智能船舶航行功能測試驗證的方法體系

劉佳侖，楊帆，馬楓，嚴新平*

1 武漢理工大學 智能交通系統研究中心，湖北 武漢 430063

2 國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063

3 武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063

0 引 言

智能船舶是傳統船舶工業與新興科學技術的集成融合體。智能船舶從概念設計到實際運營需經過功能性和系統性的逐步測試及驗證，以檢驗其各項功能的合理性、可靠性和完整性。因此，智能船舶功能測試與驗證技術的研發及測試驗證體系的構建，是保障智能船舶從理論走向現實的重要因素。而智能船舶航行功能是智能船舶最為重要的功能，智能船舶航行功能測試與驗證方法體系應由虛擬仿真、模型測試、實船驗證3 個部分組成。本文將以性能、能效、信息、智能4 大類功能為測試對象，通過初試、中試、終試3 個階段對智能船舶軟硬件系統進行全方位、多工況的測試驗證，為智能船舶的設計、優化、制造、檢驗與運營提供技術支持與評價依據。

1 智能船舶航行功能測試驗證現狀

自2012 年起，國內外船舶領域的企業、高校、科研院所對貨運船舶的智能化、自主化、無人化發展的關注度持續提高[1-2]。2018 年海上安全委員會（MSC）在第99 屆會議上提出了海事自主水面船的概念與定義，明確了發展自主式貨物運輸船[3]。針對智能船舶技術研發與實踐應用的需求，各國在智能船舶航行的測試驗證方面積極開展研究，主要體現在測試場的建設方面，而在具體測試與驗證技術方法和體系方面仍有欠缺，尚未形成系統化的測試規程與標準。與其他智能/無人系統（如智能網聯汽車）的測試驗證方法研究相比[4-6]，存在明顯的滯后。

挪威已于2016 年9 月、2017 年5 月和2018 年10 月 相 繼 開 啟Trondheimsfjorden，Storfjorden 和Horten 3 個測試場，主要由以康斯伯格和挪威科技大學等挪威企業與高校為主開展有關建設工作，并得到了挪威海事等相關政府部門的支持。芬蘭于2017 年設置了Jaakonmeri 測試場[7]。英國面向尺度在25 m 以內的無人船艇在本國沿海設置了多個測試區域。美國在大湖區面為尺度在10 m 以內的無人船艇設置了測試區。2018 年9 月，荷蘭在管轄的主要航道內也設置了測試場。2018年5 月，比利時在內河主要航段啟用了智能船舶測試區?；诒緡鴾y試場建設的經驗，芬蘭、挪威和韓國分別于第99 屆和第100 屆MSC 會議上提出了海事自主水面船測試相關提案[8-10]。

面向智能航運、智能船舶發展需求，比利時航道管理局在荷蘭水運管理局的支持下，在比利時北部水網地區開放了測試場。自2018 年5 月18 日起，該測試區域面向公眾開放，主要面向內河船舶開展測試。相關單位可以以萊茵河航行管委會制定的智能船舶等級為依據（圖1），提出測試申請，在統一的規范標準下開展測試。目前，相關測試驗證的標準及技術細節尚未對外公布。

圖1 萊茵河航行管委會提出的內河船舶智能等級劃分Fig. 1 Classification of intelligent inland vessels proposed by Central Commission for the Navigation of the Rhine

2018 年2 月，中國船級社（CCS）、武漢理工大學、珠海云洲智能科技有限公司在珠海市政府支持下，共同啟動了珠海萬山無人船海上測試場建設，并于2018 年11 月30 日投入運營，目前該測試場是由CCS 認證的全球最大、亞洲首個、中國唯一的智能船海上測試場，可面向軍用、民用智能船（艇）開展自主感知、自主避障、遠程控制、協同控制等自主船舶核心功能測試。

2017 年6 月，智慧航海研發基地項目簽約儀式在青島藍谷管理局舉行，基地將建設5 大板塊：智慧航海技術裝備研發中心、智慧航海技術裝備綜合試驗場、智慧航海技術裝備產業化中心、無人化運輸船舶管控中心和“水運中心”衛星地面站[11]。2018 年5 月，中國智慧航運發展研討會在青島舉行，由交通運輸部水運科學院和智慧航海（青島）科技有限公司共同建設的智能航運技術創新和綜合實驗基地在青島正式啟動。

2 智能船舶航行功能測試驗證對象

2015 年12 月1 日，CCS 在中國國際海事會展期間正式發布了《智能船舶規范》。該規范綜合考慮了當前智能船舶的應用現狀和未來智能船舶的發展方向，介紹了智能船舶包括智能航行、智能船體、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺6 大功能模塊，并對每個模塊進行了具體說明，其已于2016 年3 月1 日正式生效[12]。本文就智能航行功能展開論述。

智能船舶航行功能測試與驗證涉及不同層級、不同領域軟件和硬件的檢驗。國內外對于智能船舶的等級劃分、功能定義尚存在一定分歧，本文將對測試對象進行總結，針對智能船舶航行功能將其歸納為性能、能效、信息、智能4 大主要類別，如圖2 所示。4 類對象具有相互連接、逐層遞進的關系。

圖2 智能船舶航行功能測試對象分析Fig. 2 Analysis of functional testing object on navigation for intelligent ships

2.1 性 能

智能船舶是具備智能功能的船舶，應滿足各類常規船舶的通用規范標準要求，符合狹義上船舶的靜力性能和動力性能，包括浮性、穩性、抗沉性、快速性、操縱性、耐波性等。雖然經過多年發展，傳統性能試驗已形成較為完善的測試方法和操作規程，但在關鍵指標核準、特殊工況界定等方面仍有不足。特別是隨著智能船舶技術的逐步發展，智能系統將逐步替代駕駛和引航人員，直接控制槳、舵等推進、轉向系統，需對船舶在各種工況下的動力性能進行精確預報與實時核算，此類船舶應較常規船舶具有更優良的操縱性能，以適應智能系統的初期發展階段，并增強其智能航行的安全性。因此，性能測試是智能船舶航行功能測試與驗證的重要基礎。

2.2 能 效

智能船舶技術的發展可促進船舶綠色航行的發展，能效是表征船舶節能減排、綠色環保的重要性能。能效包括船舶的能源消耗與效率管理2 個方面。前者與船舶快速性、耐波性等基礎性能緊密相關，屬于船舶固有屬性，應在設計階段予以優化；后者是在船舶自身能源消耗特征的基礎上，結合外界風、浪、流、涌等環境影響下，通過船舶姿態調節、主機工況管理、航速調節[13-14]等手段，以最低能源消耗為目標的優化策略。能效測試是智能船舶經濟效能與環保指標測試的重要指標。

2.3 信 息

信息是智能船舶航行功能實現的基礎，智能航行過程包括信息的采集、分析、傳輸、存儲等多個方面。各類船舶自身與外界環境數據的采集與監測是智能功能系統實現的輸入，也是系統運行狀態的監督。數據采集的可靠性、全面性、精確性和數據分析的快速性、準確性是能否實現預設功能的基礎；信息傳輸的快速性、連續性、安全性是船舶遠程/自主駕控的保障；數據存儲的完整性、穩定性是功能完善與改進的依托。信息自身以及信息系統的賽博安全測試是船舶智能航行系統正常運行與實現的重要保障。

2.4 智 能

智能是智能船舶區別于常規船舶的核心要素。智能能力水平體現在各個分系統、子功能中，綜合呈現于船舶整體的自動化、智能化、自主化水平的提升，逐步利用“航行腦”智能航行系統輔助人、替代人的部分功能，最終構建自主船舶系統，在航行、避碰、離泊、靠泊、系泊全過程中由智能系統自主實現感知、認知、決策、操控等方面功能。其中尤以系統的類人理解與決策能力的形成最為關鍵，是系統最終成為“人”的突破要點，也是智能船舶航行功能測試與驗證的核心對象。智能船舶航行功能測試與驗證應圍繞發展智能、測試智能、檢驗智能，結合傳統方法與新興技術形成完整的方法體系。

3 智能船舶航行功能測試驗證體系

目前，智能船舶領域尚未形成完整的測試驗證方法體系，具備完整功能的智能船舶也尚未推向市場，亟需構建完整的智能船舶航行功能測試驗證方法體系，來支撐智能航行系統的研發與應用。但實尺度船舶在公開水域進行“智能/自主/遠程/無人航行”功能調試或測試，效率低且成本高，甚至會給測試對象自身以及周邊通航船舶帶來較大的不可控風險。因此，需構建系統性的虛擬仿真、模型測試和實船驗證的船舶智能航行系統測試體系，建設虛擬測試場、模型測試場、實船測試場，三者互通互融、取長補短，以虛擬指引實際，實現低風險、低成本、高可靠性、高復現性的智能船舶航行功能測試與驗證目標?？紤]到試驗條件的精確控制、試驗成本的低廉可行，可根據實際需要和所處研發階段，在虛擬測試場、模型測試場、實船測試場進行分階段測試。智能船舶航行功能測試驗證方法體系構成如圖3 所示。

圖3 智能船舶航行功能測試驗證方法體系構成Fig. 3 System of test and verification method on navigation function for intelligent ships

1） 虛擬仿真（虛擬測試場）：提供數字孿生虛擬仿真環境，作為智能系統的圖靈機，用于驗證人工智能程序的功能性、可靠性；

2） 模型測試（模型測試場）：提供開闊水域、模型樣船、縮比場景等，使用人工智能程序控制被測模型船，測試其是否可以在人為制造的各種不良條件下實現航行、避障、靠泊、離泊等核心功能；

3） 實船測試（實船測試場）：提供管控水域內設置的受限水域、狹窄航道、進出航道等多種實際通航環境，并利用可控艇筏模擬其他在航船舶，用于模擬智能船舶可能遇到的各種工況，以檢驗智能航行系統的實船運行狀態。

4 智能船舶航行功能測試驗證內容

4.1 虛擬測試場

4.1.1 建設目的

虛擬測試場旨在低成本、高效率、零風險地對船舶智能航行控制算法及理論進行研發與測試。虛擬測試場既可以為智能船舶的相關技術研發提供平臺，也可以大批量、快速地測試并比較不同航行場景、不同航行技術方案。簡而言之，虛擬測試場是利用虛擬仿真方法，在研發及初試階段對智能船舶的軟件組成部分進行虛擬測試的場所。虛擬測試場可以通過在動態中執行被測軟件進行的軟件確認和驗證活動，更逼真地模擬被測試軟件運行的物理環境。

虛擬測試的目的是盡早發現產品設計、軟件開發中的錯誤，縮短產品的研發周期，降低研發成本，提高研發效率。虛擬測試場構筑于數值計算云平臺，基于實際航行條件及船舶參數，呈現虛擬智能船舶航行場景，用于測試智能船舶運動控制算法，以檢測智能船舶具體功能的完備性與可靠性。同時，基于云平臺的數值測試平臺可由多數據平臺訪問，實時動態地對數值測試、模型測試、實船測試結果進行收集、查看、分析，實現多地同步數據傳輸與分析。

4.1.2 測試內容

虛擬測試場可對船舶機械運動性能進行仿真、預報，對智能航行功能模塊進行理論測試、算法測試、協議測試，主要包括：

1） 船舶操縱性能預報；

2） 航行控制算法測試；

3） 自引自靠控制測試；

4） 智能避碰算法測試；

5） 應急響應切換測試；

6） 人機交互效果測試。

虛擬仿真是驗證船舶智能航行算法及理論的基礎平臺。虛擬測試環境具有高可用、高可控、確定性、易于復制使用等特性，為進行智能船舶軟件測試提供了理想的測試環境。因此，可以在虛擬場景下，利用虛擬測試場縱向研究、橫向比較各運動控制算法的適用性、魯棒性及精確性[15]。由于虛擬仿真無法完全重現真實場景的物理特性，所以虛擬測試環境不能完全替代后續模型與實船測試。真實物理環境內測試將在模型測試場和實船測試場中進行。

4.1.3 建設內容

虛擬測試場建設包括測試中心建造、計算平臺組建、數據中心建設、測試軟件開發4 個方面的內容。測試中心提供虛擬測試場地，計算平臺提供虛擬測試計算能力，數據中心提供數據存儲空間，測試軟件提供目標功能和組件的平臺。虛擬測試場可對船舶機械運動性能進行仿真、預報，對功能模塊進行理論測試、算法測試、協議測試，主要包括船舶操縱性能預報、航行控制算法測試、自引自靠控制測試、智能避碰算法測試[16]、應急模式切換測試、人機交互通信測試等。

4.2 模型測試場

4.2.1 建設目的

模型測試是連接理論（算法）與實際（實船）的中間環節。通過模型測試，可降低實船試驗風險及成本，在短時間內測試長周期內的多種復雜和極端環境，同時避免跨區域未入籍船舶航行問題、外國船舶駛往實船測試場的航行問題。模型測試可實際檢驗智能船舶控制算法在各種場景下的控制表現，同時測試結果可以對相應的理論和算法進行比較、修正和完善，是智能船舶航行功能從理論走向實踐不可或缺的中間環節。

4.2.2 測試內容

模型測試可在近似真實環境下，對船舶的運動性能及算法控制效果進行半實物仿真，對智能船舶各功能模塊及系統集成性能進行初步測試，簡化實船測試內容及難度。模型測試內容主要包括：

1） 船舶動力性能驗證；

2） 自主靠泊模型試驗；

3） 自主離泊模型試驗；

4） 自主航行模型試驗；

5） 自主避碰模型試驗。

4.2.3 建設內容

模型測試場建設內容包括模型加工廠、測試水池和測試水域。模型加工廠負責模型船舶制造、測試系統裝配，以及配套部件的加工和維護，提供智能船舶模型試驗對象；測試水池應具備人工制造和改變風、浪的速度及方向，并提供不同水深測試條件，盡可能模擬實測場地的狀況，提供智能船舶模型試驗場所。測試水域涵蓋開闊水域與縮比障礙物。模型測試場是在虛擬測試的基礎上，于產品中試階段，利用風浪流試驗水池和大比例船模，模擬風、浪、流作用下，對智能船舶航行運動控制算法的可靠性進行調試、校驗與測試，以獲取相關數據及檢查場所的設計缺陷。通過模型測試，可降低實船試驗風險及成本，在短時間內測試長周期內的多種復雜和極端環境。

4.3 實船測試場

4.3.1 建設目的

在虛擬測試和模型測試的基礎上，進行實船驗證、系統集成、功能測試。試驗的算法和理論經過虛擬測試場和模型測試場的測試，可以查出其存在的問題并及時糾正。但試驗成果必須要經過實船驗證和實際功能測試，才能進行推廣應用。實船測試場是智能船舶真實航行功能和性能的測試平臺，能夠檢驗智能船舶在現實航行中可能遇到的各種問題，只有在實船測試場中通過各項測試，才能獲得智能船舶測試通過認證。

4.3.2 測試內容

實船測試場作為智能船舶航行功能檢驗的最終測試階段，承擔所有功能的實際檢驗，包括實船性能測試、自主循跡、自主避障、自主靠離泊、智能避障、應急制動、可靠性測試等。為保障試驗船舶的測試安全，應根據目標測試船型，計算各類船只在旋回和停船操作時所需的通航空間，規劃實船測試場所需水域。

4.3.3 建設內容

實體測試場的基本設施包括：通信基站、測試用浮碼頭、實船碼頭、應急救助拖輪、測試水域標注物或航標、模擬橋梁、模擬障礙物、模擬在行船舶、應急消防、救助拖輪、配套食宿、調試工作場所。除此之外，還應建立起完整的監控平臺，并配備應急拖輪、消防艇等保障支持船舶，以保證測試場內船舶的安全，隨著船舶尺度的增大，所需的配套設施，如碼頭尺度、應急拖輪功率等將隨之增加，增加建設成本。同時，實船測試場應選擇水域開闊、無淺點和礁石且遠離通航主航道、邊防區、漁業作業區、自然保護區等區域。

5 智能船舶航行功能虛實融合測試方法

虛擬仿真測試可以在低成本、高效率、零風險的前提下對智能船舶控制算法與航行理論進行研發與測試，單純的虛擬仿真測試難以得到真實環境干擾下的測試結果，因此提出智能船舶航行功能虛實融合測試方法。虛實融合測試方法中的“實”指模型船/實船、實際航道環境及實際交通流信息；而“虛”指虛擬船舶、虛擬航道環境及虛擬航行場景。通過采用船舶操縱運動分析方法建模，在動態數據融合、采集、解析、驗證的基礎上，校驗、提升虛擬船舶與真實場景下的船舶特性一致性。在此基礎上，運用數字孿生技術與半實物仿真技術，把海事雷達、激光雷達、航行情報服務（AIS）、全球定位系統（GPS）、閉路電視（CCTV）等傳感器設備采集的實際航行數據，電子航道圖等真實地理信息，用數字化的手段進行同步、統一、融合，對真實世界進行鏡像仿真，生成虛擬數字孿生世界。最后，將真實、動態的交通流信息導入虛擬航道中，構建彎曲航道、受限水域、開闊水域、連續橋區等航段，設計船舶的對遇、交叉、追越、避讓和過橋等航行場景。在此基礎上，將虛擬船交由智能航行算法控制，使其在真實世界投影的虛擬世界中，操控虛擬船舶，進行避障、靠泊、離泊等操縱，最終對智能航行能力水平進行評測。虛實融合測試方法克服了真實航道測試方法速度慢、效率低、成本高的缺點，解決了純虛擬仿真測試還原度不夠高的問題，實現了對船舶智能航行測試驗證過程的簡化，提高了工作效率，節省了人力與物力成本，具有較好的研究與應用前景。

6 結 語

隨著智能船舶技術發展熱潮的興起，研究其相應的智能航行功能測試與驗證技術是當下核心技術需求之一。目前，智能航行功能測試驗證方法技術仍處于發展初期階段，應結合傳統船舶航行測試驗證與檢驗手段，面向智能發展需求，構建相匹配的智能船舶航行功能測試與驗證技術方法體系。本文在概述國內外智能船舶航行功能測試技術發展與測試場建設的基礎上，提出虛擬測試、模型測試與實船測試三者融合的測試驗證方法技術體系，形成以虛擬仿真為先導、模型測試為中試、實船測試為終試的測試流程，在保障測試驗證安全性、可靠性、經濟性的前提下，使智能船舶航行功能測試與驗證可觀測、可重復、可比較。相應建設的虛擬測試場、模型測試場與實船測試場應分別需要滿足對智能船舶在通信導航、遠程監控、智能測試、應急救援、人機交互等方面的不同功能和應用場景的需求。對虛擬測試場需要考慮其傳輸真實數據的通信穩定性和可靠性，對模型船測試場需要考慮模型加工廠、測試水池和測試水域的需求。實船測試場作為最終驗證功能實現的環節，需要考慮包括通信基站、靠離泊碼頭、應急救助方式等因素。