現(xiàn)代計算正顯著改進造船與海洋工程的設(shè)計與建造流程，但相當(dāng)數(shù)據(jù)集的捉襟見肘正在阻礙其進一步融合。

造船與海洋工程（NAME）這一學(xué)科名稱可能只有幾百年的歷史，但其起源卻可以追溯至幾千年之前的古代文明，當(dāng)時人類就已經(jīng)在建造船只來探索世界、開展商業(yè)活動。包括阿基米德、布格和查普曼在內(nèi)的許多人，已經(jīng)將浮力、穩(wěn)定性和船舶設(shè)計概念提煉成科學(xué)的方法和理論。

造船與海洋工程屬于專業(yè)工程學(xué)科，涵蓋海洋船舶與結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建造、測試、測量、維護及運營。我（作者）畢業(yè)于美國海岸警衛(wèi)隊學(xué)院，擁有海洋建造與海洋工程學(xué)士學(xué)位，并在加州大學(xué)伯克利分校獲得碩士學(xué)位。在過去22年以來，我一直在一家私營海洋咨詢企業(yè) 擔(dān)任船舶建造師，從事客輪、海洋研究船、駁船及其他船舶的設(shè)計工作。

從設(shè)計浮動碼頭、到復(fù)雜的1200英尺游輪甚至是如同海上小鎮(zhèn)般的航空母艦，造船工程是個包羅萬象的學(xué)科。相關(guān)專業(yè)人士還經(jīng)常負責(zé)設(shè)計海上風(fēng)力平臺、潛艇、集裝箱船、自主船舶以及幾乎一切運行在水下/水上的船舶。

雖然包括我自己在內(nèi)，當(dāng)代的造船工程師在大學(xué)的課程中一直使用鉛筆、繪線和小模型來學(xué)習(xí)專業(yè)知識，但實際設(shè)計過程已經(jīng)在全面結(jié)合基于機器學(xué)習(xí)的高級計算機應(yīng)用程序。

課堂上的繪線用于勾勒船體形狀，借此評估船舶的設(shè)計和建造流程。在使用鉛筆和繪線時，往往需要反復(fù)繪制和擦除，并用目測法來判斷曲線是否足夠平滑。但現(xiàn)在，不少軟件都能夠幫助我們快速繪制船體線圖，并利用算法用收集到的歷史數(shù)據(jù)對當(dāng)前方案做出驗證。

現(xiàn)代計算能力的增強，使得工程師能夠在幾秒鐘之內(nèi)測試變量并評估其有效性，這項工作在以往可能需要幾個小時、甚至是幾天時間。而之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種效率提升，離不開過去幾百年間人們對于科學(xué)原理和計算公式的不懈探索。此外，軟件當(dāng)中還包含必須滿足的最低安全標準與合規(guī)要求。

人們常說，海洋工業(yè)在接納新技術(shù)方面永遠行動緩慢。但如果大家走進現(xiàn)代造船廠或者工程設(shè)計公司，就會看到3D建模、計算流體動力學(xué)、有限元分析和機器人制造的常規(guī)使用，所以刻板印象往往并不準確。而現(xiàn)在，造船業(yè)也是時候考慮引入機器學(xué)習(xí)和AI等更多高級工具了。

如今，造船與海洋工程師們使用先進的軟件包，大大提高了設(shè)計開發(fā)的效率和準確性，而其中一些工具特別適合與機器學(xué)習(xí)和AI相結(jié)合。例如，計算流體動力學(xué)（CFD）就主要使用納維-斯托克斯方程來對船舶行駛的流體進行建模。

得益于現(xiàn)代計算能力的提升，我們可以通過計算來評估物理現(xiàn)象。但即使使用目前最強大的計算機，這類模擬也往往需要大量時間和可觀投入。因此，目前人們?nèi)匀粡V泛使用拖曳水箱來評估和衡量船體形狀及性能。但借助計算流體動力學(xué)，我們現(xiàn)在也可以創(chuàng)建一段“虛擬”的拖曳水箱會話，與AI討論如何優(yōu)化船體形狀，之后再通過實際場景做更進一步的測試和驗證。在理想情況下，甚至無需做實體拖曳水箱測試即可找到最優(yōu)設(shè)計。機器學(xué)習(xí)能夠減少此類模擬的運行時長、為客戶節(jié)約資金，同時減少可能出現(xiàn)的錯誤。

但目前在基礎(chǔ)機器學(xué)習(xí)算法之外進一步應(yīng)用AI的主要障礙，就在于可供AI使用的專有數(shù)據(jù)集太過有限。為了讓AI取得成功，AI系統(tǒng)往往需要大量數(shù)據(jù)來提取并構(gòu)建有效的查詢響應(yīng)。如果缺少強大的數(shù)據(jù)集，AI生成的結(jié)果將無法在造船與海洋工程領(lǐng)域發(fā)揮作用。我們公司也意識到，在多年周期之內(nèi)收集并應(yīng)用實際數(shù)據(jù)已經(jīng)成為減少錯誤、改進設(shè)計的重要前提，因此開始采取措施在未來的設(shè)計中積極整理并使用這些數(shù)據(jù)。

造船和海洋工程學(xué)科的某些領(lǐng)域確實積累了大量數(shù)據(jù)集，而且正被用于改進工程設(shè)計，其中包括海浪與洋流測量、船舶操縱記錄以及海洋設(shè)備性能日志?？杀M管此類活動對應(yīng)大量可用數(shù)據(jù)，但它們通常由政府機構(gòu)、運營商和設(shè)備制造商負責(zé)維護，目前并沒有可供所有利益相關(guān)方輕松訪問的全球數(shù)據(jù)集。

基于多種原因，船舶設(shè)計數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用還相當(dāng)有限。其中包括私人或政府資助的設(shè)計（數(shù)據(jù)僅限所有者使用）、專業(yè)船舶設(shè)計（只針對某種特定類型的船舶，因此適用范圍非常有限），同時缺少對實際可用數(shù)據(jù)進行收集、驗證和交付的必要資金。

澳大利亞船舶設(shè)計廠商Austal透露了其DeepMorpher工具的一些細節(jié)。這款工具使用AI與機器學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化船體形狀，該公司在新聞稱中稱其中使用高性能計算以減少計算流體動力學(xué)的執(zhí)行時間，同時配合其3D船體設(shè)計數(shù)據(jù)集。Austal擁有龐大的船體形狀庫，并在測試和驗證后發(fā)現(xiàn)DeepMorpher的性能比其他幾種現(xiàn)有模型高出好幾個數(shù)量級。

如果能夠全程保證數(shù)據(jù)匿名，且開放數(shù)據(jù)訪問確實能給所有者帶來可量化的好處，那么目前專有數(shù)據(jù)的嚴格限制未來應(yīng)該能得到緩解。此外，某些特定設(shè)計決策（例如針對特定用例或客戶需求而設(shè)計的總體規(guī)劃）可以繼續(xù)保留專有屬性、不對外開放。

然而，不少其他設(shè)計決策是為了滿足適用于整體設(shè)計的數(shù)學(xué)確定性或監(jiān)管要求。如果包括政府機構(gòu)在內(nèi)的業(yè)主能看到數(shù)據(jù)和AI系統(tǒng)給設(shè)計工作帶來的效率提升，那么他們也許愿意主動提供數(shù)據(jù)集。

但在各種特殊的船型方面，也沒有太好的辦法了。其中的應(yīng)用空間也就是不同船舶之間可能在某些部分可以通用，因此可以嘗試挖掘相應(yīng)數(shù)據(jù)。但即便如此，這種驗證數(shù)據(jù)并檢查其是否可以轉(zhuǎn)用的過程也需要大量時間和金錢，因此需要想辦法對數(shù)據(jù)做“清洗”以控制成本、提升其實際適用范圍。

造船與海洋工程是個有趣的工程領(lǐng)域，需要在船體形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、發(fā)電、配電、室內(nèi)設(shè)計、生活和工作安排、人體工程學(xué)等層面做好設(shè)計，從而形成一個可維持生命運轉(zhuǎn)的海上浮動平臺，并協(xié)助船員在平臺之上完成工作。

所有空間和系統(tǒng)設(shè)計都需要相當(dāng)長的時間，同時必須滿足多方需求，并及時發(fā)現(xiàn)和解決各種潛在的設(shè)計錯誤。AI可用于減少錯誤、確實遵守合規(guī)要求、滿足各種人體工程學(xué)需求，并提供一套“行之有效”的電氣系統(tǒng)和設(shè)備布局設(shè)計。

如今的現(xiàn)代船舶擁有廣泛的電氣與控制系統(tǒng)，整個船舶都在使用計算機進行控制，而新型全電動/混合動力渡輪更是需要搭配先進的控制與監(jiān)控系統(tǒng)。AI能夠在設(shè)計階段幫助我們發(fā)現(xiàn)并解決這些系統(tǒng)之間的相互沖突，速度比人類專家更快，而且有望減少判斷失誤。

近90%的貿(mào)易貨物通過水上運輸，數(shù)百萬人乘坐渡輪及其他客船前往世界各地。海洋行業(yè)對人才的需求量很大——由于合格的船員有限，不少定期船只的航行被迫推遲或取消。美國只有少數(shù)幾所大學(xué)開設(shè)造船與海洋工程學(xué)位，因此難以找到合格人才來推動機器學(xué)習(xí)和AI技術(shù)在這一領(lǐng)域的探索和應(yīng)用。

人力資源問題可以通過強大的AI技術(shù)來解決，但這就又陷入了先有雞、還是先有蛋的死循環(huán)?？紤]到政府項目往往已經(jīng)簽署了關(guān)于多艘船舶的合同，愿意保留一定的設(shè)計開放性（只要不影響到船舶安全）以及較為豐厚的研發(fā)資金儲備，造船行業(yè)似乎可以先與美國海岸警衛(wèi)隊或美國海軍聯(lián)手，共同探尋AI技術(shù)的應(yīng)用前景。

美國海軍就擁有大量船只艦隊，因此特別適合作為AI和機器學(xué)習(xí)的探索起點。2021年啟動的Hopper特遣部隊（Task Force Hopper）就希望加速整個海軍水面艦隊的AI能力，但主要側(cè)重于作戰(zhàn)層面。不過憑借大量可用數(shù)據(jù)及一系列船舶設(shè)計的加持，相信AI未來很可能被應(yīng)用于實際船舶設(shè)計當(dāng)中。