武漢理工大學(xué) 劉佳侖 楊 帆

國家水運安全工程技術(shù)研究中心 關(guān)宏旭 武漢理工大學(xué) 李詩杰

根據(jù)中國船級社2020版《智能船舶規(guī)范》中的描述，智能船舶包含八大功能模塊，分別為智能航行、智能船體、智能機(jī)艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺、遠(yuǎn)程控制船舶和自主操作船。其中智能航行、遠(yuǎn)程駕控和自主航行功能是當(dāng)下重點關(guān)注的研究難點。面向智能船舶各項功能的實現(xiàn)，亟需突破一系列技術(shù)瓶頸，包括信息感知技術(shù)、通信導(dǎo)航技術(shù)、能效控制技術(shù)、航線規(guī)劃技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)、遇險預(yù)警救助技術(shù)以及自主航行技術(shù)。

測試驗證評估的問題與標(biāo)準(zhǔn)

1、智能船舶測試驗證評估的問題

船舶智能化發(fā)展方興未艾，面向智能船舶功能核定、技術(shù)研發(fā)需求，迫切需要其測試驗證評估技術(shù)研究的突破?？傮w而言，智能船舶測試驗證評估存在以下六大問題：

（1）安全問題：如何保障被測智能船舶自身與周圍環(huán)境的安全？

（2）效率問題：如何利用多種測試手段高效開展綜合測試？

（3）成本問題：如何在時間成本和經(jīng)濟(jì)成本約束下開展測試？

（4）覆蓋問題：如何保證船型、場景、功能的覆蓋度與完整性？

（5）真實問題：如何保證測試的場景真實、數(shù)據(jù)一致？

（6）應(yīng)急問題：如何對智能船舶運營中的突發(fā)狀況開展“情景應(yīng)對”測試？

2、智能船舶測試驗證評估的標(biāo)準(zhǔn)

對于自動駕駛汽車領(lǐng)域，其測試驗證評估的標(biāo)準(zhǔn)通?？梢詮膬蓚€角度出發(fā)進(jìn)行判定，一種是以相對安全的事故率為測試標(biāo)準(zhǔn)，要求系統(tǒng)的事故率顯著低于人的事故率，需要海量的測試?yán)锍獭⒊L的測試周期。美國綜合性戰(zhàn)略研究機(jī)構(gòu)蘭德公司表示，由于交通事故的概率小、偶發(fā)性強，驗證高等級自動駕駛汽車比駕駛?cè)说陌踩愿?，需進(jìn)行140×10^9公里的開放道路測試，需要100輛車、全天24小時連續(xù)測試400年。另一種則以絕對安全的失效率為測試標(biāo)準(zhǔn)，要求系統(tǒng)的失效率低于設(shè)定的閾值，需要測試高風(fēng)險、能力極限、未知風(fēng)險等場景，并利用虛擬測試手段，通過軟件在環(huán)、硬件在環(huán)、系統(tǒng)在環(huán)、人在回路等手段，訂制極端工況下的測試場景、呈現(xiàn)全息數(shù)據(jù)，是目前測試驗證評估技術(shù)的主流思想。對于智能船舶領(lǐng)域，由于船舶的事故率更低、測試場景重復(fù)性更差、航行里程測試需求更長、測試人力物力成本更高，依靠實尺度船舶進(jìn)行測試的可行性更低，因此亟需利用虛擬仿真和在環(huán)測試的技術(shù)手段，以絕對安全的失效率構(gòu)建測試驗證評估標(biāo)準(zhǔn)。

智能船舶測試驗證評估的內(nèi)涵

智能船舶測試驗證評估包含測試、驗證和評估三個方面的內(nèi)容。測試：測有無，用來判斷被測對象是否具備某項功能；驗證：驗對錯，用來判斷被測對象能否達(dá)成某項功能；評估：評好壞，用來從智能、效能和故障響應(yīng)等角度去判斷被測對象的性能。

在測試的功能層面，具體應(yīng)包括航路規(guī)劃測試、航速推薦測試、航向保持測試、航跡跟蹤測試、避碰決策測試、網(wǎng)絡(luò)通訊測試等；由功能層面進(jìn)一步生成測試的任務(wù)層面，包括自主離泊、自主航行、路徑規(guī)劃、避碰控制、自主靠泊等一系列任務(wù)?；诠δ芘c任務(wù)測試的結(jié)果，需要從方法層面去驗證被測對象的功能達(dá)成與否，包括運動模型驗證、規(guī)劃算法驗證、控制算法驗證、航行區(qū)域適應(yīng)性驗證、控制對象適應(yīng)性驗證等。最終，面向船舶智能航行能力，應(yīng)從系統(tǒng)綜合性能層面去評價被測對象，包括算法準(zhǔn)確性評價、功能切換性評價、航行經(jīng)濟(jì)性評價、控制鎮(zhèn)定性評價以及系統(tǒng)容錯性評價等。

虛實融合的測試驗證評估方法體系

雖然純虛擬仿真測試可以在低成本、高效率、零風(fēng)險的前提下對智能船舶航行理論與控制算法進(jìn)行研發(fā)與測試，但在一定程度上存在真實性問題，包括測試場景的真實性、數(shù)據(jù)來源的真實性、船舶動力學(xué)仿真的真實性。模型測試和實船測試雖然可以真實的反應(yīng)船舶的實際航行工況，但存在安全性、經(jīng)濟(jì)性、重復(fù)性等諸多問題。因此，以虛實融合測試為主體，虛擬測試為先導(dǎo)，模型測試為中試，實船測試為校驗的測試驗證評估體系是智能船舶測試的必然選擇。

虛實融合測試方法中的“實”指模型船/實船、實際航道環(huán)境及實際交通流信息；而“虛”指虛擬船舶、虛擬航道環(huán)境及虛擬航行場景[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)將模型船/實船姿態(tài)信息與狀態(tài)信息離線或?qū)崟r映射至虛擬船舶，同時構(gòu)建基于真實航道環(huán)境信息與航行場景信息的虛擬仿真空間，在所構(gòu)建模型船/實船的高精度船舶運動模型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)虛實融合的智能船舶測試驗證評估。虛實融合測試總體可以分為虛船虛景、虛船實景、實船虛景、實船實景，以涵蓋算法、功能、性能、智能、效能、故障響應(yīng)等不同測試需求。

虛實融合的智能船舶測試驗證評估對象涵蓋自主航行控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣與系統(tǒng)穩(wěn)定、遠(yuǎn)程駕駛通訊系統(tǒng)的信號傳輸與信息安全、人機(jī)共融系統(tǒng)切換的柔性切換與共融性能、多源感知數(shù)據(jù)融合的融合策略與感知能力等，但不針對感知設(shè)備的基本參數(shù)、設(shè)備系統(tǒng)的耐用性能、人因干擾的系統(tǒng)故障等因素進(jìn)行測試。

虛實融合的智能船舶測試驗證評估關(guān)鍵技術(shù)

總體而言，虛實融合的智能船舶測試驗證評估關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為五項：多維數(shù)字孿生建模、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、虛實融合信息交互、人機(jī)共融評估評價以及自主航行系統(tǒng)構(gòu)建。

1、自主航行系統(tǒng)構(gòu)建

自主航行系統(tǒng)是虛實融合的智能船舶測試驗證評估的對象。自主航行系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是包括環(huán)境感知與認(rèn)知、場景識別與理解、系統(tǒng)決策與控制以及信息交互與協(xié)同等關(guān)鍵功能組分在內(nèi)的人工智能集合體。環(huán)境感知與認(rèn)知指利用感知手段獲取船舶在航行環(huán)境和自身狀態(tài)信息；場景識別與理解指通過圖像識別等方法讓船舶在航行過程中建立基于感知信息的外部狀態(tài)辨識；系統(tǒng)決策與控制指在航行場景庫與駕駛行為庫支持下實現(xiàn)對船舶的智能航行決策控制；信息交互與協(xié)同包含船-岸-云信息一體化和數(shù)據(jù)采集、分析、數(shù)據(jù)以及存儲。

2、多維數(shù)字孿生建模

數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。船舶多維數(shù)字孿生建模包括船舶物理模型建模、船舶運動模型建模、船舶航行環(huán)境建模、航行交通流信息建模等。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)真實船舶向虛擬船舶的投影，通過真實船舶提供的各種實際數(shù)據(jù)，讓虛擬船舶模擬基于真實環(huán)境的虛擬場景測試，特別是現(xiàn)實世界中常見的、存在風(fēng)險的、難以復(fù)現(xiàn)的功能測試，實現(xiàn)虛擬和物理的聯(lián)動。

3、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合指對從單個和多個信息源獲取的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綜合，以獲得精確的位置和狀態(tài)信息確認(rèn)，以及對態(tài)勢和威脅及其重要程度進(jìn)行全面及時評估的信息處理過程，以提高感知認(rèn)知精度。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)包括船舶自身數(shù)據(jù)信息（經(jīng)緯度、航速、電機(jī)轉(zhuǎn)速與角度、艏向角、跡向角等）和船舶周圍環(huán)境信息（風(fēng)場、流場、環(huán)境場、航道基礎(chǔ)設(shè)施、其它在航船舶等），這些真實數(shù)據(jù)主要來源于AIS、GPS、海事雷達(dá)、激光雷達(dá)、氣象儀等船端或岸基傳感器。利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提升系統(tǒng)對船舶航行狀態(tài)感知的精度，協(xié)同實現(xiàn)對航行水域的全方位感知與監(jiān)管。

4、虛實融合信息交互

虛實融合信息交互是指虛擬仿真環(huán)境與真實物理環(huán)境之間進(jìn)行實時的通信、交互和協(xié)同，以實現(xiàn)有效的虛實聯(lián)動。虛實融合信息交互包括信息交互、虛實融合與人機(jī)交互；信息交互指將船端信息和航道信息與岸基信息和操作空間之間的信息交互，包含船-岸-天一體化信息交互，同時也涵蓋了安全、存儲、解析等多方面功能；虛實融合指將實際傳感器信息與交通流信息融入數(shù)字孿生船舶與虛擬仿真環(huán)境中；人機(jī)交互指船舶與船上人員、船舶與岸基人員的信息交互，需要保證交互的安全性、實時性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5、人機(jī)共融評估評價

人機(jī)共融評估評價指利用人機(jī)共融的手段對船舶自主航行系統(tǒng)進(jìn)行綜合能力的定性評估和定量評價；人機(jī)共融是利用人與自主航行系統(tǒng)的有機(jī)融合與隨機(jī)組合構(gòu)建人機(jī)共融的測試環(huán)境；定性評估指通過專家系統(tǒng)對自主航行系統(tǒng)航行測試結(jié)果進(jìn)行定性的測試評價；定量評價指通過建立評價指標(biāo)對自主航行系統(tǒng)航行測試結(jié)果進(jìn)行定量的打分評價。人機(jī)共融評估評價可以利用圖靈測試的理論方法，通過在系統(tǒng)中接入由船舶駕引人員操作的船舶駕駛模擬器，將被測船舶智能與船舶駕引人員同時操控虛擬船舶于系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬場景測試，在不清楚每個虛擬船舶的操控主體的前提下，由第三方評估人員對船舶智能航行能力進(jìn)行定性評估，同時通過設(shè)置船舶智能航行能力評估指標(biāo)對其智能水平進(jìn)行定量評價。

智能船舶測試驗證評估技術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)下船舶領(lǐng)域的研究重點與戰(zhàn)略方向。以模型船或?qū)嵈_展測試驗證評估研究是高成本、低效率、高風(fēng)險的方法，利用純虛擬仿真對船舶智能航行控制系統(tǒng)進(jìn)行測試驗證評估研究則存在真實性問題，因此虛實融合的智能船舶測試驗證評估技術(shù)研究是必要的。然而不論是在虛實融合測試體系的架構(gòu)上，還是驗證與評估手段的可靠性上，仍然需要投入大量的研究性與論證性工作。

面向智能船舶加速推進(jìn)需求，亟需從選取代表船型、健全標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、打造協(xié)同云端、融合多種工具、優(yōu)化考評指標(biāo)五個方面構(gòu)建異地協(xié)同、虛實融合、人機(jī)共融的測試驗證評估體系；在此基礎(chǔ)上，加強制造業(yè)、航運業(yè)、船級社、高校與科研院所的深度融合，形成產(chǎn)、學(xué)、研、用、檢等各機(jī)構(gòu)的互動、互通、互聯(lián)。