(jìn)行實(shí)時(shí)計算，船（模擬）會(huì )對船員操作實(shí)時(shí)響應。
船員將學(xué)習識別不同的海冰類(lèi)型，學(xué)習如何避免厚冰層，例如冰脊和多年冰?？梢酝ㄟ^(guò)模擬器培訓特定的船舶操作，例如冰區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)濟性能先進(jìn)模型技術(shù)，能更好地管理設計的復雜性和不確定性。那么如何實(shí)現呢
虛擬船舶——新設計思路
船舶設計人員總是試圖綜合考慮各種目標，但總會(huì )受到規則和法規的制約。隨著(zhù)未來(lái)更多新規范的出臺，越來(lái)越多的領(lǐng)域會(huì )受到監管，新設計也面臨著(zhù)很多挑戰。為了應對這些新設計所面臨的挑戰，為了管理創(chuàng )新性解決方案的復雜性和內在風(fēng)險，業(yè)界會(huì )采用先進(jìn)的模型化技術(shù)來(lái)評估各種概念和技術(shù)在整個(gè)生命周期的技術(shù)和經(jīng)濟性能。
整合船舶設計工具
鑒于未來(lái)設計和風(fēng)險的復雜性，人們會(huì )加速采用先進(jìn)的建模方法和工具，實(shí)現新船體設計、推進(jìn)器和船機系統的開(kāi)發(fā)和評估。這種設計方法依據的是各種軟件環(huán)境，包括多目標優(yōu)化算法。
由設計人員完全控制個(gè)案所采用的數學(xué)方法、目標、限制條件和分析軟件。在計算過(guò)程中，將針對船舶每個(gè)子系統采用模塊化工具，例如機械設備或船體外形。不同的模塊通過(guò)集成設計平臺連接到一起，為了保證及時(shí)評估，軟件會(huì )設計多尺寸、多物理和多分辨率的物理模型。
性能的定義是多維的。集成設計工具發(fā)展到2020年將充分利用多處理器架構和互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，支持分布式、平行式和協(xié)調執行的各種設計任務(wù)。在更復雜的專(zhuān)業(yè)化和投資更高的船舶設計和優(yōu)化中會(huì )更多地采用這項技術(shù)，例如客船和工作船。
未來(lái)十年采用集成設計工具所面臨的主要風(fēng)險是極其復雜性和專(zhuān)業(yè)用戶(hù)的特殊需要，還會(huì )存在與軟件集成、數據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計、性能以及各種可選技術(shù)的成本相關(guān)的可靠數據。大部分數據都可以通過(guò)終端用戶(hù)的應用程序、模塊化措施和大規模測試來(lái)收集。
模型化船機設計
隨著(zhù)燃料電池、其他電池和可再生輔助動(dòng)力等動(dòng)力系統的出現，系統配置也越來(lái)越復雜。而傳統的設計關(guān)注于通過(guò)優(yōu)化每個(gè)組件來(lái)提高效率。
隨著(zhù)當今設備技術(shù)的成熟，需要從集成系統角度來(lái)考慮船機和能源系統，提出創(chuàng )新的開(kāi)發(fā)模式。
到2020年將可以采用模塊化計算機工具對現實(shí)工作狀況下的船機系統進(jìn)行建模、模擬和優(yōu)化。從設備模塊庫中選擇模塊來(lái)建立系統，采用同樣的工具執行優(yōu)化設計、狀態(tài)監控和性能優(yōu)化以及安全和可靠性分析。專(zhuān)家匱乏和數據可靠性問(wèn)題是這些工具在2020年前將面臨的主要風(fēng)險。
模塊化船體設計
傳統的船體設計優(yōu)化通常局限在靜水情況、設計載貨能力和設計速度條件。采用這種方法建造的船舶在偏離設計條件時(shí)性能不良。
到2020年，船體設計工具將實(shí)現計算機輔助工程設計組件，例如CAD、CFD和FEM與多目標優(yōu)化的無(wú)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(guò)采用降低阻力措施或推進(jìn)能效增強設備，進(jìn)一步提升對具有更高預測能力的計算工具的需要。在2020年將根據實(shí)際運作模式來(lái)設計船舶，保證穩健的船體結構，充分地應對各種外部條件。
采用這些工具所面臨的主要挑戰是靈活性和計算效率。
大型示范項目
為了應對航運業(yè)在2020年的復雜狀況和各種風(fēng)險，需要快速安全地完成從構思到新產(chǎn)品投入使用的開(kāi)發(fā)過(guò)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(shí)現創(chuàng )新技術(shù)的商業(yè)化，必須進(jìn)行實(shí)驗室測試和大型項目的示范。
示范項目應該能夠驗證理論模型，找出并解決安全挑戰，完成技術(shù)認證，消除認識偏差。通過(guò)制定更準確的測試和擴展規范，可以實(shí)現建模工具和實(shí)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(shí)施。
在主要利害關(guān)系人之間分擔投資和風(fēng)險將加速創(chuàng )新和技術(shù)的應用。
來(lái)源：航運交易公報
