基于半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建方法

胥鳳馳，謝楊柳，董潔琳，宋勝男，駱福宇

（中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

1 引言

水面無人艇是一種具有自主航行與路徑規(guī)劃能力，可搭載不同的任務(wù)載荷，并且能夠完成設(shè)定任務(wù)的小型水面艦艇。它具有體積小、航速高、智能化、無人員操控等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于海洋空間資源探測(cè)、海底測(cè)繪、應(yīng)急救援、情報(bào)收集、反潛反水雷等領(lǐng)域。通常，水面無人艇具備在自主控制狀態(tài)下完成復(fù)雜環(huán)境下環(huán)境感知及自主避碰、復(fù)雜海況下精準(zhǔn)跟蹤以及航行任務(wù)一體化控制能力[1]；具備對(duì)海域環(huán)境的實(shí)時(shí)探測(cè)、感知和重構(gòu)能力，對(duì)水面目標(biāo)完成感知、定位和識(shí)別，對(duì)水下目標(biāo)完成感知、定位，以及能夠?qū)Ρ就脚_(tái)搭載的傳感器信息及來自外部的環(huán)境信息進(jìn)行態(tài)勢(shì)融合，建立任務(wù)區(qū)域環(huán)境態(tài)勢(shì)[2]，并能將環(huán)境態(tài)勢(shì)信息經(jīng)通信鏈路回傳至控制端；具備在復(fù)雜海洋環(huán)境下自主航行及避障能力，具備任務(wù)規(guī)劃執(zhí)行能力及航行任務(wù)自主控制能力，具備載荷設(shè)備模塊化換裝的能力，應(yīng)能夠根據(jù)任務(wù)背景搭載不同載荷，完成水面警戒巡邏任務(wù)、水下目標(biāo)探測(cè)任務(wù)、水面目標(biāo)跟蹤監(jiān)視任務(wù)等多種作戰(zhàn)任務(wù)[3]。另外，針對(duì)不同的使命任務(wù)，水面無人艇要基于各種基礎(chǔ)應(yīng)用算法制定相應(yīng)的任務(wù)策略，滿足任務(wù)需求。策略主要包括航行控制、任務(wù)執(zhí)行兩大類。航行控制策略保證無人艇在作戰(zhàn)任務(wù)下的航行控制，任務(wù)執(zhí)行策略保證無人艇能夠完成各種作戰(zhàn)任務(wù)。任務(wù)策略由各種基礎(chǔ)應(yīng)用算法組合而成，并具有靈活的可擴(kuò)展能力。水面無人艇支持高速航行、典型航跡跟蹤及避障、水面多目標(biāo)感知及規(guī)避、水下目標(biāo)感知和水面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤監(jiān)視等作戰(zhàn)任務(wù)。

為了驗(yàn)證無人艇的基礎(chǔ)功能、平臺(tái)綜合性能及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否滿足上述技術(shù)要求，完成對(duì)無人艇平臺(tái)性能、自主航行控制能力、通信和載荷的可靠性，以及對(duì)突發(fā)情況的緊急處置等相關(guān)測(cè)試，設(shè)計(jì)相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。國外已有無人機(jī)的仿真模擬測(cè)試系統(tǒng)，能夠?qū)︼w行控制進(jìn)行簡單測(cè)試，但是對(duì)于任務(wù)功能的測(cè)試還達(dá)不到時(shí)間和精度方面的要求。目前，在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)水面無人艇航行任務(wù)系統(tǒng)的測(cè)試只能測(cè)試一部分與航行狀態(tài)無關(guān)系的簡單任務(wù)功能測(cè)試，而對(duì)于較復(fù)雜的航行控制與任務(wù)功能測(cè)試則需要采用外場(chǎng)測(cè)試的方法，由于水面無人艇工作環(huán)境的復(fù)雜性和海上環(huán)境的不確定性，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試需要消耗很高的時(shí)間和成本，為水面無人艇的系統(tǒng)測(cè)試增加難度。另外，通過模擬不同傳感器返回目標(biāo)報(bào)文的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任務(wù)功能的測(cè)試，但是往往同一目標(biāo)的不同傳感器的目標(biāo)報(bào)文格式相差很大，報(bào)文構(gòu)建過程復(fù)雜，涉及水面、水下以及廣泛海域不同海況下的任務(wù)功能測(cè)試，生成報(bào)文的人工工作量較大。由于不同傳感器模擬生成的目標(biāo)報(bào)文之間互不聯(lián)系，無法結(jié)合傳感器本身的特性實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的模擬，也無法模擬目標(biāo)在特定海洋環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致模擬測(cè)試效果與實(shí)艇測(cè)試相差較大，無法通過仿真測(cè)試達(dá)到驗(yàn)證實(shí)艇任務(wù)功能的目的。以上所有的方法均無法靈活、全面地對(duì)水面無人艇航行任務(wù)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行測(cè)試[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建方法，該測(cè)試系統(tǒng)利用無人艇的組成設(shè)備模擬器和實(shí)物共同搭建水面無人艇系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，不僅能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)航行任務(wù)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行全面測(cè)試，而且可以對(duì)實(shí)際航行任務(wù)中多種復(fù)雜條件下的水面無人艇的自主能力進(jìn)行充分考量，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計(jì)，提早發(fā)現(xiàn)潛在的系統(tǒng)缺陷，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。半實(shí)物仿真測(cè)試系統(tǒng)適用于包含無人機(jī)、無人車、無人艇在內(nèi)的多種無人裝備的系統(tǒng)測(cè)試[5]。

2 基于半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試系統(tǒng)組成

測(cè)試系統(tǒng)基于由岸基航行任務(wù)指揮控制臺(tái)、艇上信息處理設(shè)備組成的航行任務(wù)系統(tǒng)，利用無人艇綜合導(dǎo)航模擬器、任務(wù)載荷模擬器，結(jié)合可靠性、安全防護(hù)性能測(cè)試等配試工具，搭建實(shí)驗(yàn)室條件下的測(cè)試用例運(yùn)行環(huán)境，開發(fā)測(cè)試用例生成工具、測(cè)試用例分類存儲(chǔ)工具、測(cè)試用例抽取工具、測(cè)試環(huán)境配置工具以及測(cè)試數(shù)據(jù)分析、評(píng)估等工具，完成測(cè)試系統(tǒng)的搭建。

該測(cè)試系統(tǒng)可以靈活、快捷地建立適合各種場(chǎng)合、各種環(huán)境的無人艇系統(tǒng)測(cè)試，能夠有效地為無人艇系統(tǒng)提供功能測(cè)試、可靠性測(cè)試、安全防護(hù)性能測(cè)試等，并能夠提供功能有效性、系統(tǒng)可靠性和無人自主性等的測(cè)試評(píng)價(jià)。該測(cè)試系統(tǒng)有良好的擴(kuò)展性，根據(jù)模擬器的不同，可支持對(duì)無人艇單艇及無人艇協(xié)同的測(cè)試。采用開放的技術(shù)框架，以保證測(cè)試系統(tǒng)可與其他系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行功能集成和設(shè)備集成。基于半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 基于半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of unmanned surface vehicle test system based on hardware-in-the-loop simulation

2.1 任務(wù)功能測(cè)試及評(píng)估系統(tǒng)

任務(wù)功能測(cè)試及評(píng)估系統(tǒng)由任務(wù)試驗(yàn)方案生成模擬軟件、典型任務(wù)試驗(yàn)評(píng)估軟件、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控軟件、安全防護(hù)設(shè)計(jì)測(cè)試及評(píng)估服務(wù)器和任務(wù)功能測(cè)試支撐服務(wù)器組成。任務(wù)功能測(cè)試及評(píng)估系統(tǒng)用于根據(jù)無人艇的不同任務(wù)類型，形成典型任務(wù)試驗(yàn)方案，配置生成測(cè)試環(huán)境，能夠用于無人艇試驗(yàn)方案的籌劃，支持試驗(yàn)方案、測(cè)試需求、測(cè)試用例和測(cè)試計(jì)劃生成，支持測(cè)試用例腳本和自動(dòng)執(zhí)行和測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)收集存儲(chǔ)。在測(cè)試完成后給出評(píng)估結(jié)果，并能夠在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控軟硬件工作狀態(tài)。

2.2 任務(wù)功能測(cè)試配試模擬器

任務(wù)功能測(cè)試配試模擬器主要包括：無人艇綜合導(dǎo)航模擬器和任務(wù)載荷模擬模塊。

2.2.1 無人艇綜合導(dǎo)航模擬器

由于無人艇在海上執(zhí)行任務(wù)過程中，受到復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)運(yùn)動(dòng)[6]。因此，模擬無人艇航行狀態(tài)，對(duì)于保障無人艇安全航行，提高船舶任務(wù)工作能力等有著重要意義。針對(duì)水面無人艇系統(tǒng)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)水面無人艇綜合導(dǎo)航模擬器軟件，模擬器是用來實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)無人艇系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的重要配試設(shè)備。無人艇綜合導(dǎo)航模擬器能夠模擬不同海洋及氣候條件下的無人艇定位、航向、航速、縱橫搖和AIS 等信息，為無人艇系統(tǒng)測(cè)試提供綜合導(dǎo)航信息。

綜合導(dǎo)航模擬器的工作流程如下：

（1）根據(jù)測(cè)試需求，在任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具中設(shè)置測(cè)試場(chǎng)景，制定無人艇的初始位置、試驗(yàn)場(chǎng)景海洋環(huán)境等信息，為無人艇綜合導(dǎo)航模擬器提供外部環(huán)境輸入；

（2）將任務(wù)下發(fā)給艇上綜合信息處理設(shè)備，艇上綜合信息處理設(shè)備的任務(wù)處理模塊接收任務(wù)規(guī)劃，并將任務(wù)規(guī)劃中的速度、航向轉(zhuǎn)換為油門、舵角等信息輸入到無人艇綜合導(dǎo)航模擬器中；

綜合導(dǎo)航模擬器利用動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算速度、航向，并結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)景中提供的海洋及氣候條件，更新無人艇的定位、航向、航速、縱橫搖等信息[7]，按照通信協(xié)議要求發(fā)送給航行控制模塊，從而模擬無人艇航行的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡跟蹤、路徑規(guī)劃、避障和目標(biāo)探測(cè)等任務(wù)的測(cè)試。

綜合導(dǎo)航模擬器支持同時(shí)運(yùn)行多個(gè)可執(zhí)行程序，利用試驗(yàn)導(dǎo)調(diào)臺(tái)設(shè)置無人艇集群測(cè)試場(chǎng)景及多個(gè)無人艇的初始位置，實(shí)現(xiàn)多艇集群協(xié)同任務(wù)測(cè)試。

2.2.2 任務(wù)載荷模擬模塊

針對(duì)水面無人艇系統(tǒng)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)水面無人艇任務(wù)載荷模擬模塊軟件，為無人艇系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境搭建提供配試設(shè)備保障。任務(wù)載荷模擬器是用來實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)無人艇系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的重要配試設(shè)備，包括導(dǎo)航雷達(dá)模擬器、聲吶模擬器和光電模擬器等。無人艇任務(wù)載荷模擬模塊能夠模擬無人艇上配置的探測(cè)設(shè)備，能夠根據(jù)綜合導(dǎo)航或?qū)?yīng)模擬器的信息、接收來自任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具提供的測(cè)試場(chǎng)景設(shè)置及不同海洋氣候條件，能夠支持不同海洋及氣候條件的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡的模擬[8]，向艇上綜合信息處理設(shè)備提供對(duì)應(yīng)條件下的小目標(biāo)數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)批數(shù)、批號(hào)、距離、方位、相對(duì)航向、相對(duì)航速、絕對(duì)航向、絕對(duì)航速和航跡形成時(shí)刻等。

無人艇任務(wù)載荷模擬模塊的工作流程如下：

（1）根據(jù)測(cè)試需求，在任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具中設(shè)置測(cè)試場(chǎng)景，制定試驗(yàn)場(chǎng)景海洋環(huán)境信息、設(shè)定目標(biāo)類型、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)刻等，為任務(wù)載荷模擬模塊提供外部環(huán)境輸入；

（2）無人艇任務(wù)載荷模擬模塊根據(jù)測(cè)試場(chǎng)景設(shè)置和通信接口協(xié)議，生成對(duì)應(yīng)的水面及水下目標(biāo)數(shù)據(jù)，并根據(jù)任務(wù)載荷模擬模塊參數(shù)設(shè)置，將模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)給任務(wù)處理模塊，從而驗(yàn)證無人艇任務(wù)處理模塊對(duì)目標(biāo)的處理功能。

2.3 任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具

結(jié)合實(shí)艇測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，由于實(shí)際情況下傳感器就是從環(huán)境中讀取相關(guān)內(nèi)容，完成感知。所以在仿真測(cè)試下，需要構(gòu)建一個(gè)仿真的測(cè)試場(chǎng)景，這個(gè)測(cè)試場(chǎng)景無限接近實(shí)際環(huán)境，分析多種任務(wù)下測(cè)試環(huán)境的構(gòu)成后，抽象出海洋環(huán)境和場(chǎng)景中的目標(biāo)，通過將海洋環(huán)境和場(chǎng)景中的目標(biāo)元素進(jìn)行封裝[9]，提高多任務(wù)配置效率，再根據(jù)結(jié)合設(shè)置的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，生成目標(biāo)數(shù)據(jù)及軌跡，完成仿真測(cè)試場(chǎng)景的構(gòu)建。這個(gè)測(cè)試場(chǎng)景接近真實(shí)環(huán)境，解決了仿真測(cè)試與實(shí)艇測(cè)試差距大的問題。將測(cè)試場(chǎng)景提供給多傳感器模擬器作為輸入，各自讀取場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)并輸出目標(biāo)報(bào)文，能夠簡單有效地解決多模擬器互不連通帶來的效果差的問題，因此提出任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具。

任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建能夠?qū)y(cè)試場(chǎng)景的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括測(cè)試場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)管理，可產(chǎn)生不同場(chǎng)景下的典型任務(wù)測(cè)試場(chǎng)；目標(biāo)數(shù)據(jù)管理構(gòu)建典型任務(wù)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)和管理海上目標(biāo)、水下目標(biāo)和水面障礙物等目標(biāo)數(shù)據(jù)；目標(biāo)數(shù)據(jù)源生成，基于典型任務(wù)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫生成典型目標(biāo)，可模擬動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)行軌跡。另外，任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建能夠?qū)y(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行配置，根據(jù)測(cè)試需求中的測(cè)試場(chǎng)景要求配置典型任務(wù)試驗(yàn)的測(cè)試方案，包括典型任務(wù)目標(biāo)模擬和典型任務(wù)測(cè)試場(chǎng)環(huán)境模擬等，對(duì)典型任務(wù)試驗(yàn)的測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)置、導(dǎo)調(diào)和監(jiān)控等，構(gòu)建滿足典型任務(wù)試驗(yàn)需求的測(cè)試環(huán)境。主要對(duì)海上目標(biāo)、水下目標(biāo)、海洋環(huán)境條件等進(jìn)行配置，以支持訓(xùn)練警戒、偵察監(jiān)視和水下小目標(biāo)探測(cè)等典型任務(wù)的場(chǎng)景配置。任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具功能分解圖如圖2所示。任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖2 任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建工具功能分解圖Fig.2 Functional decomposition diagram of task functional test scenario building tool

圖3 任務(wù)功能測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Task function test scenario builds data processing flow

2.3.1 海上目標(biāo)配置

根據(jù)巡邏警戒、偵察監(jiān)視典型任務(wù)的測(cè)試場(chǎng)景需求，配置海上目標(biāo)的種類、數(shù)量和運(yùn)動(dòng)軌跡等情況，配置的目標(biāo)種類主要有水面快艇、漁船和大型艦船等。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡顯示界面如圖4所示。

圖4 目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡顯示界面Fig.4 Target trajectory display interface

2.3.2 水下目標(biāo)配置

根據(jù)水下小目標(biāo)探測(cè)典型任務(wù)的測(cè)試場(chǎng)景需求，配置水下目標(biāo)的種類、數(shù)量、運(yùn)動(dòng)軌跡等情況，配置的目標(biāo)種類主要有錨雷、沉地雷、蛙人和潛航器等。

2.3.3 海洋環(huán)境條件配置

根據(jù)巡邏警戒、偵察監(jiān)視、水下小目標(biāo)探測(cè)典型任務(wù)的測(cè)試場(chǎng)景需求，配置典型任務(wù)的測(cè)試場(chǎng)水域大小、海況等級(jí)、季節(jié)和晝夜等情況。海洋氣象環(huán)境設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 海洋氣象環(huán)境設(shè)置界面Fig.5 Marine meteorological environment settings interface

2.4 典型任務(wù)驅(qū)動(dòng)的可靠性測(cè)試

由于水面無人艇需要長期自主執(zhí)行任務(wù)，并且需要完成一些復(fù)雜的海上任務(wù)，就要求水面無人艇具備較高的可靠性[10]。通過分析巡邏警戒、偵察監(jiān)視和水下小目標(biāo)探測(cè)等典型任務(wù)條件的任務(wù)剖面，基于船艇工作環(huán)境模擬平臺(tái)提供的溫度、濕度和搖擺環(huán)境，與接入的艇上信息處理設(shè)備進(jìn)行交互，典型海上任務(wù)能力驅(qū)動(dòng)的可靠性測(cè)試設(shè)備能夠?qū)⑸傻目煽啃詼y(cè)試用例輸入艇上信息處理設(shè)備執(zhí)行測(cè)試，并記錄工作時(shí)長、故障類型、故障次數(shù)等可靠性模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為艇上信息處理設(shè)備可靠性評(píng)估提供基礎(chǔ)。支持艇上信息處理設(shè)備連通和及時(shí)可靠性定量分析，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中的發(fā)生故障信息進(jìn)行定性分析，輸出可靠度預(yù)計(jì)結(jié)果、設(shè)計(jì)改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；能夠在任務(wù)軟件運(yùn)行條件下，生成艇上信息處理設(shè)備可靠性試驗(yàn)測(cè)試用例，對(duì)艇上信息處理設(shè)備進(jìn)行可靠性測(cè)試，并收集設(shè)備故障信息；能夠?qū)收闲畔⑦M(jìn)行分析處理，融合多源產(chǎn)品故障信息對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

典型可靠性測(cè)試工具根據(jù)任務(wù)軟件可靠性測(cè)試用例生成與執(zhí)行軟件工具中記錄的內(nèi)外場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)生的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障定性分析，確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施；典型可靠性評(píng)估工具根據(jù)任務(wù)軟件可靠性測(cè)試用例生成與執(zhí)行軟件工具中判定的試驗(yàn)故障信息進(jìn)行系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性評(píng)估。

2.5 安全防護(hù)攻擊與監(jiān)測(cè)

水面無人艇采用無線通信的方式與岸基指揮控制中心交換信息，因此對(duì)信息安全性要求較高[11]。安全防護(hù)綜合測(cè)試工具應(yīng)包含攻擊測(cè)試模塊和監(jiān)測(cè)分析模塊。攻擊測(cè)試模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)公共服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)的攻擊測(cè)試用例構(gòu)建、模擬攻擊測(cè)試發(fā)起、測(cè)試結(jié)果反饋呈現(xiàn)。監(jiān)測(cè)分析模塊通過收集公共服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)交換板信息，來實(shí)現(xiàn)對(duì)公共服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)的安全態(tài)勢(shì)進(jìn)行建模分析，給出安全狀況報(bào)告和攻擊威脅告警。利用電磁干擾模擬器，模擬艇上信息處理設(shè)備的外部輸入，向艇上信息處理設(shè)備植入病毒，以發(fā)現(xiàn)艇上信息處理設(shè)備存在的安全隱患，驗(yàn)證外部協(xié)議與接口的安全性；利用無線環(huán)境入侵模擬工具發(fā)起網(wǎng)絡(luò)攻擊，模擬無數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限的設(shè)備訪問數(shù)據(jù)庫，以發(fā)現(xiàn)非法侵入的隱患，驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫的安全性；通過下發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)銷毀指令，下發(fā)規(guī)劃航跡并模擬反饋無人艇航跡等；分析無人艇安全防護(hù)架構(gòu)設(shè)計(jì)工具監(jiān)控到的數(shù)據(jù)，檢查艇上信息處理設(shè)備的病毒檢測(cè)、數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡(luò)攻擊提示、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)銷毀和數(shù)據(jù)訪問權(quán)限管理等能力。

安全防護(hù)性能綜合測(cè)試工具采用事件觸發(fā)模型[12]，通過用戶事件驅(qū)動(dòng)攻擊腳本及攻擊工具進(jìn)行攻擊模擬，并監(jiān)測(cè)艇上信息處理設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)交換板的日志，從而得到攻擊防護(hù)效果并反饋用戶。安全防護(hù)性能綜合測(cè)試工具包含兩個(gè)模塊：攻擊測(cè)試模塊和監(jiān)控評(píng)估模塊；用戶的一次事件會(huì)觸發(fā)安全防護(hù)性能綜合測(cè)試工具進(jìn)行兩個(gè)動(dòng)作：一是攻擊測(cè)試模塊運(yùn)行攻擊腳本進(jìn)行攻擊模擬操作；二是監(jiān)控評(píng)估模塊收集艇上信息處理設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)交換板的日志信息進(jìn)行攻擊效果比對(duì)，并輸出。

3 基于半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試實(shí)例

為了驗(yàn)證半實(shí)物仿真的水面無人艇測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了水面多目標(biāo)規(guī)避能力測(cè)試試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

考核被試艇水面靜態(tài)障礙探測(cè)和定位能力及規(guī)避能力。

3.2 試驗(yàn)方法

在海面上設(shè)置由4 個(gè)邊界點(diǎn)F01～F04 圍成的3000 m×2000 m 矩形區(qū)域，并設(shè)置水面浮標(biāo)測(cè)試時(shí)被作為水面障礙，并在矩形區(qū)域中心位置設(shè)置過航點(diǎn)T01，如圖6所示，水面靜態(tài)障礙具有不同的顏色辨識(shí)，紅色顏色標(biāo)識(shí)的水面障礙威脅半徑R1 為200 m，藍(lán)色顏色標(biāo)識(shí)的水面障礙威脅半徑R2 為150 m，綠色顏色標(biāo)識(shí)的水面障礙威脅半徑R3 為100 m，設(shè)置矩形進(jìn)場(chǎng)區(qū)域A、出場(chǎng)區(qū)域B。

圖6 水面多目標(biāo)規(guī)避能力測(cè)試航路規(guī)劃圖Fig.6 Route planning of surface multi-target evasion capability test

接到開始命令后，切換自主航行模式，對(duì)水面靜態(tài)障礙進(jìn)行探測(cè)和定位，期間需經(jīng)過指定過航點(diǎn)T01，探測(cè)完成后到達(dá)出場(chǎng)區(qū)域B，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中，檢查各項(xiàng)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，測(cè)量環(huán)境是否滿足試驗(yàn)要求。

3.3 考核要求

（1）被試艇操作員按上述步驟要求操控被試艇；

（2）試驗(yàn)過程中，被試艇不得駛出F01～F04坐標(biāo)點(diǎn)所圍成的矩形區(qū)域，試驗(yàn)過程中不得進(jìn)入各水面靜態(tài)障礙的威脅半徑范圍內(nèi)；

（3）被試艇在試驗(yàn)航行過程中，必須經(jīng)過指定過航點(diǎn)T01；

（4）被試艇需在45 min 以內(nèi)完成探測(cè)和定位，并到達(dá)出場(chǎng)區(qū)域B；

（5）針對(duì)障礙物的顏色及位置識(shí)別，被試艇的岸基處理設(shè)備應(yīng)具備輸出識(shí)別結(jié)果的專用顯示區(qū)域。

針對(duì)試驗(yàn)題目要求，在仿真測(cè)試場(chǎng)景中和海上設(shè)置相同的測(cè)試區(qū)域及障礙物，分別采用仿真測(cè)試和實(shí)艇驗(yàn)證的方式進(jìn)行測(cè)試，記錄任務(wù)完成總時(shí)間及過必過點(diǎn)時(shí)間用來驗(yàn)證仿真測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)效性，記錄繞障礙物的距離以及過必過點(diǎn)的精度，驗(yàn)證仿真測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。時(shí)間和精度的對(duì)比見表1、表2。

表1 時(shí)間對(duì)比Table 1 Time comparison

表2 精度對(duì)比Table 2 Accuracy comparison

從時(shí)間和精度上來看，仿真較實(shí)艇的用時(shí)更短一些，并且精度更好?？紤]是由于實(shí)艇轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)造成的，未來將通過改善仿真系統(tǒng)的水動(dòng)力模型，以提高綜合導(dǎo)航模擬器的仿真精度以及時(shí)間和精度的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用無人艇綜合導(dǎo)航模擬器、任務(wù)載荷模擬器，結(jié)合可靠性、安全防護(hù)性能測(cè)試等配試工具，搭建半實(shí)物無人艇仿真測(cè)試環(huán)境，把實(shí)艇測(cè)試項(xiàng)目提前至陸上系統(tǒng)測(cè)試中，可以對(duì)航行控制、任務(wù)處理流程和算法進(jìn)行充分測(cè)試。另外，設(shè)計(jì)多種航行任務(wù)控制軟件測(cè)試用例，利用場(chǎng)景構(gòu)建工具模擬多種海上復(fù)雜環(huán)境下的水面/水下目標(biāo)數(shù)據(jù)及海洋環(huán)境，可以提高算法的魯棒性，減少在實(shí)際應(yīng)用中的問題。通過對(duì)艇上重要任務(wù)載荷的模擬，可以驗(yàn)證整個(gè)任務(wù)執(zhí)行流程的正確性，提高系統(tǒng)測(cè)試效率。