虛實(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)體系

武漢理工大學(xué) 劉佳侖 楊 帆

國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 關(guān)宏旭 武漢理工大學(xué) 李詩(shī)杰

根據(jù)中國(guó)船級(jí)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(tái)、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(diǎn)關(guān)注的研究難點(diǎn)。面向智能船舶各項(xiàng)功能的實(shí)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(xiàn)規(guī)劃技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)、遇險(xiǎn)預(yù)警救助技術(shù)以及自主航行技術(shù)。

測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的問(wèn)題與標(biāo)準(zhǔn)

1、智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的問(wèn)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(cè)試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)研究的突破。總體而言，智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估存在以下六大問(wèn)題：

（1）安全問(wèn)題：如何保障被測(cè)智能船舶自身與周?chē)h(huán)境的安全？

（2）效率問(wèn)題：如何利用多種測(cè)試手段高效開(kāi)展綜合測(cè)試？

（3）成本問(wèn)題：如何在時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本約束下開(kāi)展測(cè)試？

（4）覆蓋問(wèn)題：如何保證船型、場(chǎng)景、功能的覆蓋度與完整性？

（5）真實(shí)問(wèn)題：如何保證測(cè)試的場(chǎng)景真實(shí)、數(shù)據(jù)一致？

（6）應(yīng)急問(wèn)題：如何對(duì)智能船舶運(yùn)營(yíng)中的突發(fā)狀況開(kāi)展“情景應(yīng)對(duì)”測(cè)試？

2、智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)領(lǐng)域，其測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)通?？梢詮膬蓚€(gè)角度出發(fā)進(jìn)行判定，一種是以相對(duì)安全的事故率為測(cè)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(cè)試?yán)锍獭⒊L(zhǎng)的測(cè)試周期。美國(guó)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(qiáng)，驗(yàn)證高等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)比駕駛?cè)说陌踩愿?，需進(jìn)行140×10^9公里的開(kāi)放道路測(cè)試，需要100輛車(chē)、全天24小時(shí)連續(xù)測(cè)試400年。另一種則以絕對(duì)安全的失效率為測(cè)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(cè)試高風(fēng)險(xiǎn)、能力極限、未知風(fēng)險(xiǎn)等場(chǎng)景，并利用虛擬測(cè)試手段，通過(guò)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(cè)試場(chǎng)景、呈現(xiàn)全息數(shù)據(jù)，是目前測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)的主流思想。對(duì)于智能船舶領(lǐng)域，由于船舶的事故率更低、測(cè)試場(chǎng)景重復(fù)性更差、航行里程測(cè)試需求更長(zhǎng)、測(cè)試人力物力成本更高，依靠實(shí)尺度船舶進(jìn)行測(cè)試的可行性更低，因此亟需利用虛擬仿真和在環(huán)測(cè)試的技術(shù)手段，以絕對(duì)安全的失效率構(gòu)建測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的內(nèi)涵

智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估包含測(cè)試、驗(yàn)證和評(píng)估三個(gè)方面的內(nèi)容。測(cè)試：測(cè)有無(wú)，用來(lái)判斷被測(cè)對(duì)象是否具備某項(xiàng)功能；驗(yàn)證：驗(yàn)對(duì)錯(cuò)，用來(lái)判斷被測(cè)對(duì)象能否達(dá)成某項(xiàng)功能；評(píng)估：評(píng)好壞，用來(lái)從智能、效能和故障響應(yīng)等角度去判斷被測(cè)對(duì)象的性能。

在測(cè)試的功能層面，具體應(yīng)包括航路規(guī)劃測(cè)試、航速推薦測(cè)試、航向保持測(cè)試、航跡跟蹤測(cè)試、避碰決策測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)通訊測(cè)試等；由功能層面進(jìn)一步生成測(cè)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(cè)試的結(jié)果，需要從方法層面去驗(yàn)證被測(cè)對(duì)象的功能達(dá)成與否，包括運(yùn)動(dòng)模型驗(yàn)證、規(guī)劃算法驗(yàn)證、控制算法驗(yàn)證、航行區(qū)域適應(yīng)性驗(yàn)證、控制對(duì)象適應(yīng)性驗(yàn)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(píng)價(jià)被測(cè)對(duì)象，包括算法準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)、功能切換性評(píng)價(jià)、航行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)、控制鎮(zhèn)定性評(píng)價(jià)以及系統(tǒng)容錯(cuò)性評(píng)價(jià)等。

虛實(shí)融合的測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估方法體系

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

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[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)將模型船/實(shí)船姿態(tài)信息與狀態(tài)信息離線(xiàn)或?qū)崟r(shí)映射至虛擬船舶，同時(shí)構(gòu)建基于真實(shí)航道環(huán)境信息與航行場(chǎng)景信息的虛擬仿真空間，在所構(gòu)建模型船/實(shí)船的高精度船舶運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估。虛實(shí)融合測(cè)試總體可以分為虛船虛景、虛船實(shí)景、實(shí)船虛景、實(shí)船實(shí)景，以涵蓋算法、功能、性能、智能、效能、故障響應(yīng)等不同測(cè)試需求。

虛實(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估對(duì)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(hào)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(duì)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(cè)試。

虛實(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)

總體而言，虛實(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)可以歸納為五項(xiàng)：多維數(shù)字孿生建模、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、虛實(shí)融合信息交互、人機(jī)共融評(píng)估評(píng)價(jià)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(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的對(duì)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(chǎng)景識(shí)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(chǎng)景識(shí)別與理解指通過(guò)圖像識(shí)別等方法讓船舶在航行過(guò)程中建立基于感知信息的外部狀態(tài)辨識(shí)；系統(tǒng)決策與控制指在航行場(chǎng)景庫(kù)與駕駛行為庫(kù)支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)。

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(yùn)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(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)真實(shí)船舶向虛擬船舶的投影，通過(guò)真實(shí)船舶提供的各種實(shí)際數(shù)據(jù)，讓虛擬船舶模擬基于真實(shí)環(huán)境的虛擬場(chǎng)景測(cè)試，特別是現(xiàn)實(shí)世界中常見(jiàn)的、存在風(fēng)險(xiǎn)的、難以復(fù)現(xiàn)的功能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)虛擬和物理的聯(lián)動(dòng)。

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(duì)從單個(gè)和多個(gè)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(duì)態(tài)勢(shì)和威脅及其重要程度進(jìn)行全面及時(shí)評(píng)估的信息處理過(guò)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?chē)h(huán)境信息（風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)、環(huán)境場(chǎng)、航道基礎(chǔ)設(shè)施、其它在航船舶等），這些真實(shí)數(shù)據(jù)主要來(lái)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(duì)船舶航行狀態(tài)感知的精度，協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)航行水域的全方位感知與監(jiān)管。

4、虛實(shí)融合信息交互

虛實(shí)融合信息交互是指虛擬仿真環(huán)境與真實(shí)物理環(huán)境之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的通信、交互和協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)有效的虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。虛實(shí)融合信息交互包括信息交互、虛實(shí)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(shí)也涵蓋了安全、存儲(chǔ)、解析等多方面功能；虛實(shí)融合指將實(shí)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(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5、人機(jī)共融評(píng)估評(píng)價(jià)

人機(jī)共融評(píng)估評(píng)價(jià)指利用人機(jī)共融的手段對(duì)船舶自主航行系統(tǒng)進(jìn)行綜合能力的定性評(píng)估和定量評(píng)價(jià)；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(cè)試環(huán)境；定性評(píng)估指通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)對(duì)自主航行系統(tǒng)航行測(cè)試結(jié)果進(jìn)行定性的測(cè)試評(píng)價(jià)；定量評(píng)價(jià)指通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)自主航行系統(tǒng)航行測(cè)試結(jié)果進(jìn)行定量的打分評(píng)價(jià)。人機(jī)共融評(píng)估評(píng)價(jià)可以利用圖靈測(cè)試的理論方法，通過(guò)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(cè)船舶智能與船舶駕引人員同時(shí)操控虛擬船舶于系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬場(chǎng)景測(cè)試，在不清楚每個(gè)虛擬船舶的操控主體的前提下，由第三方評(píng)估人員對(duì)船舶智能航行能力進(jìn)行定性評(píng)估，同時(shí)通過(guò)設(shè)置船舶智能航行能力評(píng)估指標(biāo)對(duì)其智能水平進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)下船舶領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與戰(zhàn)略方向。以模型船或?qū)嵈_(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估研究是高成本、低效率、高風(fēng)險(xiǎn)的方法，利用純虛擬仿真對(duì)船舶智能航行控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估研究則存在真實(shí)性問(wèn)題，因此虛實(shí)融合的智能船舶測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)研究是必要的。然而不論是在虛實(shí)融合測(cè)試體系的架構(gòu)上，還是驗(yàn)證與評(píng)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(píng)指標(biāo)五個(gè)方面構(gòu)建異地協(xié)同、虛實(shí)融合、人機(jī)共融的測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估體系；在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)制造業(yè)、航運(yùn)業(yè)、船級(jí)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(dòng)、互通、互聯(lián)。