智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證的方法體系

劉佳侖，楊帆，馬楓，嚴(yán)新平*

1 武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，湖北 武漢 430063

2 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063

3 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063

0 引 言

智能船舶是傳統(tǒng)船舶工業(yè)與新興科學(xué)技術(shù)的集成融合體。智能船舶從概念設(shè)計(jì)到實(shí)際運(yùn)營(yíng)需經(jīng)過(guò)功能性和系統(tǒng)性的逐步測(cè)試及驗(yàn)證，以檢驗(yàn)其各項(xiàng)功能的合理性、可靠性和完整性。因此，智能船舶功能測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)的研發(fā)及測(cè)試驗(yàn)證體系的構(gòu)建，是保障智能船舶從理論走向現(xiàn)實(shí)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(cè)試與驗(yàn)證方法體系應(yīng)由虛擬仿真、模型測(cè)試、實(shí)船驗(yàn)證3 個(gè)部分組成。本文將以性能、能效、信息、智能4 大類功能為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)初試、中試、終試3 個(gè)階段對(duì)智能船舶軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行全方位、多工況的測(cè)試驗(yàn)證，為智能船舶的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、制造、檢驗(yàn)與運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支持與評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證現(xiàn)狀

自2012 年起，國(guó)內(nèi)外船舶領(lǐng)域的企業(yè)、高校、科研院所對(duì)貨運(yùn)船舶的智能化、自主化、無(wú)人化發(fā)展的關(guān)注度持續(xù)提高[1-2]。2018 年海上安全委員會(huì)（MSC）在第99 屆會(huì)議上提出了海事自主水面船的概念與定義，明確了發(fā)展自主式貨物運(yùn)輸船[3]。針對(duì)智能船舶技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐應(yīng)用的需求，各國(guó)在智能船舶航行的測(cè)試驗(yàn)證方面積極開展研究，主要體現(xiàn)在測(cè)試場(chǎng)的建設(shè)方面，而在具體測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)方法和體系方面仍有欠缺，尚未形成系統(tǒng)化的測(cè)試規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)。與其他智能/無(wú)人系統(tǒng)（如智能網(wǎng)聯(lián)汽車）的測(cè)試驗(yàn)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(gè)測(cè)試場(chǎng)，主要由以康斯伯格和挪威科技大學(xué)等挪威企業(yè)與高校為主開展有關(guān)建設(shè)工作，并得到了挪威海事等相關(guān)政府部門的支持。芬蘭于2017 年設(shè)置了Jaakonmeri 測(cè)試場(chǎng)[7]。英國(guó)面向尺度在25 m 以內(nèi)的無(wú)人船艇在本國(guó)沿海設(shè)置了多個(gè)測(cè)試區(qū)域。美國(guó)在大湖區(qū)面為尺度在10 m 以內(nèi)的無(wú)人船艇設(shè)置了測(cè)試區(qū)。2018 年9 月，荷蘭在管轄的主要航道內(nèi)也設(shè)置了測(cè)試場(chǎng)。2018年5 月，比利時(shí)在內(nèi)河主要航段啟用了智能船舶測(cè)試區(qū)?；诒緡?guó)測(cè)試場(chǎng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，芬蘭、挪威和韓國(guó)分別于第99 屆和第100 屆MSC 會(huì)議上提出了海事自主水面船測(cè)試相關(guān)提案[8-10]。

面向智能航運(yùn)、智能船舶發(fā)展需求，比利時(shí)航道管理局在荷蘭水運(yùn)管理局的支持下，在比利時(shí)北部水網(wǎng)地區(qū)開放了測(cè)試場(chǎng)。自2018 年5 月18 日起，該測(cè)試區(qū)域面向公眾開放，主要面向內(nèi)河船舶開展測(cè)試。相關(guān)單位可以以萊茵河航行管委會(huì)制定的智能船舶等級(jí)為依據(jù)（圖1），提出測(cè)試申請(qǐng)，在統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)下開展測(cè)試。目前，相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)細(xì)節(jié)尚未對(duì)外公布。

圖1 萊茵河航行管委會(huì)提出的內(nèi)河船舶智能等級(jí)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(guó)船級(jí)社（CCS）、武漢理工大學(xué)、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(dòng)了珠海萬(wàn)山無(wú)人船海上測(cè)試場(chǎng)建設(shè)，并于2018 年11 月30 日投入運(yùn)營(yíng)，目前該測(cè)試場(chǎng)是由CCS 認(rèn)證的全球最大、亞洲首個(gè)、中國(guó)唯一的智能船海上測(cè)試場(chǎng)，可面向軍用、民用智能船（艇）開展自主感知、自主避障、遠(yuǎn)程控制、協(xié)同控制等自主船舶核心功能測(cè)試。

2017 年6 月，智慧航海研發(fā)基地項(xiàng)目簽約儀式在青島藍(lán)谷管理局舉行，基地將建設(shè)5 大板塊：智慧航海技術(shù)裝備研發(fā)中心、智慧航海技術(shù)裝備綜合試驗(yàn)場(chǎng)、智慧航海技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化中心、無(wú)人化運(yùn)輸船舶管控中心和“水運(yùn)中心”衛(wèi)星地面站[11]。2018 年5 月，中國(guó)智慧航運(yùn)發(fā)展研討會(huì)在青島舉行，由交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)院和智慧航海（青島）科技有限公司共同建設(shè)的智能航運(yùn)技術(shù)創(chuàng)新和綜合實(shí)驗(yàn)基地在青島正式啟動(dòng)。

2 智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證對(duì)象

2015 年12 月1 日，CCS 在中國(guó)國(guó)際海事會(huì)展期間正式發(fā)布了《智能船舶規(guī)范》。該規(guī)范綜合考慮了當(dāng)前智能船舶的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)智能船舶的發(fā)展方向，介紹了智能船舶包括智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理和智能集成平臺(tái)6 大功能模塊，并對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行了具體說(shuō)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(cè)試與驗(yàn)證涉及不同層級(jí)、不同領(lǐng)域軟件和硬件的檢驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于智能船舶的等級(jí)劃分、功能定義尚存在一定分歧，本文將對(duì)測(cè)試對(duì)象進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)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(duì)象具有相互連接、逐層遞進(jìn)的關(guān)系。

圖2 智能船舶航行功能測(cè)試對(duì)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(yīng)滿足各類常規(guī)船舶的通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，符合狹義上船舶的靜力性能和動(dòng)力性能，包括浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、操縱性、耐波性等。雖然經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，傳統(tǒng)性能試驗(yàn)已形成較為完善的測(cè)試方法和操作規(guī)程，但在關(guān)鍵指標(biāo)核準(zhǔn)、特殊工況界定等方面仍有不足。特別是隨著智能船舶技術(shù)的逐步發(fā)展，智能系統(tǒng)將逐步替代駕駛和引航人員，直接控制槳、舵等推進(jìn)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，需對(duì)船舶在各種工況下的動(dòng)力性能進(jìn)行精確預(yù)報(bào)與實(shí)時(shí)核算，此類船舶應(yīng)較常規(guī)船舶具有更優(yōu)良的操縱性能，以適應(yīng)智能系統(tǒng)的初期發(fā)展階段，并增強(qiáng)其智能航行的安全性。因此，性能測(cè)試是智能船舶航行功能測(cè)試與驗(yàn)證的重要基礎(chǔ)。

2.2 能 效

智能船舶技術(shù)的發(fā)展可促進(jìn)船舶綠色航行的發(fā)展，能效是表征船舶節(jié)能減排、綠色環(huán)保的重要性能。能效包括船舶的能源消耗與效率管理2 個(gè)方面。前者與船舶快速性、耐波性等基礎(chǔ)性能緊密相關(guān)，屬于船舶固有屬性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段予以優(yōu)化；后者是在船舶自身能源消耗特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合外界風(fēng)、浪、流、涌等環(huán)境影響下，通過(guò)船舶姿態(tài)調(diào)節(jié)、主機(jī)工況管理、航速調(diào)節(jié)[13-14]等手段，以最低能源消耗為目標(biāo)的優(yōu)化策略。能效測(cè)試是智能船舶經(jīng)濟(jì)效能與環(huán)保指標(biāo)測(cè)試的重要指標(biāo)。

2.3 信 息

信息是智能船舶航行功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，智能航行過(guò)程包括信息的采集、分析、傳輸、存儲(chǔ)等多個(gè)方面。各類船舶自身與外界環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)是智能功能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的輸入，也是系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)督。數(shù)據(jù)采集的可靠性、全面性、精確性和數(shù)據(jù)分析的快速性、準(zhǔn)確性是能否實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能的基礎(chǔ)；信息傳輸?shù)目焖傩?、連續(xù)性、安全性是船舶遠(yuǎn)程/自主駕控的保障；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性、穩(wěn)定性是功能完善與改進(jìn)的依托。信息自身以及信息系統(tǒng)的賽博安全測(cè)試是船舶智能航行系統(tǒng)正常運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)的重要保障。

2.4 智 能

智能是智能船舶區(qū)別于常規(guī)船舶的核心要素。智能能力水平體現(xiàn)在各個(gè)分系統(tǒng)、子功能中，綜合呈現(xiàn)于船舶整體的自動(dòng)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(tǒng)輔助人、替代人的部分功能，最終構(gòu)建自主船舶系統(tǒng)，在航行、避碰、離泊、靠泊、系泊全過(guò)程中由智能系統(tǒng)自主實(shí)現(xiàn)感知、認(rèn)知、決策、操控等方面功能。其中尤以系統(tǒng)的類人理解與決策能力的形成最為關(guān)鍵，是系統(tǒng)最終成為“人”的突破要點(diǎn)，也是智能船舶航行功能測(cè)試與驗(yàn)證的核心對(duì)象。智能船舶航行功能測(cè)試與驗(yàn)證應(yīng)圍繞發(fā)展智能、測(cè)試智能、檢驗(yàn)智能，結(jié)合傳統(tǒng)方法與新興技術(shù)形成完整的方法體系。

3 智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證體系

目前，智能船舶領(lǐng)域尚未形成完整的測(cè)試驗(yàn)證方法體系，具備完整功能的智能船舶也尚未推向市場(chǎng)，亟需構(gòu)建完整的智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證方法體系，來(lái)支撐智能航行系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。但實(shí)尺度船舶在公開水域進(jìn)行“智能/自主/遠(yuǎn)程/無(wú)人航行”功能調(diào)試或測(cè)試，效率低且成本高，甚至?xí)o測(cè)試對(duì)象自身以及周邊通航船舶帶來(lái)較大的不可控風(fēng)險(xiǎn)。因此，需構(gòu)建系統(tǒng)性的虛擬仿真、模型測(cè)試和實(shí)船驗(yàn)證的船舶智能航行系統(tǒng)測(cè)試體系，建設(shè)虛擬測(cè)試場(chǎng)、模型測(cè)試場(chǎng)、實(shí)船測(cè)試場(chǎng)，三者互通互融、取長(zhǎng)補(bǔ)短，以虛擬指引實(shí)際，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)險(xiǎn)、低成本、高可靠性、高復(fù)現(xiàn)性的智能船舶航行功能測(cè)試與驗(yàn)證目標(biāo)?？紤]到試驗(yàn)條件的精確控制、試驗(yàn)成本的低廉可行，可根據(jù)實(shí)際需要和所處研發(fā)階段，在虛擬測(cè)試場(chǎng)、模型測(cè)試場(chǎng)、實(shí)船測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行分階段測(cè)試。智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證方法體系構(gòu)成如圖3 所示。

圖3 智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證方法體系構(gòu)成Fig. 3 System of test and verification method on navigation function for intelligent ships

1） 虛擬仿真（虛擬測(cè)試場(chǎng)）：提供數(shù)字孿生虛擬仿真環(huán)境，作為智能系統(tǒng)的圖靈機(jī)，用于驗(yàn)證人工智能程序的功能性、可靠性；

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

3） 實(shí)船測(cè)試（實(shí)船測(cè)試場(chǎng)）：提供管控水域內(nèi)設(shè)置的受限水域、狹窄航道、進(jìn)出航道等多種實(shí)際通航環(huán)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(yàn)智能航行系統(tǒng)的實(shí)船運(yùn)行狀態(tài)。

4 智能船舶航行功能測(cè)試驗(yàn)證內(nèi)容

4.1 虛擬測(cè)試場(chǎng)

4.1.1 建設(shè)目的

虛擬測(cè)試場(chǎng)旨在低成本、高效率、零風(fēng)險(xiǎn)地對(duì)船舶智能航行控制算法及理論進(jìn)行研發(fā)與測(cè)試。虛擬測(cè)試場(chǎng)既可以為智能船舶的相關(guān)技術(shù)研發(fā)提供平臺(tái)，也可以大批量、快速地測(cè)試并比較不同航行場(chǎng)景、不同航行技術(shù)方案。簡(jiǎn)而言之，虛擬測(cè)試場(chǎng)是利用虛擬仿真方法，在研發(fā)及初試階段對(duì)智能船舶的軟件組成部分進(jìn)行虛擬測(cè)試的場(chǎng)所。虛擬測(cè)試場(chǎng)可以通過(guò)在動(dòng)態(tài)中執(zhí)行被測(cè)軟件進(jìn)行的軟件確認(rèn)和驗(yàn)證活動(dòng)，更逼真地模擬被測(cè)試軟件運(yùn)行的物理環(huán)境。

虛擬測(cè)試的目的是盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)中的錯(cuò)誤，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。虛擬測(cè)試場(chǎng)構(gòu)筑于數(shù)值計(jì)算云平臺(tái)，基于實(shí)際航行條件及船舶參數(shù)，呈現(xiàn)虛擬智能船舶航行場(chǎng)景，用于測(cè)試智能船舶運(yùn)動(dòng)控制算法，以檢測(cè)智能船舶具體功能的完備性與可靠性。同時(shí)，基于云平臺(tái)的數(shù)值測(cè)試平臺(tái)可由多數(shù)據(jù)平臺(tái)訪問(wèn)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)數(shù)值測(cè)試、模型測(cè)試、實(shí)船測(cè)試結(jié)果進(jìn)行收集、查看、分析，實(shí)現(xiàn)多地同步數(shù)據(jù)傳輸與分析。

4.1.2 測(cè)試內(nèi)容

虛擬測(cè)試場(chǎng)可對(duì)船舶機(jī)械運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行仿真、預(yù)報(bào)，對(duì)智能航行功能模塊進(jìn)行理論測(cè)試、算法測(cè)試、協(xié)議測(cè)試，主要包括：

1） 船舶操縱性能預(yù)報(bào)；

2） 航行控制算法測(cè)試；

3） 自引自靠控制測(cè)試；

4） 智能避碰算法測(cè)試；

5） 應(yīng)急響應(yīng)切換測(cè)試；

6） 人機(jī)交互效果測(cè)試。

虛擬仿真是驗(yàn)證船舶智能航行算法及理論的基礎(chǔ)平臺(tái)。虛擬測(cè)試環(huán)境具有高可用、高可控、確定性、易于復(fù)制使用等特性，為進(jìn)行智能船舶軟件測(cè)試提供了理想的測(cè)試環(huán)境。因此，可以在虛擬場(chǎng)景下，利用虛擬測(cè)試場(chǎng)縱向研究、橫向比較各運(yùn)動(dòng)控制算法的適用性、魯棒性及精確性[15]。由于虛擬仿真無(wú)法完全重現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的物理特性，所以虛擬測(cè)試環(huán)境不能完全替代后續(xù)模型與實(shí)船測(cè)試。真實(shí)物理環(huán)境內(nèi)測(cè)試將在模型測(cè)試場(chǎng)和實(shí)船測(cè)試場(chǎng)中進(jìn)行。

4.1.3 建設(shè)內(nèi)容

虛擬測(cè)試場(chǎng)建設(shè)包括測(cè)試中心建造、計(jì)算平臺(tái)組建、數(shù)據(jù)中心建設(shè)、測(cè)試軟件開發(fā)4 個(gè)方面的內(nèi)容。測(cè)試中心提供虛擬測(cè)試場(chǎng)地，計(jì)算平臺(tái)提供虛擬測(cè)試計(jì)算能力，數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，測(cè)試軟件提供目標(biāo)功能和組件的平臺(tái)。虛擬測(cè)試場(chǎng)可對(duì)船舶機(jī)械運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行仿真、預(yù)報(bào)，對(duì)功能模塊進(jìn)行理論測(cè)試、算法測(cè)試、協(xié)議測(cè)試，主要包括船舶操縱性能預(yù)報(bào)、航行控制算法測(cè)試、自引自靠控制測(cè)試、智能避碰算法測(cè)試[16]、應(yīng)急模式切換測(cè)試、人機(jī)交互通信測(cè)試等。

4.2 模型測(cè)試場(chǎng)

4.2.1 建設(shè)目的

模型測(cè)試是連接理論（算法）與實(shí)際（實(shí)船）的中間環(huán)節(jié)。通過(guò)模型測(cè)試，可降低實(shí)船試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)及成本，在短時(shí)間內(nèi)測(cè)試長(zhǎng)周期內(nèi)的多種復(fù)雜和極端環(huán)境，同時(shí)避免跨區(qū)域未入籍船舶航行問(wèn)題、外國(guó)船舶駛往實(shí)船測(cè)試場(chǎng)的航行問(wèn)題。模型測(cè)試可實(shí)際檢驗(yàn)智能船舶控制算法在各種場(chǎng)景下的控制表現(xiàn)，同時(shí)測(cè)試結(jié)果可以對(duì)相應(yīng)的理論和算法進(jìn)行比較、修正和完善，是智能船舶航行功能從理論走向?qū)嵺`不可或缺的中間環(huán)節(jié)。

4.2.2 測(cè)試內(nèi)容

模型測(cè)試可在近似真實(shí)環(huán)境下，對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)性能及算法控制效果進(jìn)行半實(shí)物仿真，對(duì)智能船舶各功能模塊及系統(tǒng)集成性能進(jìn)行初步測(cè)試，簡(jiǎn)化實(shí)船測(cè)試內(nèi)容及難度。模型測(cè)試內(nèi)容主要包括：

1） 船舶動(dòng)力性能驗(yàn)證；

2） 自主靠泊模型試驗(yàn)；

3） 自主離泊模型試驗(yàn)；

4） 自主航行模型試驗(yàn)；

5） 自主避碰模型試驗(yàn)。

4.2.3 建設(shè)內(nèi)容

模型測(cè)試場(chǎng)建設(shè)內(nèi)容包括模型加工廠、測(cè)試水池和測(cè)試水域。模型加工廠負(fù)責(zé)模型船舶制造、測(cè)試系統(tǒng)裝配，以及配套部件的加工和維護(hù)，提供智能船舶模型試驗(yàn)對(duì)象；測(cè)試水池應(yīng)具備人工制造和改變風(fēng)、浪的速度及方向，并提供不同水深測(cè)試條件，盡可能模擬實(shí)測(cè)場(chǎng)地的狀況，提供智能船舶模型試驗(yàn)場(chǎng)所。測(cè)試水域涵蓋開闊水域與縮比障礙物。模型測(cè)試場(chǎng)是在虛擬測(cè)試的基礎(chǔ)上，于產(chǎn)品中試階段，利用風(fēng)浪流試驗(yàn)水池和大比例船模，模擬風(fēng)、浪、流作用下，對(duì)智能船舶航行運(yùn)動(dòng)控制算法的可靠性進(jìn)行調(diào)試、校驗(yàn)與測(cè)試，以獲取相關(guān)數(shù)據(jù)及檢查場(chǎng)所的設(shè)計(jì)缺陷。通過(guò)模型測(cè)試，可降低實(shí)船試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)及成本，在短時(shí)間內(nèi)測(cè)試長(zhǎng)周期內(nèi)的多種復(fù)雜和極端環(huán)境。

4.3 實(shí)船測(cè)試場(chǎng)

4.3.1 建設(shè)目的

在虛擬測(cè)試和模型測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證、系統(tǒng)集成、功能測(cè)試。試驗(yàn)的算法和理論經(jīng)過(guò)虛擬測(cè)試場(chǎng)和模型測(cè)試場(chǎng)的測(cè)試，可以查出其存在的問(wèn)題并及時(shí)糾正。但試驗(yàn)成果必須要經(jīng)過(guò)實(shí)船驗(yàn)證和實(shí)際功能測(cè)試，才能進(jìn)行推廣應(yīng)用。實(shí)船測(cè)試場(chǎng)是智能船舶真實(shí)航行功能和性能的測(cè)試平臺(tái)，能夠檢驗(yàn)智能船舶在現(xiàn)實(shí)航行中可能遇到的各種問(wèn)題，只有在實(shí)船測(cè)試場(chǎng)中通過(guò)各項(xiàng)測(cè)試，才能獲得智能船舶測(cè)試通過(guò)認(rèn)證。

4.3.2 測(cè)試內(nèi)容

實(shí)船測(cè)試場(chǎng)作為智能船舶航行功能檢驗(yàn)的最終測(cè)試階段，承擔(dān)所有功能的實(shí)際檢驗(yàn)，包括實(shí)船性能測(cè)試、自主循跡、自主避障、自主靠離泊、智能避障、應(yīng)急制動(dòng)、可靠性測(cè)試等。為保障試驗(yàn)船舶的測(cè)試安全，應(yīng)根據(jù)目標(biāo)測(cè)試船型，計(jì)算各類船只在旋回和停船操作時(shí)所需的通航空間，規(guī)劃實(shí)船測(cè)試場(chǎng)所需水域。

4.3.3 建設(shè)內(nèi)容

實(shí)體測(cè)試場(chǎng)的基本設(shè)施包括：通信基站、測(cè)試用浮碼頭、實(shí)船碼頭、應(yīng)急救助拖輪、測(cè)試水域標(biāo)注物或航標(biāo)、模擬橋梁、模擬障礙物、模擬在行船舶、應(yīng)急消防、救助拖輪、配套食宿、調(diào)試工作場(chǎng)所。除此之外，還應(yīng)建立起完整的監(jiān)控平臺(tái)，并配備應(yīng)急拖輪、消防艇等保障支持船舶，以保證測(cè)試場(chǎng)內(nèi)船舶的安全，隨著船舶尺度的增大，所需的配套設(shè)施，如碼頭尺度、應(yīng)急拖輪功率等將隨之增加，增加建設(shè)成本。同時(shí)，實(shí)船測(cè)試場(chǎng)應(yīng)選擇水域開闊、無(wú)淺點(diǎn)和礁石且遠(yuǎn)離通航主航道、邊防區(qū)、漁業(yè)作業(yè)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等區(qū)域。

5 智能船舶航行功能虛實(shí)融合測(cè)試方法

虛擬仿真測(cè)試可以在低成本、高效率、零風(fēng)險(xiǎn)的前提下對(duì)智能船舶控制算法與航行理論進(jìn)行研發(fā)與測(cè)試，單純的虛擬仿真測(cè)試難以得到真實(shí)環(huán)境干擾下的測(cè)試結(jié)果，因此提出智能船舶航行功能虛實(shí)融合測(cè)試方法。虛實(shí)融合測(cè)試方法中的“實(shí)”指模型船/實(shí)船、實(shí)際航道環(huán)境及實(shí)際交通流信息；而“虛”指虛擬船舶、虛擬航道環(huán)境及虛擬航行場(chǎng)景。通過(guò)采用船舶操縱運(yùn)動(dòng)分析方法建模，在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合、采集、解析、驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，校驗(yàn)、提升虛擬船舶與真實(shí)場(chǎng)景下的船舶特性一致性。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)與半實(shí)物仿真技術(shù)，把海事雷達(dá)、激光雷達(dá)、航行情報(bào)服務(wù)（AIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、閉路電視（CCTV）等傳感器設(shè)備采集的實(shí)際航行數(shù)據(jù)，電子航道圖等真實(shí)地理信息，用數(shù)字化的手段進(jìn)行同步、統(tǒng)一、融合，對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行鏡像仿真，生成虛擬數(shù)字孿生世界。最后，將真實(shí)、動(dòng)態(tài)的交通流信息導(dǎo)入虛擬航道中，構(gòu)建彎曲航道、受限水域、開闊水域、連續(xù)橋區(qū)等航段，設(shè)計(jì)船舶的對(duì)遇、交叉、追越、避讓和過(guò)橋等航行場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，將虛擬船交由智能航行算法控制，使其在真實(shí)世界投影的虛擬世界中，操控虛擬船舶，進(jìn)行避障、靠泊、離泊等操縱，最終對(duì)智能航行能力水平進(jìn)行評(píng)測(cè)。虛實(shí)融合測(cè)試方法克服了真實(shí)航道測(cè)試方法速度慢、效率低、成本高的缺點(diǎn)，解決了純虛擬仿真測(cè)試還原度不夠高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶智能航行測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程的簡(jiǎn)化，提高了工作效率，節(jié)省了人力與物力成本，具有較好的研究與應(yīng)用前景。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能船舶技術(shù)發(fā)展熱潮的興起，研究其相應(yīng)的智能航行功能測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)是當(dāng)下核心技術(shù)需求之一。目前，智能航行功能測(cè)試驗(yàn)證方法技術(shù)仍處于發(fā)展初期階段，應(yīng)結(jié)合傳統(tǒng)船舶航行測(cè)試驗(yàn)證與檢驗(yàn)手段，面向智能發(fā)展需求，構(gòu)建相匹配的智能船舶航行功能測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)方法體系。本文在概述國(guó)內(nèi)外智能船舶航行功能測(cè)試技術(shù)發(fā)展與測(cè)試場(chǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，提出虛擬測(cè)試、模型測(cè)試與實(shí)船測(cè)試三者融合的測(cè)試驗(yàn)證方法技術(shù)體系，形成以虛擬仿真為先導(dǎo)、模型測(cè)試為中試、實(shí)船測(cè)試為終試的測(cè)試流程，在保障測(cè)試驗(yàn)證安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，使智能船舶航行功能測(cè)試與驗(yàn)證可觀測(cè)、可重復(fù)、可比較。相應(yīng)建設(shè)的虛擬測(cè)試場(chǎng)、模型測(cè)試場(chǎng)與實(shí)船測(cè)試場(chǎng)應(yīng)分別需要滿足對(duì)智能船舶在通信導(dǎo)航、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能測(cè)試、應(yīng)急救援、人機(jī)交互等方面的不同功能和應(yīng)用場(chǎng)景的需求。對(duì)虛擬測(cè)試場(chǎng)需要考慮其傳輸真實(shí)數(shù)據(jù)的通信穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)模型船測(cè)試場(chǎng)需要考慮模型加工廠、測(cè)試水池和測(cè)試水域的需求。實(shí)船測(cè)試場(chǎng)作為最終驗(yàn)證功能實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)，需要考慮包括通信基站、靠離泊碼頭、應(yīng)急救助方式等因素。