对话杰出科技青年奖获得者|大连海事大学张国庆：船舶智能航行制导与控制领域创新研究与实践

　　人物简介

　　张国庆(1987年)，大连海事大学教授、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才。长期聚焦水路交通控制领域，深耕船舶智能航行制导与控制方向，在船舶简捷鲁棒控制、智能避障制导等方面形成特色研究体系。

　　科研项目

　　主持国家自然科学基金等科研项目10余项，围绕船舶智能航行、智能海事保障等方向开展系统性研究，研究成果为我国智能航运技术发展提供了重要支撑。

　　学术成就

　　在国内外高水平期刊发表SCI论文108篇，其中中科院一区论文83篇；授权发明专利31项，其中7项实现转化。研发的DVS避障制导、船舶简捷鲁棒控制等技术装备获中国船级社认可。曾获中国造船工程学会科技进步一等奖、教育部自然科学二等奖等科技奖励7项。

　　推广实效

　　研究成果在10余家智能航运、智能建造企业实现应用，有效支撑船舶智能航行技术落地与产业升级，取得显著的经济和社会效益。

　　一、专业第一破格保研进入进入国家交通信息工程及控制一流学科带头人张显库教授团队

　　1、确立“船舶+控制”研究方向

　　提问：您本科和博士阶段的学习背景是怎样的？是如何逐步聚焦于船舶智能航行与控制这一方向的？是否有某位导师的引导或某个科研项目对您的研究方向产生了深远影响？

　　张国庆：2006年，我进入大连海事大学航海技术专业，在学校半军事化特色培养的浸润下，从认知船舶起步，逐步建立起对船舶运行机理的系统理解。凭借专业第一的成绩，我获得破格保研机会，进入国家交通信息工程及控制一流学科带头人张显库教授团队，从此开启了船舶运动控制、船舶智能航行与控制方向的科研之路。

　　历经五年的艰苦探索与理论深耕，我不断深化对智能航行任务本质的认识，围绕核心科学问题持续攻关，在领域顶级期刊发表多篇高水平论文，并荣获辽宁省优秀博士学位论文。正是在这一过程中，我深刻洞察到我国在船舶智能航行装备领域面临的现实挑战，也清晰感知到智能技术对提升航行安全与效率的巨大潜力。

　　基于此，我确立了“船舶+控制”的研究方向，面向智能航行这一国家重大需求，致力于实现从算法到软件、从硬件到系统的全链条自主可控，为推动我国船舶智能航行装备自主化发展贡献一份力量。

　　2.国际视野：Fossen团队关键技术探索，加深我对“智能船舶”的理解

　　提问：您曾在国内外多个学术机构交流合作，这些经历对您的研究视野和方法论带来了哪些启发？是否有某个国外团队的研究思路或技术路径让您印象深刻，并影响了您后续的科研布局？

　　张国庆：在读博期间及博士后与工作后，我时常坚持参加行业前沿会议，听闻专家分享自己在各领域的前沿应用，新技术、新发现，对我们行业都有很大的启发，极大地开阔了我们的视野。

　　其中在2014年国内首次提出“互联网+”、2024年提出“AI+”、2015年提出“智能船舶”等概念，这些方向都对我们的科研有着极大地启发和引领。其中围绕“智能船舶”方向，我们与许多国际知名学者保持着长期良好沟通，其中挪威Thor I. Fossen教授团队围绕船舶模型辨识、船舶控制、目标识别与检测等很多方向进行关键技术探索，加深了我对智能船舶的理解，并持续影响我。

　　3.理论结合实践、新技术分享、定期组会、企业交流等综合作用，构建科研生态

　　提问：从青年学者到国家优青、“兴辽英才计划”青年拔尖人才，您在学术成长过程中，面临的最大挑战是什么？是理论突破、工程实现，还是团队建设？您是如何通过具体举措逐步克服的？

　　张国庆：成绩的取得，离不开学校和团队的共同努力。学校为我们提供了良好的科研环境与实验平台，团队成员则是我前行路上最坚实的支撑。面对一个新问题，我们始终坚持从机理出发，深入剖析问题的本质，针对性提出解决方案，并以点带面拓展至行业应用。

　　在这一过程中，我们注重团队分工与人才培养。根据学生的研究水平与发展方向，做好个性化布局与精准指导，通过“传帮带”、理论与实践结合、新技术分享、定期组会、企业交流与调研等一系列举措，逐步构建起一个良性的科研生态。大家齐心协力、攻坚克难，既加深了对行业实际需求与技术痛点的理解，也不断形成新的技术突破与行业应用。

　　成绩的取得，是上述因素综合作用的结果，其本质在于团队的建设与生态的构建。我始终秉持“开拓与创新”的理念，带领团队在智能航运领域持续深耕、不断前行。

　　二、核心技术突破

　　4. DVS避障制导相较传统LOS避障方法的优点

　　提问：您团队研发的DVS避障制导技术，其核心技术原理是什么？与传统船舶避障方法相比，它在感知精度、决策速度、路径优化等方面实现了哪些关键突破？

　　张国庆：DVS避障制导技术中文全称是基于动态虚拟船舶的避障制导技术，其本质是假设有一艘理想的船舶，在当下时刻本船与目标位置间存在一个虚拟的理想船舶，作为我下一时刻的目标位置，本船来时刻向着虚拟小船靠近。随着时刻的更新，本船会不断地接近虚拟船舶。从而实现让整个系统有一定的预测性能，控制更连续，从指标上看，这一核心技术与传统的LOS避障方法相比，具备转向路径光滑、决策速度快、计算负载小，航行更平稳等诸多优点。

　　5. 攻克理论算法到硬件电路再到多传感器间的通讯与软件的实时稳定计算、装备结构的耐腐蚀、抗冲击验证等瓶颈

　　提问：该技术从实验室研究到实际装备应用，经历了哪些关键阶段？在算法验证、系统集成、海上测试等环节中，是否遇到过技术瓶颈？团队是如何通过理论创新或工程优化加以突破的？

　　张国庆：从技术到实际装备需要面临诸多过程，首先是理论要进行算法的验证和检验，证明理论的可靠性。随后要根据实船情况了解实际装备的用途和实际使用环境，需要充分考虑使用人员使用的便利性，更要考虑搭载设备的实际海况条件，满足船舶设备的高可靠性要求。我们自主研发的智能航行控制装备，攻克了理论算法到硬件电路再到多传感器间的通讯与软件的实时稳定计算、装备结构的耐腐蚀、抗冲击验证等瓶颈。首先团队以理论为抓手，深入剖析技术瓶颈的本质原因，从理论创新+工程优化两方向开展实施，先是理论创新实现突破，然后具体在应用中不断优化提升性能

　　6. 简捷鲁棒控制，实现多因素影响下又快又好地找到最合适舵角，高精度地控制

　　提问：您提出的船舶简捷鲁棒控制技术，主要解决了哪些实际问题？它在控制精度、鲁棒性、计算效率等方面有何优势？目前是否已应用于实际船舶或海事系统中？

　　张国庆：我们提出的简捷鲁棒控制技术主要应用于解决船舶在具体航行过程中的控制问题，船舶是一个典型的欠驱动系统，只能通过控制舵角的大小实现对船舶的航向控制，进而实现对位置的控制，在这样的过程当中还需要考虑风浪流、环境的综合因素对船舶的影响。对船舶的干扰从控制角度来讲，外部环境对船舶的干扰、船舶的大惯性等影响因素较多，但是能控制的变量只有一个舵角，这是一个非常复杂的问题，我们的技术就是实现了在上述这么多的影响因素下又快又好地找到最合适的舵角，实现高精度地控制。这一技术目前应用在我们自主研发的智能航行装备当中，已应用到10米级无人艇，67米远洋渔船、百米级的大型商船等多类型船舶当中去，实际应用效果较人工操船具有节省航程、节约能耗、控制精准等显著优点。

　　7. 机船协同助航，前沿技术应用海事保障

　　提问：您团队在智能海事保障方面也有深入研究，能否分享一两个代表性成果？这些技术在提升航行安全、通航效率或应急响应能力方面，发挥了怎样的作用？

　　张国庆：围绕海事保障方向，我们十分注重前沿技术应用，团队也在无人机与船舶协同方向开展了深入研究，我们研制的机船协同助航系统，通过多架无人机的编队，利用无人机的高视野与快速反应能力，实现对船舶周围环境的快速感知，能够提升船舶在通航密集水域提前感知能力，提升对应急状况的了解与处置，提高船舶通航效率。

　　三、成果转化与产业化应用场景

　　8. NAV800A系统将产业化实船应用落地

　　提问：您团队已有31项授权专利，其中7项实现转化。能否介绍其中最具代表性的转化案例？从实验室到市场，经历了哪些关键环节(如企业对接、样机开发、行业认证)？目前应用反馈如何？

　　张国庆：目前我们转化的方向主要围绕船舶智能航行装备板块与机船协同助航板块，目前转化应用比较迅速的是船舶智能航行装备这一方向，并孵化了大连博鳐船舶科技有限公司，专注船舶智能航行装备的研发及产业化，团队主要提供理论创新与验证，通过这项合作，我们完成的NAV800A型智能航行控制系统取得了中国船级社原理性认可，即将取得型式认可，具备大规模安装部署条件。目前设备也应用在67米的2条远洋渔船当中，实际使用效果经过7天长时间的航行验证，与人工操船相比节省了95%的人工操作时间，实现了恶劣海况的稳定控制，控制精度达到了10米级，并节省了8%的燃油消耗，具有控制精准、航行舒适、绿色节能等显著优点。

　　9、只有经历了产业验证与监管检验，技术才能真正实现创新价值

　　提问：在技术转化过程中，您遇到过哪些科研与产业之间的摩擦点？您是如何协调科研团队、企业、行业监管等多方资源，推动技术真正落地应用的？

　　张国庆：在技术转化过程中，科研与产业之间的摩擦主要体现在三个方面：技术成熟度与产业需求错位、研发节奏与市场窗口矛盾、行业监管与技术标准滞后。

　　对此，我们通过“反向技术解构”将工程化要求前置，采用“双轨并行”机制组建联合攻关小组实现敏捷迭代，坚持“标准前置、主动对接”推动示范应用与标准制定。在协调多方资源方面，我们注重构建“科研―工程―应用”闭环：科研团队聚焦核心技术迭代，企业方通过联合实验室深度参与形成利益共同体，行业监管与第三方机构前置介入推动标准建设。

　　目前，我们孵化成立了大连博鳐船舶科技有限公司，团队主要负责理论创新与验证，共同研发的NAV800A型智能航行控制系统已取得中国船级社原理性认可，即将取得型式认可，具备大规模安装部署条件。总体而言，技术转化的关键在于让研发面向真实场景、让产业需求反哺科研方向，只有经历了产业验证与监管检验，技术才能真正实现创新价值。

　　10、面向中国船级社认证，团队的三方面系统应对

　　提问：您的技术装备已获中国船级社认可，这一认证过程对技术成熟度、系统可靠性、测试标准等方面提出了哪些要求？团队是如何应对并顺利通过的？

　　张国庆：中国船级社认可是船舶智能航行装备实船应用的关键门槛，对技术成熟度、系统可靠性、测试标准提出了严格要求：

　　一是技术成熟度方面，要求产品从实验室样机升级为具备冗余设计、故障诊断能力的工程化系统；

　　二是系统可靠性方面，需通过高低温、盐雾、振动、电磁兼容等环境适应性试验及功能安全验证；

　　三是测试标准方面，要求建立可追溯、可复现的“仿真―实船”双轨验证体系。

　　团队主要是从三方面系统应对：

　　一是认证要求前置，在研发初期即对标CCS相关规范，将功能安全、环境适应性嵌入技术路线；

　　二是构建双轨验证体系，通过硬件在环测试平台完成数千小时仿真验证，并在两条67米远洋渔船上完成7天实船航行验证；

　　三是与船级社深度对接，从原理性认可到型式认可，逐项闭环审图意见与试验要求，确保每项指标有据可依。

　　目前，NAV800A型智能航行控制系统已取得CCS原理性认可，即将取得型式认可。这一过程让我深刻体会到，技术从实验室走向实船，不仅需要创新突破，更需要构建可验证、可追溯的技术质量体系。

　　11、大连博鳐船舶科技有限公司，将NAV800A型智能航行控制系统应用于两条67米远洋渔船，检验智能航行技术成熟度应用场景

　　提问：目前您的成果已在10余家智能航运、智能建造企业应用，能否分享一个典型的应用案例？该企业在引入您的技术后，在运营效率、安全性或成本控制方面取得了哪些实质性提升？

　　张国庆：在智能航行装备产业化推广中，我们以孵化的大连博鳐船舶科技有限公司为产业化平台，将NAV800A型智能航行控制系统成功应用于两条67米远洋渔船。远洋渔船作业环境恶劣、操控强度大，对系统的稳定性、精准性与可靠性提出了极高要求，是检验智能航行技术成熟度的理想场景。

　　在长达7天的连续航行验证中，系统实现了恶劣海况下的稳定控制，取得了三方面显著成效：运营效率方面，与人工操船相比节省了95%的人工操作时间，大幅降低驾驶员负担，使其能够更专注于航行态势监控与应急处置；航行安全方面，系统控制精度达到10米级，在复杂海况下保持航迹稳定，有效避免了因疲劳驾驶或人为误操作引发的航行风险；成本控制方面，通过优化航速与航向控制策略，实现了约8%的燃油消耗节省，直接转化为显著的经济效益，同时契合了航运绿色低碳的发展方向。

　　该案例表明，智能航行装备不仅能够实现技术替代，更能在实际运营中带来效率、安全与成本的多维价值。这也进一步坚定了我们持续深耕智能航海领域、推动技术向更多船型与应用场景拓展的信心。

　　四、行业前瞻与战略布局

　　12、我国自主航行算法、实船示范应用等方面与欧美基本处于同一梯队，且在国家政策引导与应用场景丰富度上形成独特优势

　　提问：您如何看待当前智能航运技术的发展阶段？我国在该领域与欧美等发达国家相比，处于什么位置？在核心技术、标准制定、产业生态等方面，我们还有哪些短板？

　　张国庆：当前，智能航运技术正处于从“单点突破”向“系统集成”演进、从“示范验证”向“规模应用”过渡的关键阶段。

　　我国在该领域总体处于“并跑”与“局部领跑”并存的态势，在船岸协同、自主航行算法、实船示范应用等方面与欧美基本处于同一梯队，且在国家政策引导与应用场景丰富度上形成独特优势。

　　但同时，我国仍存在三方面短板：一是核心技术方面，高端传感器、核心控制单元等底层软硬件自主可控程度不足；二是标准制定方面，在国际海事组织、国际船级社协会等国际规则层面的主导权和话语权有限；三是产业生态方面，尚未形成高效协同的产业链闭环，技术研发与规模应用之间的衔接仍存在断点。

　　面向未来，我国智能航运领域应重点在三方面发力：强化底层核心技术自主可控，集中突破感知、决策、控制等关键环节；主动参与国际规则与标准制定，将技术优势转化为标准优势；构建“产学研用检”协同的产业生态，打通从技术研发到规模应用的全链条，实现在新一轮航运科技竞争中从“并跑”到“领跑”的跨越。

　　13、未来研究方向：感知、决策、协同

　　提问：未来5-10年，船舶智能航行与控制技术将向哪些方向发展？您团队接下来的研究重点会聚焦于智能感知、自主决策、协同控制中的哪些细分方向？

　　张国庆：未来5-10年，船舶智能航行与控制技术将呈现三大趋势：从单船智能向系统智能演进，从限定场景自主向全航程自主拓展，从功能实现向高可靠、可认证的工程化体系迈进。

　　我团队接下来的研究将聚焦三个方向：一是复杂场景下的多模态智能感知，融合视觉、雷达、AIS等多源信息，突破非合作目标识别与行为预测，构建海事领域多模态感知评估体系；二是人机协同的自主决策机制，动态划分人机决策边界，建立可解释、可干预的决策模型，确保系统在常规工况下高效自主、在紧急情况下可控可信；三是多船协同与船岸一体化控制，探索分布式控制架构与协同优化算法，推动航行控制从“单船最优”向“系统最优”跨越。

　　同时，我们将持续强化工程化验证与标准化衔接，形成“理论研究―技术突破―工程验证―标准输出”的完整闭环，为我国智能航运从示范应用走向规模推广提供持续技术支撑。

　　14、人工智能在智能航运中的应用潜力体现在三个层次：替代性价值、增强性价值与变革性价值

　　提问：您认为人工智能技术在智能航运中的应用潜力有多大？是否已有相关研究布局？未来是否会探索大模型、强化学习等技术在船舶控制中的融合应用？

　　张国庆：人工智能在智能航运中的应用潜力体现在三个层次：替代性价值、增强性价值与变革性价值。目前，我们团队已在智能航行领域开展了系统性的AI技术布局，涵盖基于深度学习的视觉感知、强化学习驱动的自主避碰决策、以及多源数据融合的态势感知。

　　面向未来，我们正积极布局大模型与强化学习的融合应用。一方面，探索面向海事领域的大模型，实现航行规则语义理解、风险推理与人机交互自然语言解析；另一方面，构建“仿真训练―实船迁移”的强化学习框架，提升系统在恶劣海况、密集交通流等复杂场景下的控制性能。我们计划进一步探索“大模型+强化学习”的协同架构，推动船舶从“程序化自主”向“学习型自主”演进。

　　当然，AI在船载应用中也面临算力受限、可靠性高、可解释性强等现实挑战。我们将持续围绕“算法―算力―可信”三位一体开展研究，在保障安全可控的前提下，稳步推进AI技术在智能航行领域的深度应用。

　　五、人才培养与社会责任

　　15、人才培养注重建立“问题导向”科研思维

　　提问：作为博导，您对青年学者和研究生在科研方向选择、学术思维训练、工程实践能力培养方面有何建议？您如何引导他们在理论与应用之间找到平衡？

　　作为博士生导师，我始终认为，培养研究生的核心在于帮助他们建立“问题导向”的科研思维，并在理论与应用的辩证统一中找到自己的研究路径。

　　在科研方向选择上，我引导学生立足行业真需求、技术真瓶颈，深入一线发现真问题，避免“为了创新而创新”。在学术思维训练上，我注重逻辑构建与批判性思维，要求学生做到“论证有据、结论有界”。在工程实践能力培养上，我强调“从代码到装备、从仿真到实船”，要求学生在校期间完成“搭建一套系统、参与一次试验、解决一个实际问题”。

　　关于理论与应用的平衡，我的理念是“理论源于应用，应用反哺理论”。我引导学生在研究中形成闭环思维，对学术型研究生侧重提炼共性理论，对专业型研究生强化工程实现能力，两类学生相互协作，形成良性互动。

　　最后，我常对学生讲三句话：把论文写在祖国大地上；从实验室到实船，中间隔着一片海；理论的高度决定你能看多远，工程的能力决定你能走多稳。我希望培养出的学生，真正成为智能航运领域“顶天立地”的栋梁之才。

　　16、学科优化与教学改革要求研究生深度参与真实研发项目

　　提问：您认为当前交通运输工程学科在课程设置、科研导向、产教融合等方面还有哪些可以优化的地方？是否有正在进行或计划推进的教学改革？

　　张国庆：当前交通运输工程学科在课程设置、科研导向、产教融合三方面仍有优化空间。课程上，人工智能、智能控制等新兴技术与传统课程的融合尚不够系统；科研导向上，部分研究仍存在“重论文轻应用”的倾向，对成果转化的激励有待加强；产教融合上，校企合作的深度与持续性仍有不足。

　　针对这些问题，我们团队正在推进几项改革：一是构建“智能+航运”融合课程体系，将实船试验案例转化为教学资源；二是改革科研导向，在研究生培养中将技术成熟度提升、实船应用验证等纳入考核指标；三是深化产教融合，依托孵化企业与合作单位，建立“校内实验室+企业研发中心+实船试验基地”三位一体的实践平台，要求研究生深度参与真实研发项目。

　　未来，我们计划进一步推动“课程―项目―实践”一体化改革，以科研项目为牵引，将人才培养与科研攻关深度耦合，为行业培养更多“懂理论、精技术、能落地”的高层次复合型人才。

　　17、服务国家战略：技术创新与行业标准建设

　　提问：您在服务国家战略、参与行业标准制定、推动产学研协同发展等方面做了哪些工作？未来是否有计划进一步拓展国际交流或参与全球海事治理？

　　张国庆：在服务国家战略方面，我带领团队聚焦船舶智能航行与控制关键技术，研发的NAV800A型智能航行控制系统已取得中国船级社原理性认可，即将取得型式认可，并在远洋渔船中成功应用，为智能航运规模应用提供技术支撑。在行业标准制定方面，我积极参与中国船级社相关检验指南的研讨与验证，推动技术成果向团体标准、行业标准转化。在产学研协同方面，我们孵化成立大连博鳐船舶科技有限公司，构建“高校研发+企业孵化+实船验证”的完整链条，有效打通技术转化通道。

　　关于未来，我计划进一步加强国际交流，积极参与IMO、IACS等国际机构的学术研讨与技术合作，并主动参与国际规则与标准制定，力争将我国的技术优势转化为国际标准优势，为我国智能航运“走出去”提供制度支撑。

　　18、安全是底线，伦理是边界，法规是准绳，三者缺一不可

　　提问：在智能航行技术的研发与应用过程中，您如何看待技术安全、伦理风险与法规适配的问题？是否在项目中引入了相关的风险评估或伦理审查机制？

　　张国庆：在智能航行技术的研发与应用中，技术安全、伦理风险与法规适配是决定技术能否落地应用的关键前提。我始终认为，安全是底线，伦理是边界，法规是准绳，三者缺一不可。

　　在技术安全方面，我们严格遵循功能安全设计理念，从系统架构层面引入冗余设计、故障检测与安全降级机制，确保任一环节失效时系统能够维持安全状态。所有关键算法均经过硬件在环仿真与实船验证双重测试，确保技术成熟度达到工程应用标准。

　　在伦理风险方面，我们坚持“人机协同、人在回路”的原则，明确系统定位为“辅助决策”而非“完全替代”，保留驾驶员的最终决策权与干预权，并在人机交互中提供清晰的决策依据，确保系统的可控性与可信性。

　　在法规适配方面，我们采取“标准前置、主动对接”的策略，在研发初期即对标中国船级社相关规范，对尚无明确标准覆盖的新功能，通过示范应用积累数据，为后续标准制定提供支撑。

　　目前，团队已建立系统的风险评估与伦理审查机制，在项目立项阶段进行安全风险评估，在实船试验前组织专家联合评审，确保技术应用始终处于可控、可信的框架之内。

　　19、新兴场景拓展：极地、内河、海上风电

　　提问：您是否有计划将研究成果进一步向极地航行、内河航运、海上风电运维等新兴场景拓展？目前是否有相关合作或项目储备？

　　张国庆：是的，我们正在积极推动智能航行技术向极地航行、内河航运、海上风电运维等新兴场景拓展。这些场景在环境条件、作业模式、安全约束等方面各具特点，对智能航行技术提出了差异化的适配要求。

　　在极地航行方面，针对极区通信受限、海冰复杂的挑战，我们正在开展多源感知融合与冰情避碰策略研究；在内河航运方面，围绕航道狭窄、桥梁密集的特点，推进高精度航迹控制与船桥避碰预警技术研发；在海上风电运维方面，面向作业窗口期短、靠泊精度高的痛点，探索自主靠泊与动力定位辅助控制技术。

　　目前，上述方向均已启动前期研发工作，部分已与相关行业单位对接，正在推进关键技术验证与实船试验准备。我们期待通过场景拓展与技术创新，推动智能航行技术在更广泛领域的落地应用。

　　20、已围绕智能航行与绿色低碳的深度融合开展系统性工作

　　提问：您如何看待“双碳”目标对智能航运技术发展的影响？智能航行是否在节能减排方面具有潜力？您团队是否有相关研究布局？

　　张国庆：“双碳”目标对智能航运技术发展既是重要牵引，也是刚性约束。我认为，智能航行在节能减排方面具有显著潜力，主要体现在航速优化、航迹规划、精细化控制等路径上。我们在实船应用中已验证了这一潜力――NAV800A型智能航行控制系统在远洋渔船测试中，实现了约8%的燃油消耗节省。

　　在团队研究布局方面，我们已围绕智能航行与绿色低碳的深度融合开展系统性工作：一是能效最优的航速与航迹协同优化，实现能耗与时效的平衡；二是基于航行数据的碳足迹监测与评估，为碳排放核算提供数据支撑；三是面向新能源船舶的智能控制技术，推动电动船、混合动力船等新能源船型的智能航行应用。未来，我们将持续深化这一方向，为我国航运业实现“双碳”目标提供技术支撑。

　　图片来源：受访者供图

　　文｜季绍华、孟庆杨