传感器技术如何赋能船舶？丨郭源生细说传感器

编者按：传感器作为“信息时代的神经末梢”，已渗透到社会经济的每一个关键领域。本报日前刊登《砥砺奋进 “十四五”｜传感器行业创新之路》一文，作者九三中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长郭源生指出，“站在 ‘十五五’的新起点，我国传感器行业面临着巨大的机遇与挑战”，并建议未来聚焦电力、重大装备、智能制造、智慧农业、智慧医疗与大健康、智能家电及消费电子、城市安防、低空经济八大领域与场景，建强传感器产业。本报特邀郭源生副理事长就上述领域传感器应用前景、产业现状、未来建议等进行展开阐述，以形成产业共识，促进产业发展。

在现代船舶工业体系中，传感器技术的先进程度不仅直接决定船舶的航行安全性、运营经济性与海洋环境适应性，更成为衡量一个国家船舶工业核心竞争力与海洋战略话语权的关键标志。

当今，全球商船队总运力已突破20亿吨，年航运量120亿吨，3万余艘各类船舶在全球海洋航线日夜穿梭。我国作为世界第一造船大国，船舶保有量、新船订单量连续13年位居全球首位，海洋工程装备市场份额占比超35%，年航运收入突破万亿元，是全球船舶与航运业发展最快的市场之一。然而，当人们惊叹于30万吨级油轮在远洋航线的高效运输、深海钻井平台在千米海底的资源开发，或是智能船舶在复杂海况下的自主避障时，往往忽略了遍布船舶动力、导航、结构安全等8大核心系统的数千个传感器，正以毫秒级频率采集着数百万组关键数据。从主机缸体的120℃-350℃高温区间到深海探测的6000米高压，从船舶姿态的0.1°偏转到底部海流的0.5节流速，这些数据通过船载总线实时传输至中央控制系统，构建起海洋航行安全的 “第一道感知防线”。

一、船舶传感器技术：构建全维度海洋感知体系的核心支撑

目前，一艘10万吨级散货船需搭载超2500个独立传感器，30万吨级油轮突破4000个，而深海科考船、军用舰艇的传感器数量可达5000个以上，广泛分布于动力系统、导航定位、航行环境、结构安全、货物监测等关键领域。以 “雪龙 2”号科考船为例，其传感器年均采集数据量高达8TB，相当于4000部高清电影的存储容量，可提前识别破冰艏的结构应力、全回转推进器的轴承磨损等潜在隐患，为极地复杂海况下的安全航行提供核心数据支撑。

功能导向：按核心作用划分，覆盖船舶全生命周期需求

船舶传感器按功能可分为五大类。其中，船体动力系统监测类占比30%，是船舶健康监护核心；导航定位类占比25%，为航行方向与位置提供精准指引；航行环境类占比20%，感知海洋气象与水文变化；结构安全类占比15%，守护船体与设备的物理完整性；船载特种监测类占比10%，满足科考、军用、危化品运输等特殊需求。

1.动力系统监测类传感器：船舶的“心脏监护仪”

船舶发动机动力系统是复杂的高温高压机械系统，活塞需在300℃下以500 转/分钟往复运动，任何故障都可能导致“海上抛锚”。通过监测振动、温度、压力、流量等参数，提前预警故障。

主机振动传感器：安装于柴油机缸体、曲轴箱等关键部位，捕捉转子不平衡、轴承磨损等异常振动。其核心元件为PZT-8压电陶瓷，可将机械振动转化为电荷信号，频响范围0.1~8000Hz，量程±30g。以MAN B&W 6S70MC-C主机为例，其振动传感器在缸体部位监测到200Hz左右的异常峰值时，可判断为活塞磨损；500Hz峰值则对应曲轴轴承损伤。

燃油压力传感器：安装于燃油喷射系统，监测燃油喷射压力，确保燃烧效率与排放合规。采用压阻式技术，量程0~200MPa，精度±0.5% FS，响应时间＜1ms。在- 40℃~120℃、0~200MPa 工况下误差变化＜0.3%，可精准控制燃油喷射压力在±0.5MPa 范围内，使柴油机燃烧效率提升1.2%，氮氧化物排放降低8%。

排气温度传感器：安装于主机排气总管，通过排气温度间接反映燃烧室与涡轮状态。采用热电偶技术，量程0~800℃，精度±3℃，响应时间＜0.3 秒。当EGT超 750℃时，系统自动限制油门；达800℃时触发紧急停车指令，避免主机烧毁。

2.导航定位类传感器：船舶的 “航向指南针”

在浩瀚海洋中，导航定位传感器是船舶“眼睛”。其精度直接决定船舶能否在狭窄航道安全会船、在深海区域精准作业。

卫星导航接收机：接收北斗、GPS、GLONASS 等多星座信号，为船舶提供全球定位。我国自主研发的北斗三号接收机，采用 “三频点多模” 设计，定位精度达1米，速度测量精度±0.1米/秒，航向精度±0.1°。

惯性导航系统：在卫星信号丢失时，如穿越峡谷、极地地区，通过惯性元件持续输出位置、速度和姿态数据。基于光纤陀螺技术重量＜20kg。其加速度计量程±10g，精度±0.001g；陀螺仪量程±300°/ 秒，精度±0.01°/小时，即便在无卫星信号的北极航道，位置误差每小时不超过0.5海里。

船用回声测深仪：通过声波反射测量水深，保障船舶在浅水区的航行安全。采用双频技术，量程0~1000米，精度±0.1% FS，最小探测深度0.5米，避免船舶搁浅。

3.航行环境监测类传感器：船舶的“海洋环境眼”

海洋环境复杂多变，航行环境监测传感器让船舶能够感知风浪、海流、水质等环境变化。

风速风向传感器：安装于船桅顶端，为船舶航行提供气象参考。采用三杯式风速计与风向标组合，风速量程0~60米/秒，精度±0.5米/秒；风向量程 0~360°，精度±1°。

海浪传感器：通过测量波浪的高度、周期与方向，为船舶稳性分析提供数据。采用声学式技术，量程0~20米，精度±0.1米，数据更新率10Hz。

水质传感器：检测海水的盐度、酸碱度、溶解氧等指标，为海洋生态研究与船舶防腐蚀提供依据。采用电极式技术，盐度量程0~40‰，精度±0.1‰；pH量程0~14，精度±0.1。

4.结构安全监测类传感器：船舶的 “安全防护盾”

船舶结构安全至关重要，结构安全传感器构成了船舶的“安全防护盾”，在故障萌芽阶段发出预警。

船体应力传感器：安装于船体关键部位，如船艏、船舯、船艉的纵骨与横梁，监测结构应力变化。采用光纤光栅技术，量程- 2000με~+2000με，精度±1με。当应力超设计值的90%时，自动预警，避免结构疲劳损坏。

火灾传感器：部署于机舱、货舱，采用“光电烟雾探测+温度监测”双重机制。货舱传感器烟雾阈值0.01% obs/m（每米光衰减率），温度超70℃时触发灭火。

船舶姿态传感器：采用MEMS技术，横摇/纵摇量程±90°，精度 ±0.1°；艏摇量程0~360°，精度±0.1°。可将平台姿态控制在±0.5°范围内，监测船舶的横摇、纵摇、艏摇等姿态参数，保障船舶在恶劣海况下的航行安全。

5. 船载特种监测类传感器：满足科考、军用、危化品运输等特殊需求。

技术原理：适配海洋极端工况的核心路径

海洋特殊环境具有高温、高湿、高盐雾、强腐蚀、强振动等极端特点，船舶传感器技术原理必须适配这些特殊环境和相应参数指标要求。目前。按原理可分为：

1.采用“双压电晶体对称设计”的压电陶瓷技术：将机械振动转化为电信号，频响0.1~8000Hz，耐温-50℃~200℃，误差±0.5%/100℃以内。

2.利用不同金属导体的热电效应测量温度的热电偶技术：测量范围0~800℃，热电势率约41μV/℃，精度±3℃。

3.通过电磁感应计算转速的磁电式转速传感技术：测量范围0~10000转 /分钟，精度±0.1%，耐温范围- 50℃~200℃，寿命超20000小时，几乎无需维护。

4.利用声波的反射、折射特性声学传感技术：量程0~5米/秒，精度±0.01米/秒，可分辨0.1米的波高变化。

5.基于光学原理的红外传感技术：量程0~5000米，精度±50米，在雾天预警船舶避碰。

6.基于电极与电解液的化学反应电化学传感技术：量程0~40‰，精度 ±0.1‰，响应时间＜1 秒。

7.利用光纤材料特性的光纤光栅传感技术：应变测量精度达±1με，温度测量精度达±0.1℃，可在- 50℃~120℃环境下长期工作。

8.基于金属电阻应变效应应变片技术：常用的金属应变片灵敏系数约2.1，电阻值通常为120Ω或350Ω，应变测量范围- 2000με~+2000με，精度±0.1% FS。

除此之外，船舶各个系统中还有射频识别（RFID）、超声波探伤等辅助感知技术，与核心传感器形成协同。

安装场景：按部署位置划分，适配船舶复杂环境要求

船舶的不同区域环境差异显著，从-20-60℃的极地冰区到120℃的主机舱，从6000米的深海到腐蚀严重的沿海区域，船舶传感器的安装场景需根据部署位置进行特殊设计。按部署位置可分为船体外部、机舱内部、船舶舱室、特种区域四类，每类场景都有针对性的技术方案，确保传感器在极端环境下可靠工作。

1. 船体外部传感器：抗腐蚀、抗水流冲击、耐高低温

安装于船艏、船艉、船桅、船底等部位，需承受海水腐蚀、水流冲击、高低温变化等极端环境，防护设计是核心。

2. 机舱内部传感器：耐高温、高振动、防油气腐蚀

机舱是船舶动力系统的核心区域，温度高、振动大、油气浓度高，是船舶传感器最恶劣的安装环境，主要包括主机振动传感器、燃油压力传感器、EGT 传感器等。

3. 船舶舱室传感器：低功耗、小体积、易维护

船舶舱室包括驾驶室、货舱、客舱等，环境相对稳定，对传感器的体积、功耗、维护性要求较高，主要包括导航设备传感器、货物状态传感器、客舱环境传感器等。

4. 特种区域传感器：防爆、防水、防电磁干扰

危险化学品舱、高压电力舱、军用电子舱等特种区域对传感器的防爆、防水、防电磁干扰要求极高，主要包括LNG 货舱温度传感器、高压电力舱电流传感器、军用电子战传感器等。

二、船舶传感器技术：应用现状与产业格局

我国船舶传感器产业在市场规模、应用领域等方面取得了显著进展，但在核心技术、高端产品等方面仍存在“卡脖子” 问题，呈现 “机遇与挑战并存” 的发展格局。

市场规模与应用分布

2024年全球船舶传感器市场规模已超过84亿美元，中国市场规模约为 120亿元人民币，占全球市场的比重超过20%。从应用领域来看，动力系统监测类传感器占比30%，导航定位类占比25%，航行环境类占比20%，结构安全类占比15%，特种监测类占比10%，形成以动力系统与导航定位为核心的市场结构。

此外，船舶老龄化翻新改造升级与更新换代对传感器市场形成了持续拉动。全球商船队中，船龄超过20年的船舶占比约为30%，这些船舶的传感器面临老化、性能下降等问题，更新换代需求迫切；新造船对传感器的需求也在不断增加，尤其是智能船舶、绿色船舶对新型传感器的需求，进一步推动了市场的增长。以我国为例，2024年新造船传感器市场规模约为81亿元，船舶更新换代传感器市场规模约为39亿元。

当前技术短板与挑战

尽管我国船舶传感器市场规模不断扩大，但在技术层面仍面临诸多短板与挑战，主要体现在以下几个方面：

1. 高端传感器进口依赖度高

在核心导航传感器、深海探测传感器、高端动力系统传感器等关键产品领域，我国进口依赖度较高。例如，高精度惯性导航系统、深海多波束测深仪、高性能主机振动传感器等产品，主要依赖国外品牌，进口率超过80%。这不仅导致国内船舶工业的成本上升，也带来了供应链安全风险。以某型30万吨级油轮为例，其进口传感器的成本占船舶传感器总成本的70%以上。

2. 海洋极端环境适应性不足

我国船舶传感器在盐雾腐蚀、深海高压、低温、强电磁干扰下的可靠性与国际一流水平仍有差距。在深海高压环境下，国产传感器的耐压性能、测量精度与国外产品相比存在不足，例如，国外深海压力传感器可在6000米水深下保持±0.1% FS 的精度，而国产传感器在3000 米水深下的精度仅为±0.5% FS；在盐雾腐蚀环境下，国产传感器的使用寿命较短，平均无故障工作时间约为 5000小时，而国外产品可达10000 小时以上。

3. 标准化体系缺失

船舶传感器行业的标准化体系尚未完善，不同船型、不同厂家的传感器接口不统一，导致兼容性差，增加了船舶的维护成本和时间。同时，缺乏统一的数据格式和测试方法，也不利于传感器的选型、集成与应用。例如，在智能船舶的传感器数据集成中，由于不同厂家传感器的数据格式不统一，需要投入大量的人力物力进行数据转换，增加了系统集成的难度和成本。

4. 国产化技术与国际一流水平的差距

在精度、寿命、集成化程度等方面，国产船舶传感器与国际一流水平仍有差距。例如，在动态导航定位精度方面，国产中低端GPS /北斗接收机的动态定位精度与国外顶尖产品相比还有1~2米的差距，而高端北斗三号接收机定位精度已达1 米，与国际一流水平持平；在传感器寿命方面，国产传感器的平均无故障工作时间较短，约为国外产品的1/2，盐雾环境下仅为5000小时；在集成化程度方面，国外已实现多参数集成的传感器模块，而国内大多仍为单一功能传感器，集成化程度较低。

三、船舶传感器技术：未来发展趋势与自主创新路径

面对技术短板与挑战，我国船舶传感器产业需把握未来发展趋势，通过自主创新实现技术突破与产业升级。

技术升级方向：瞄准“高精、高可靠、高集成、抗极端”

未来，船舶传感器技术将朝着高精度、高可靠、高集成、抗极端的方向升级，通过新材料、新结构、新算法突破性能瓶颈。

1. 精度与可靠性提升

导航定位精度优化：北斗三号接收机将采用“多频点融合+ AI算法补偿” 技术，动态定位精度从3米提升至1米，与GPS顶尖产品持平；惯性导航系统将突破“光纤陀螺小型化”与“MEMS误差补偿算法”，精度达±0.001°/小时，满足智能船舶自动驾驶的高精度需求。

动力系统监测精度提升：主机振动传感器将采用“双压电晶体+数字信号处理”技术，振动测量精度从±0.1g提升至±0.05g，可识别更细微的机械故障；燃油压力传感器的精度从±0.5% FS 提升至±0.1% FS，使柴油机燃烧效率进一步提升1%。

可靠性增强：全面推行“冗余设计+健康管理”双保障，导航定位传感器从 “双余度”升级为“三余度”，动力系统传感器从“单余度”升级为“双余度”；同时，传感器内置“健康监测芯片”，实时采集自身温度、电源、信号完整性数据，通过AI算法预测寿命，提前300小时预警元件老化，避免突发故障。

2. 高集成与微型化突破

依托MEMS技术与系统级封装，船舶传感器将从“单一参数测量”向“多参数集成”转型，大幅缩小体积、减轻重量、减少布线。

多参数集成模块：航电系统将推出“五合一集成模块”，将温度、湿度、气压、风速、风向传感器集成在一个模块中，替代传统5个独立传感器，体积缩小 80%，重量减轻70%，布线量减少90%，使船舶上层建筑重量从100kg降至60kg，可大幅降低燃油消耗。

智能传感器节点：动力系统将研发“智能传感器节点”，将振动、温度、压力、转速传感器与数据处理芯片集成在一个节点中，直接安装于主机机匣，通过无线传输将数据发送至船载系统，替代传统有线传输，减少动力系统内部布线量50%，避免导线因高温、振动老化引发的故障。

3. 抗极端环境能力强化

通过新材料、新工艺的应用，增强船舶传感器在海洋极端环境下的适应性。

抗腐蚀材料与工艺：船体外部传感器壳体将采用“钛合金+陶瓷复合涂层”，陶瓷涂层厚度20μm，致密性高，盐雾腐蚀速率降低90%，耐盐雾腐蚀寿命从 5000小时提升至15000小时，减少沿海地区传感器更换频率。

抗高压设计：深海传感器将采用“蓝宝石晶体+金属波纹管”结构，蓝宝石晶体具有良好的抗压性能，可在6000米水深下保持稳定；金属波纹管具有良好的弹性，可补偿深海压力变化对传感器的影响，使深海压力传感器的精度在6000米水深下保持±0.1% FS。

抗电磁干扰技术：采用“超材料电磁屏蔽”技术，屏蔽效率提升至120dB以上，可在强电磁环境下保持传感器的测量精度。

4. 智能化与低功耗优化

AI算法将与传感器深度融合，实现传感器数据的智能分析、故障预测等功能；同时，通过能量回收技术实现传感器的低功耗甚至自供电。

智能化功能：传感器将具备“边缘计算”能力，在传感器内部实现数据的初步分析与处理，如对振动信号进行傅里叶变换，识别故障特征频率，减少船载系统的计算负担；通过机器学习算法，实现故障的智能诊断与预测，准确率超过95%。

能量回收技术：利用船舶的振动、温差等能量为传感器供电，例如，采用微型压电发电机将主机振动转化为电能，为动力系统传感器供电，实现“无源工作”，彻底摆脱对船载电源的依赖；利用海水与船体的温差，采用热电发电机为船体外部传感器供电，在深海环境下可持续工作。

应用场景拓展：从“安全航行”到“智慧服务”

船舶传感器的应用场景将从传统的“安全航行”向“智慧运维”“绿色航运”“海洋服务”等场景延伸，为航运业的智能化、绿色化发展提供支撑。

1. 智能运维与预测性维护

通过传感器实时采集船舶设备的健康数据，结合大数据与AI算法，构建“故障预测模型”，实现“按需维修”。

设备健康监测：在船舶主机、辅机、推进器等关键设备上部署振动、温度、压力等传感器，实时监测设备的运行状态。通过AI算法分析传感器数据，识别设备的早期故障特征，如主机轴承磨损的特征频率、推进器叶片损伤的振动模式等，提前30天预警故障，使设备的非计划停机时间减少50%。

船体结构健康监测：采用分布式光纤传感器，将光纤埋入船体结构中，实时监测结构应变、裂纹等。当结构应变超过设计值的80%或出现0.1mm裂纹时，系统自动预警，避免结构疲劳损坏，延长船体使用寿命10%以上。

2. 绿色航运与能效优化

传感器技术将助力船舶降低燃油消耗与碳排放，实现绿色航运。

燃油消耗精准控制：通过高精度燃油流量传感器与AI算法，实时优化主机燃油喷射量，使燃油消耗降低2%。以一艘10万吨级散货船为例，每年可减少燃油消耗2000吨，减少碳排放5200吨。

航线优化：结合风速风向、海浪、海流等环境传感器数据，采用AI算法优化航行路线，使船舶在航行过程中尽可能利用有利风况、海流，减少燃油消耗。在跨太平洋航线中，航线优化可使航行时间缩短5%，燃油消耗减少3%。

3. 海洋服务与生态保护

船舶传感器将与海洋环境监测网络联动，为海洋资源开发、环境保护提供数据支持。

深海资源勘探：深海探测传感器将实现对深海矿产、生物资源的高精度勘探，多波束测深仪的分辨率从1米提升至0.5米，热液喷口探测传感器的灵敏度提高10倍，为深海资源开发提供详细数据。

海洋环境监测：船舶上的水质、气象传感器将实时传输数据至海洋环境监测中心，构建全球海洋环境监测网络，为海洋污染治理、气候变化研究提供数据支持。在渤海湾，该网络已实现对海水温度、盐度、溶解氧等参数的实时监测，助力海洋生态保护。

4. 智能船舶与自主航行

传感器技术是智能船舶与自主航行的核心支撑，将实现船舶的自主感知、决策与控制。

自主避障：通过船载雷达、激光雷达、视觉传感器等，构建船舶周围环境的三维感知模型，实现对障碍物的自动识别与避障，避障响应时间小于1秒。

自主靠泊：结合高精度导航传感器与视觉传感器，实现船舶的自主靠泊，靠泊精度达±0.5米，减少对港口拖轮的依赖，提高靠泊效率。

产业创新路径：构建“自主可控”生态体系

为实现船舶传感器产业的自主可控，需从核心技术、标准体系、产业集群、政策资金等方面构建创新生态体系。

1. 核心技术攻关

聚焦进口依赖度高的核心产品，如高精度惯性导航系统、深海多波束测深仪、高性能动力系统传感器等，组织科研力量进行关键技术攻关。通过“产学研用服”协同创新，突破敏感元件、信号处理电路、封装工艺等关键技术瓶颈，实现核心产品的国产化替代。例如，设立“船舶传感器核心技术攻关专项”，重点支持惯性导航系统的光纤陀螺、深海压力传感器的蓝宝石晶体等关键技术的研发。

2. 标准体系建设

加快船舶传感器行业的标准体系建设，统一接口标准、数据格式标准、测试方法标准等。制定《船舶传感器通用技术要求》《船舶传感器接口规范》等国家标准，推动行业的规范化发展。通过标准化建设，提高传感器的兼容性和互换性，降低船舶的集成与维护成本。

3. 产业集群培育

推动船舶传感器上下游产业协同发展，培育“研发-制造-测试-应用”完整的产业链集群。在研发环节，支持高校、科研院所与企业开展合作，加强基础研究和应用研究；在制造环节，提升传感器的精密制造能力，建设智能化生产线；在测试环节，建设国家级的船舶传感器测试平台，为传感器的性能验证提供支撑；在应用环节，鼓励船舶制造企业、航运企业优先采用国产传感器，推动技术的产业化应用。例如，在上海、大连、武汉等船舶工业集中区域，培育船舶传感器产业集群，形成产业协同效应。

4. 政策与资金支持

设立船舶传感器产业发展基金，为核心技术攻关、产业化项目提供资金支持；鼓励产学研合作，对开展船舶传感器技术研究与应用的企业、高校、科研院所给予政策优惠；加强国际合作与交流，学习借鉴国外先进技术与经验，同时推动国产传感器走向国际市场。例如，对购买国产船舶传感器的航运企业给予一定比例的补贴，提高国产传感器的市场竞争力。

四、结束语

我国船舶传感器产业已具备一定的发展条件，在市场规模、应用领域等方面取得了显著进展，但在核心技术、高端产品等方面仍需突破。未来，随着技术升级与产业创新路径的推进，到2030年，我国船舶传感器产业规模有望突破300亿元人民币，在全球市场的占比将进一步提高，形成3~5家具有国际竞争力的龙头企业。

船舶传感器产业的发展不仅关乎我国船舶工业的自主可控与全球竞争力，更对保障国家海洋权益、走向深海和推动智慧海洋建设具有重要战略意义。它将为国产船舶走向全球提供技术支撑，为我国在海洋资源开发、海洋环境保护、国防安全等领域的发展筑牢感知根基，助力我国从造船大国、航运大国向造船强国、航运强国迈进，在智慧海洋的浪潮中扬帆远航。

在实现海洋强国的征程中，船舶传感器产业必将肩负起“感知海洋、护航航行” 的使命，以自主创新突破技术壁垒，以协同生态构建产业优势，为全球航运业与海洋开发事业贡献中国力量。

（本文作者：九三学社中央科技委副主任、中国传感器与物联网产业联盟常务副理事长 郭源生）