综述：从岸电供应到可持续港口转型：新兴技术与战略趋势

《Journal of Marine Science and Engineering》：From Shore-Side Electricity to Sustainable Port Transformation: Emerging Technologies and Strategic Trends

　　

海运承担全球90%以上的贸易运输，因依赖化石燃料成为温室气体排放的重要来源。为实现国际海事组织（IMO）与《欧洲绿色协议》设定的脱碳目标，除船舶技术革新外，港口基础设施的可持续转型亦不可或缺。本研究将船岸供电（STS）充电技术视为推动港口电气化进程的核心要素，系统梳理交流（AC）、直流（DC）及混合充电架构的研究进展，并综述机器人及自主充电系统的最新成果。研究同时探讨智能港口应用场景下的工业标准体系与能源管理策略，明确可再生能源接入与电网交互模型为未来重点研究方向。在此基础上，研究人员提出岸电供应（OPS）就绪指数（OPSRI）——一种基于多准则的综合评估框架，从运营适配性、技术成熟度、基础设施兼容性及监管合规性四个维度量化不同船型对接入岸电系统的适宜性。本综述的核心贡献在于将国际标准体系、机器人充电技术与船型特异性就绪度评估整合至统一分析框架中。研究结果表明，渡轮与拖船在当前条件下极适合部署OPS系统，而长途货运船舶则面临显著限制。研究成果可为港口管理部门、政策制定者与能源规划者提供实践参考，指明构建智慧、可持续低碳港口生态系统的关键挑战与未来路径。

1. 1.
   引言
   海运在全球物流体系中占据核心地位，支撑着世界贸易连续性、客运安全与经济效率，但其对化石燃料的高度依赖导致该行业贡献了全球约3–5%的温室气体（GHG）排放，主要包含二氧化碳（CO₂）、硫氧化物（SO_x）、氮氧化物（NO_x）及黑碳等污染物。若维持当前发展态势且无有效气候政策干预，至2050年海运排放占比将攀升至17–18%，严重威胁行业长期可持续性。为此，IMO协同《欧洲绿色协议》制定了雄心勃勃的脱碳目标，计划于2050年前后实现国际航运温室气体净零排放，并设立2030年与2040年阶段性减排指标。实现上述目标亟需从传统化石燃料向低碳及零碳能源转型，而港口电气化及岸电供应（OPS）与船岸供电（STS）充电技术的大规模部署是关键支撑。现有预测显示，IMO温室气体减排路径与常规发展模式间存在显著排放缺口，仅靠清洁燃料无法填补，必须依托港口侧电气化与STS充电基础设施。随着电动及混合动力船舶渗透率提升，高功率、快速、可靠的STS充电系统需求日益迫切，其可有效降低港口排放并减少船舶怠速时长。近年来，自主与机器人船岸充电技术已成为智慧港口建设的重要组成部分，这类系统将电动汽车充电自动化原理迁移至海事领域，但需满足更高功率等级与更短接驳时间要求。通过减少人工干预与作业延误，机器人及自动化STS系统可显著提升安全性与能效，在可持续港口电气化战略中发挥关键作用。现有文献多聚焦通用港口电气化策略或机器人电动汽车充电，缺乏融合STS充电架构、自动化水平、国际标准、机器人连接系统及船型特异性OPS就绪度评估框架的综合性综述。本研究针对上述空白，系统梳理STS充电技术的现状、挑战与未来方向，并提出OPS就绪指数以量化不同船型的OPS部署适宜性。论文首先阐述岸电系统的监管背景与标准化进展，继而分析交流、直流充电架构、混合配置及新兴无线或机器人连接系统等技术路径，进一步探讨大规模部署所需的能源管理策略与基础设施要求，明确可再生能源集成的关键地位。相较于既往综述，本文实现了工业标准（IEC/IEEE/ISO 80005系列）、自动化技术及人工智能驱动机器人充电解决方案的统一比较，最终识别海事电气化领域的研究缺口与未来机遇，强调互操作标准、电网-港口交互模型及人工智能驱动自主充电机制的必要性，为构建符合全球脱碳目标的可持续低排放港口生态系统提供整合视角。
2. 2.
   背景与监管框架
   船舶电气系统的安全运行需严格遵循国际工业标准，这些标准覆盖设计、建造与运行全流程的技术要求，涵盖电气安装、危险区域设备、电池储能系统及新兴燃料电池与氢基技术的安全导则。相关标准可分为四类：第一类为岸电连接标准，以IEC/IEEE/ISO 80005系列为核心，分别规范高压岸电系统（80005-1）、通信接口（80005-2）与低压岸电系统（80005-3）；第二类为船舶电气安装与保护标准，如IEC 60092、IEC 61363-1与IEC 60947；第三类为储能与替代燃料安全标准，包括针对电池的IEC 62619/62620、针对燃料电池的IEC 62282及针对氢能的ISO 16110-1；第四类为电能质量与电网交互标准，如IEEE 519与IEEE 1547。其中80005系列是船岸电力传输与互操作性的核心框架，构成第4节OPS就绪度评估的监管基础。氨、甲醇重整制氢等替代燃料系统需符合ISO 16110-1的安全要求，ISO/TR 15916则规定了氢能处理、存储与通风布局的通用安全原则。易燃气体积聚的危险区域分类依据IEC 60079-10-1，相关设备需按IEC 60079-17定期检验。燃料电池电力系统设计需遵循IEC 62282的泄漏检测、热管理与紧急关断要求。针对船用锂离子电池等大型储能系统，IEC 62619与IEC 62620明确了过温保护、充放电限值及海事工况下的电芯均衡等安全与生命周期性能准则。船舶配电系统还需符合IEC 60092-101与IEC 61363-1等标准，低压开关柜、变流器与保护装置遵循IEC 60947等规范以确保可靠电能变换与保护配合。IEEE 519、IEEE 1100与IEEE 1453等标准进一步指导电能质量与电网交互性能，而针对混合与可再生能源港口能源系统，IEEE 929与IEEE 1547规范了分布式发电与并网同步、保护及DER电网合规要求。总体而言，IEC标准侧重设备级安全与性能，IEEE标准聚焦电网交互与电能质量，二者共同保障船岸电气接口的可靠互操作性，主要船级社如DNV、劳氏船级社与美国船级社均要求系统部署前通过上述标准认证。
3. 3.
   趋势 in 海事电气化
   为响应IMO脱碳目标与区域环境法规，海运业正加速向电气化转型，电动与混合动力船舶在内河航运、沿海运输及港口作业中渗透率显著提升，频繁的靠港行为为接入岸基电力设施提供了便利。运营船舶与在建订单数据表明，电力推进船舶数量呈逐年增长态势，印证了行业对低排放推进系统的坚定投入。尽管电池动力船舶订单量已超越历史平均水平，全电动与插电式混合动力配置在多类海事应用中逐步具备商业可行性，但目前仅35%的电池动力船舶为可通过OPS充电的插电式或全电动类型，主要受限于港口基础设施不足与高密度电池技术迭代。按船型细分，渡轮、客船与海上服务船舶主导了电气化进程，这得益于其航线固定、航程较短以及在沿海与城市水域面临的减排监管压力；相比之下，远洋货运与油轮板块尚处应用早期，混合动力架构被视为过渡方案。锂离子电池与固态电池在能量密度、安全性与充电效率方面的技术进步是转型的核心驱动力，DNV等船级社亦更新了商用船舶电池安装与混合动力推进系统的认证指南。挪威凭借全电动渡轮船队、政府补贴与严格的排放控制区（ECA）成为全球领跑者，荷兰与中国开展了内河货运与港作船舶大规模试点，新加坡与韩国则大力投资智慧港口电气化项目。DNV GL能源转型展望预测，至2050年通过电池与冷态停泊提供的岸电将满足航运总能源需求的5–7%（对应150–170 TWh），其中客运与服务板块电气化率接近18%。这一发展态势为新一代电动船舶日益增长的电力需求奠定了先进STS充电基础设施的建设基础。
4. 4.
   OPS就绪指数 by 船型
   OPS基础设施的快速扩张是降低船舶在港排放、支撑海运电气化的关键举措，但不同船型对OPS与STS充电方案的适用性存在显著差异，这源于运营模式、船载能源系统与监管暴露度的区别。尽管FuelEU Maritime等法规日益强制要求OPS使用，港口与政策制定者仍需在电网容量受限与基建预算约束下优化投资决策。为此，研究人员提出OPS就绪指数（OPSRI），通过整合全球电池动力船队数据集中隐含的运营、技术、基础设施与监管参数，对船型按当前OPS接入适宜性进行排序。该指数为港口电气化战略提供结构化透明框架，支持基础设施规划、法规实施与投资优先级划分，其技术就绪度与基础设施兼容性维度直接关联第5节对比的STS充电技术——有线、无线、换电与机器人充电方案的可用性与成熟度决定了各船型的可服务性，从而实现技术综述与多准则评估的有机衔接。

4.1 OPSRI方法论

OPSRI采用四维度等权重复合评分法，各维度按0–5标准化量表评分，高分代表船型在OPS集成方面具备更高就绪度。运营适配性反映船舶运营剖面与岸电使用的匹配程度，依据航线长度（近海vs远洋）、平均在港时间与靠港频率评估，短途高频次靠港船舶得分更高。技术就绪度衡量船载电气化与能源管理系统成熟度，指标包括各船型中电池-混合动力与全电动船舶占比、先进能源管理系统（EMS）普及率及典型电池容量范围，电池系统渗透率高且EMS架构成熟的船型得分更优。基础设施兼容性评估船舶功率需求与现有或可部署OPS设施的匹配度，考量典型岸电等级（低压、中压、高压AC与DC快充）及在现有港口电网约束下的供给可行性，峰值功率需求极高的船型因需大规模电网增容而得分较低。监管压力表征船型受OPS相关法规约束的强度，重点考量挂靠受监管港口的概率、在港时长及对城市或环境管制区排放限制的敏感度。最终OPSRI为四维度得分的算术平均值，形式上表达为OPSRI = Σ_i w_i · s_i，其中s_i为维度i的标准化得分，w_i为对应权重且Σ_i w_i = 1。基准情景下四维度等权（w_i = 0.25），各维度基于既定指标体系采用锚定0–5评分法，得分源自文献综述的运营特征、基础设施需求、监管暴露度与技术成熟度数据并经专家评估整合。

4.2 政策与投资启示

OPSRI为利益相关方提供实用决策工具：港口当局可优先在利用率与减排潜力最高的领域投资OPS；监管机构可将OPS强制要求聚焦于技术可行性较高的船型；电网规划者可预判高OPSRI船型驱动的电力需求增长。研究结果显示，渡轮与拖船应成为近期OPS与快充基础设施的重点部署对象，邮轮与近海货运船舶构成次要但增长的市场，而远洋货运船舶尽管面临监管压力，仍受限于功率需求巨大与电池集成度低的瓶颈。敏感性分析表明，即便调整维度权重，渡轮与拖船始终位列最高就绪梯队，远洋货运船舶排名最低，仅近海货运与邮轮的排序随监管或基础设施权重变化而微调，验证了排名的稳健性。这一结论与DNV GL关于客运与服务板块电网供电占比最高的独立预测一致。OPSRI凸显了差异化OPS部署策略的重要性，反对对所有船型实施统一强制要求。该指数通过透明数据驱动框架，支持政策设计、港口投资优先级划分与电网规划决策，引导短期资源投向利用率、减排潜力与经济效益最优的领域，同时识别需采用替代脱碳路径或长期基建发展的细分市场。

1. 5.
   充电技术对比
   5.1 有线充电系统
   电动船舶有线充电系统分为船载充电与岸基充电两类，差异体现在功率变换设备位置、充电功率、能量传输效率、自动化水平与维护需求。船载充电系统中，港口交流电经船舶内置AC–DC变流器转为直流电后输入电池，通常采用230 V单相或400 V三相配置，广泛应用于客渡轮与服务艇等低功率场景。由于变流器集成于船体，该系统在安装与运营灵活性方面具备优势，但增加了船载系统复杂度、占用宝贵舱容并需定期维护。岸基充电系统的功率变换设备部署于港口侧，交流电在此转换为直流电后输送至船舶，适用于渡轮、滚装船与货船等高功率需求场景，DC输出能力可达500 kW及以上。更快的充电速度、与自动连接机制的集成能力及集中式能源管控使其成为高频运营航线的理想选择，且岸基系统支持集中监控与远程诊断，有助于降低全生命周期成本。高效运行有线系统还需整合自动缆线处理方案、绝缘连接器、安全闭锁机制及船-港同步协议，高电流工况下的谐波抑制、继电保护系统集成与智能能源管理仍是重点研究方向。

5.2 无线充电系统

无线电能传输（WPT）消除了传统插拔系统的机械磨损、腐蚀与连接器失效风险，在盐雾潮湿的严苛海洋环境中优势显著。WPT通过电磁场或电场实现非接触式能量传输，主要包括两种技术路径：感应电能传输（IPT）依靠线圈间交变磁场工作，具备高功率传输能力、对准容差大与恶劣环境适应性强等特点，瓦锡兰IPT原型机现场测试已实现1 MW功率传输；电容电能传输（CPT）利用导电板间电场传输能量，结构更简单且无磁干扰，但在盐水环境中面临效率低、对准敏感度高与绝缘挑战。WPT可在短时靠泊期间完成快速充电，为高频次运营船舶提供灵活选择，低维护需求与基础设施磨损小的特点尤为突出。最新研究探索其与浮式充电站的集成，以支持离岸与浅水港口应用，但电磁干扰、空间约束与能量损耗仍是待解难题，线圈优化、对准容差提升与智慧港口集成是当前研发重点。

5.3 电池更换系统

电池更换为时效性要求高的海事作业提供了插电充电的高效替代方案，尤其适用于短途渡轮与服务船舶。靠泊期间直接替换耗尽电池模组为满电模组，最大限度压缩运营停时。其核心优势在于平滑港口电网负荷曲线，区别于高功率充电模式，电池模组可在低谷时段以低功率缓慢充电，便于可再生能源消纳。但该模式的可持续性依赖于持续充足的满电电池库存，否则易导致系统中断。实施过程需配备大容量机器人搬运系统或起重设备，初始投资高昂且对船舶设计兼容性提出要求，因此需审慎评估其技术与经济可行性。

5.4 STS系统自动化等级

船岸（STS）能量传输系统的自动化水平因港口基础设施、船型与运营需求差异显著，可分为手动、半自动与全机器人三类。手动系统为传统STS电力连接方式，依赖人工操作电缆与连接器，因资本成本低且与传统港口布局兼容而仍广泛应用，但劳动强度大、对准误差频发、接驳时间长，恶劣天气加速部件磨损并引入人机工程学安全风险。半自动系统在保留操作员监督的同时，引入电动组件与传感器反馈机制以降低人工负荷，导向电缆卷筒、伸缩臂与辅助对准系统提升了连接精度并减轻疲劳，虽异常处置仍需人工介入，但部分自动化保障了重复作业一致性并缩短整体靠泊时间，是中型港口或分阶段自动化改造的成本效益选择。

5.5 全机器人系统

全机器人系统通过机器人操纵器、计算机视觉、传感器融合与人工智能控制算法彻底消除人工干预，可自动检测连接器位置、补偿船舶运动并在无人工输入下完成连接。现有实施方案包括轨道安装机械臂与自动导引车（AGV）搭载平台，可基于环境反馈实时对准，减少人为失误、缩短连接时间并实现高吞吐量码头全天候连续作业。然而，系统复杂性、高初始成本、高湿高盐环境下的可靠性挑战以及与现有港口物流的集成难题仍需突破。随着硬件耐用性与自适应控制算法的进步，全机器人系统有望成为下一代绿色港口的标配。从成本效益与商业化成熟度看，无线充电因专用线圈与电力电子设备推高单位资本成本，且效率劣势抬升全生命周期能耗成本，目前仍处于试点阶段；电池更换虽规避峰值电网负荷，但冗余电池库存与机器人处理设施的资本支出高昂，部署局限于短途渡轮试点；岸基DC有线充电凭借高功率适用性与成熟度，仍是当前OPS商业运营的主流选择。未来需开展平准化输电成本与单泊位资本运维成本的全面技术经济比较研究。

1. 6.
   机器人控制与对接技术
   机器人对准技术的首要类别依托相机与计算机视觉算法检测船舶充电接口并引导连接器定位，实现无人工辅助的精准对接。早期研究采用霍夫变换与透视n点（PnP）算法等几何方法，后续系统利用二维视觉检测引导机械臂运动，深度学习兴起后，CNN模型检测精度突破98%，混合CNN–SVM架构与SIFT立体匹配方法进一步增强了鲁棒性与精确度。相较于传统几何与经典特征方法，CNN检测器在光照变化与遮挡条件下表现出显著更高的精度与容错性，而Transformer与YOLO系列检测器则以微小精度损失换取实时推理速度。这表明融合CNN级精度与单阶段检测器低延迟的混合流水线最契合海事充电的动态对准需求，但仍需建立统一海事工况下的标准化定量评测基准。多自由度机械臂正逐步取代固定或低自由度机构，以更好适应船舶运动与环境扰动，缆索引导机械臂与铰接插拔机构在紧凑港口空间内的标准化接口兼容性优势推动了其商业化应用。AI辅助控制系统利用深度学习与强化学习估计连接器位姿，动态响应船舶运动、波浪效应与视觉遮挡，YOLO系列、CNN与Transformer架构的目标检测模型被集成至反馈控制回路以维持复杂环境下的对准稳定性，特征匹配算法与卡尔曼滤波等传感器融合方法降低了跟踪延迟，嵌入式系统实现验证了上述策略在拥挤港口环境中的实际适用性。随着STS充电对AI驱动控制、网络化传感器与远程监控的依赖加深，网络安全成为关键议题。潜在攻击面涵盖感知控制管道（如对抗样本篡改相机输入误导位姿估计）、船-岸-港口能源管理系统通信链路（易遭欺骗、中间人攻击与拒绝服务）及大功率切换硬件（控制器被劫持可能引发安全事故）。由于这类系统横跨运营技术（OT）与信息技术（IT）域，需采取纵深防御策略，包括符合IEC 62443的加密认证通信、面向机器人控制回路的入侵检测、抗对抗样本感知模型及异常触发安全回退机制。自主海事充电的网络安全标准化要求仍不完善，是重要的未来研究方向。
2. 7.
   结论与建议
   本综述系统探讨了船岸（STS）充电技术在推动海运业向低排放电气化转型中的作用，整合了监管框架、充电架构、电池更换概念、机器人充电技术与AI驱动控制系统，提出的OPS就绪指数（OPSRI）为评估不同船型岸电集成适宜性提供了实用框架。研究结果表明，渡轮与拖船是当前OPS部署的最佳候选对象，而远洋货运船舶受技术与基础设施限制较大。国际协调标准、岸基DC快充与不断提升的自动化水平将成为未来港口电气化的核心支柱，港口应避免一刀切部署策略，依据船型特征、运营剖面与基础设施就绪度优化OPS投资。本研究融合技术评估、运营分析与政策视角，为构建可持续智慧港口生态系统提供了实践指引。未来研究应着力于拓展IEC/IEEE/ISO 80005框架的互操作性、开发电网-港口交互与需求响应模型、评估新兴充电技术的技术经济性、强化AI赋能机器人充电系统的网络安全防护，并利用多港口运营数据验证OPS就绪指数。此外，将可再生能源与储能系统集成至智慧港口生态，是实现全自动低碳海事基础设施的关键路径。