船舶智能航行測(cè)試國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 馮書桓 石 瑤

目前，智能船舶的發(fā)展正處在轉(zhuǎn)折點(diǎn)和重要機(jī)遇期。一方面，隨著自主船舶、自主避碰、自動(dòng)靠離泊、船舶能效管理系統(tǒng)等典型船舶智能設(shè)備系統(tǒng)日趨成熟，零排放自主航行集裝箱船“Yara Birkeland”輪首航、自主航行渡輪“FALCO”輪開展系統(tǒng)測(cè)試，智能船舶技術(shù)發(fā)展邁上了一個(gè)嶄新高度。另一方面，智能船舶領(lǐng)域國際規(guī)則日益完善，IMO自主船舶試航暫行導(dǎo)則在MSC 101次會(huì)上發(fā)布，IMO MASS法規(guī)監(jiān)管范圍界定（MASS Regulatory Scoping Exercise）工作在MSC 103次會(huì)上完成，ISO 23860“自主船舶系統(tǒng)相關(guān)術(shù)語”標(biāo)準(zhǔn)即將以TS（technical specification，技術(shù)規(guī)范）形式發(fā)布……相關(guān)技術(shù)發(fā)展和國際規(guī)則的完善為智能船舶進(jìn)一步開展實(shí)船功能性測(cè)試，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)性與可靠性評(píng)估，探索商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景等帶來機(jī)遇。然而，當(dāng)前各主要國際標(biāo)準(zhǔn)化組織尚未發(fā)布智能船舶測(cè)試場(chǎng)建設(shè)、測(cè)試流程和要求等方面的針對(duì)性標(biāo)準(zhǔn)，僅有部分指南提供了較為概括的描述性要求，各方組織開展船舶智能航行測(cè)試、進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)的比較和評(píng)估仍存在一定障礙。

船舶智能航行測(cè)試技術(shù)框架

1、測(cè)試對(duì)象

船舶智能航行功能測(cè)試與驗(yàn)證涉及不同層級(jí)、不同領(lǐng)域的軟件和硬件的檢驗(yàn)，但總體上測(cè)試對(duì)象可歸納為性能、能效、信息和智能四大主要類別。性能是船舶在智能設(shè)備系統(tǒng)的控制下，浮性、穩(wěn)性、快速性、操縱性、耐波性等各類常規(guī)船舶通用評(píng)價(jià)指標(biāo)的表現(xiàn)。能效即船舶通過智能能效管理系統(tǒng)，在外界風(fēng)、浪、流等環(huán)境影響下通過主動(dòng)的船舶姿態(tài)調(diào)節(jié)、主機(jī)工況管理、航速調(diào)節(jié)等手段提升船舶經(jīng)濟(jì)效能和環(huán)保指標(biāo)的能力。信息是船舶實(shí)現(xiàn)智能航行的基礎(chǔ)，覆蓋采集、存儲(chǔ)、傳輸、分析等各個(gè)環(huán)節(jié)，其全面性、可靠性、準(zhǔn)確性、快速性、安全性、穩(wěn)定性等是船舶智能航行測(cè)試的重要內(nèi)容。智能是智能船舶的核心要素，具體體現(xiàn)在自主航行、自主避碰、自動(dòng)靠離泊等典型應(yīng)用場(chǎng)景下船舶智能設(shè)備系統(tǒng)體現(xiàn)出的環(huán)境態(tài)勢(shì)感知、分析決策和操控等功能。

2、測(cè)試方法

圍繞上述四類船舶智能航行測(cè)試對(duì)象，結(jié)合相關(guān)安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，目前國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開發(fā)和采用了包括虛擬仿真、模型測(cè)試和實(shí)船測(cè)試的船舶智能航行測(cè)試驗(yàn)證體系。其中，虛擬仿真是運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)模擬物理環(huán)境，在前期對(duì)智能船舶相關(guān)決策和控制理論、算法和程序進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和問題、縮短周期、降低成本、提高效率。模型測(cè)試是指在智能船舶設(shè)計(jì)建造中期將等比例縮小的船舶模型及障礙物置于測(cè)試水池中，在風(fēng)、浪、流等外部條件作用下進(jìn)行航行試驗(yàn)，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)試，以降低風(fēng)險(xiǎn)、成本和開展實(shí)船試驗(yàn)在組織協(xié)調(diào)方面的難度。實(shí)船試驗(yàn)是船舶智能航行的最終測(cè)試階段，承擔(dān)船舶可靠性、安全性和各實(shí)際場(chǎng)景下所有功能的實(shí)際檢驗(yàn)，是最終獲得認(rèn)證的必經(jīng)程序。

3、技術(shù)框架

如圖1所示，測(cè)試與驗(yàn)證工作貫穿于智能船舶及相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的全過程。從船舶智能航行規(guī)則符合性驗(yàn)證(verification)與用戶需求確認(rèn)（validation）的要求出發(fā)，需要首先搭建相應(yīng)驗(yàn)證場(chǎng)景，隨后結(jié)合功能設(shè)計(jì)到實(shí)際應(yīng)用的不同環(huán)節(jié)，選擇虛擬仿真、模型測(cè)試和實(shí)船測(cè)試或虛實(shí)融合的方式開展相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)和整船的功能性和安全性驗(yàn)證。

圖1 智能船舶航行測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)工作的支撐

虛實(shí)融合是當(dāng)前開展船舶智能航行測(cè)試的典型技術(shù)方案。圖2展示了荷蘭eMIR測(cè)試平臺(tái)（eMaritime Integrated Reference Platform）的技術(shù)框架。受測(cè)試的智能船舶設(shè)備或系統(tǒng)與一個(gè)多態(tài)交互界面連接，測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)的虛擬部分與傳感器仿真模塊、環(huán)境仿真模塊等高級(jí)模塊相連。在實(shí)船模塊中，測(cè)試場(chǎng)提供諸如各類傳感器、船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）、測(cè)試船舶等基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)信息通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中傳輸，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

圖2 船舶智能航行測(cè)試技術(shù)框架（荷蘭eMIR測(cè)試平臺(tái)）

船舶智能航行測(cè)試國際標(biāo)準(zhǔn)

1、標(biāo)準(zhǔn)需求分析

從船舶智能航行測(cè)試的技術(shù)框架出發(fā)，可知其測(cè)試對(duì)象聚焦智能船舶的性能、能效、信息和智能化水平，測(cè)試方法包括虛擬仿真、模型試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試，在實(shí)際操作中則涉及測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)、外部環(huán)境及相關(guān)服務(wù)系統(tǒng)模擬、測(cè)試場(chǎng)建設(shè)、模塊間信息聯(lián)通、虛實(shí)融合測(cè)試方法的協(xié)調(diào)配合等諸多因素，由此可研判出船舶智能航行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)需求如下：

（1）船舶智能航行測(cè)試技術(shù)要求，聚焦智能航行測(cè)試總體技術(shù)框架，包括測(cè)試的目的、原則、方法、架構(gòu)、報(bào)告格式，以及虛擬仿真、模型試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試三種典型方法的選擇及其相互間協(xié)調(diào)配合關(guān)系。

（2）船舶智能航行測(cè)試環(huán)境建設(shè)要求，針對(duì)模型測(cè)試水池及實(shí)船測(cè)試場(chǎng)，圍繞選址、設(shè)備系統(tǒng)布設(shè)、風(fēng)浪流涌等外部環(huán)境模擬、船舶及障礙物模型的制作和布置等提出相應(yīng)技術(shù)要求。

（3） 智能船舶測(cè)試性能要求，即針對(duì)船舶在智能設(shè)備系統(tǒng)的控制下，浮性、穩(wěn)性、快速性、操縱性、耐波性等各類常規(guī)船舶通用評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)以及技術(shù)指標(biāo)要求。

（4）智能船舶測(cè)試能效要求，即針對(duì)船舶在船舶能效管理系統(tǒng)控制下的能效表現(xiàn)提出測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)以及技術(shù)指標(biāo)要求。

（5） 智能航行典型場(chǎng)景功能測(cè)試要求，即針對(duì)船舶自主航行、自動(dòng)靠離泊、自主避碰、遠(yuǎn)程遙控等典型智能功能提出的測(cè)試場(chǎng)景設(shè)計(jì)和技術(shù)指標(biāo)要求。

（6）船舶智能航行測(cè)試信息聯(lián)通要求，包括針對(duì)船載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)之間，以及船舶與各測(cè)試模塊之間數(shù)據(jù)接口和傳輸?shù)募夹g(shù)要求，如數(shù)據(jù)傳輸頻率、存儲(chǔ)方式、連接方式、帶寬要求等。

2、國際標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀梳理

目前，針對(duì)智能船舶及其配套設(shè)備的國際標(biāo)準(zhǔn)主要集中在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織船舶與海洋技術(shù)委員會(huì)“智能航運(yùn)”工作組（ISO/TC 8/WG 10）和國際電工委員會(huì)海上導(dǎo)航和無線電通信設(shè)備及系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)（IEC/TC 80）。但標(biāo)準(zhǔn)涉及領(lǐng)域主要覆蓋智能船舶船載網(wǎng)絡(luò)、通信數(shù)據(jù)、術(shù)語等前沿技術(shù)以及雷達(dá)等單體電子通導(dǎo)設(shè)備的性能表現(xiàn)。隨著IMO《自主水面船舶暫行導(dǎo)則》的出臺(tái)，近年來智能船舶測(cè)試逐漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，但各方專門針對(duì)智能航行測(cè)試制定的標(biāo)準(zhǔn)較少，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)也不足以支撐當(dāng)前技術(shù)和規(guī)則背景下船舶智能航行測(cè)試工作的開展?，F(xiàn)有船舶智能航行測(cè)試領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)梳理如下：

（1）IALA—電子航海（e-navigation）測(cè)試場(chǎng)的規(guī)劃與信息報(bào)告導(dǎo)則

國際航標(biāo)協(xié)會(huì)（IALA）于2016年發(fā)布的《電子航海(e-navigation)測(cè)試場(chǎng)的規(guī)劃與信息報(bào)告導(dǎo)則》是當(dāng)前各國開展智能船舶測(cè)試場(chǎng)建設(shè)的重要參考。導(dǎo)則共分為4部分，其中第四章“測(cè)試場(chǎng)的規(guī)劃”中針對(duì)測(cè)試場(chǎng)建設(shè)需要考慮的因素、測(cè)試場(chǎng)設(shè)計(jì)、船舶智能航行試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析分別提出了原則性要求，第五章和附錄中則分別給出了智能船舶測(cè)試結(jié)果的報(bào)告要求及相關(guān)模板?？傮w上，考慮到該文件發(fā)布時(shí)間較早，內(nèi)容較為概括和簡(jiǎn)略，距離相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開展船舶智能航行測(cè)試驗(yàn)證工作的實(shí)際需求仍有一定差距。

（2）智能船舶性能測(cè)試要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

智能船舶性能測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)船舶在智能設(shè)備系統(tǒng)控制下的穩(wěn)性、浮性、快速性等常規(guī)性能，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織船舶與海洋技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 8）的船舶設(shè)計(jì)委員會(huì)制定，由于其與常規(guī)船舶要求類似，故不再贅述。值得注意的是，相關(guān)技術(shù)要求在船級(jí)社規(guī)范中也有較多體現(xiàn)。

與常規(guī)船舶相比，智能船舶的特性主要體現(xiàn)在其船上電子設(shè)備系統(tǒng)，ISO 17894“海事應(yīng)用中的可編程電子系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用”對(duì)其做了較為詳盡的規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)為海事系統(tǒng)中應(yīng)用的電子程序提出了20條開發(fā)原則，包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、系統(tǒng)冗余度、信息傳輸?shù)募皶r(shí)性和準(zhǔn)確性等，用以確保相關(guān)電子設(shè)備系統(tǒng)的安全性和可靠性。該標(biāo)準(zhǔn)是依托IEC 61508“電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全”標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合海事工業(yè)的特點(diǎn)修訂而來，在船舶智能航行測(cè)試中具有重要意義。

（3）船舶智能航行測(cè)試信息聯(lián)通相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織針對(duì)船載網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)制定了若干標(biāo)準(zhǔn)，但尚無專門針對(duì)船舶智能航行測(cè)試場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)船載網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸，目前日本通過其國內(nèi)的“智能船舶應(yīng)用平臺(tái)”（Smart Ship Application Platform，簡(jiǎn)稱SSAP）系列項(xiàng)目，在ISO/TC 8/WG 10內(nèi)發(fā)布了ISO 16425《船舶與海洋技術(shù) 船載設(shè)備和系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)指南》、ISO 19847《船舶與海洋技術(shù) 用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)共享的船舶數(shù)據(jù)服務(wù)器》和ISO 19848《船舶與海洋技術(shù) 船載機(jī)械設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)》等一系列國際標(biāo)準(zhǔn)。其中，ISO 19847對(duì)船端數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能要求和性能標(biāo)準(zhǔn)做出了定義；ISO 19848對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)源，包括船載傳感器的識(shí)別碼格式、通用數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)格式等給出了要求。這兩項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了“ShipDC”架構(gòu)下船端數(shù)據(jù)管理和核心，目前在國際上擁有較強(qiáng)影響力。此外，ISO/TC 8/WG 10內(nèi)目前還在開發(fā)ISO/WD 23807《船舶與海洋技術(shù) 船岸數(shù)據(jù)通信一般要求》標(biāo)準(zhǔn)。上述標(biāo)準(zhǔn)均將對(duì)智能船舶的技術(shù)研發(fā)和測(cè)試驗(yàn)證工作提供參考。

未來發(fā)展趨勢(shì)

通過對(duì)比船舶智能測(cè)試國際標(biāo)準(zhǔn)需求與現(xiàn)狀，能夠發(fā)現(xiàn)針對(duì)船舶智能航行測(cè)試總體技術(shù)要求、能效要求、虛實(shí)融合的測(cè)試場(chǎng)建設(shè)及相關(guān)系統(tǒng)環(huán)境模塊的模擬、智能航行典型場(chǎng)景的功能測(cè)試要求，以及船舶及測(cè)試場(chǎng)中各設(shè)備和系統(tǒng)之間的信息聯(lián)通等方面存在明顯的標(biāo)準(zhǔn)缺項(xiàng)。

隨著各國針對(duì)船舶智能航行測(cè)試的投入力度日益加大，以及相關(guān)工程項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)，近年來有關(guān)智能船舶測(cè)試的學(xué)術(shù)論文、技術(shù)文件和交流研討數(shù)量和質(zhì)量都顯著提升?？梢灶A(yù)見，隨著各國技術(shù)方案日趨成熟，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，針對(duì)船舶智能航行測(cè)試的國際標(biāo)準(zhǔn)將逐漸成為下一步各方爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

一直以來，船海領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)始終以國際海事立法、市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步為三大驅(qū)動(dòng)因素。船舶智能航行測(cè)試作為智能船舶發(fā)展中的重要環(huán)節(jié)，在當(dāng)前IMO出臺(tái)相關(guān)法規(guī)作為依據(jù)，技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，各方對(duì)于國際標(biāo)準(zhǔn)的需求愈發(fā)凸顯，開展國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作的條件也日趨成熟。

我國通過船舶智能航行相關(guān)科研項(xiàng)目的開展，也圍繞沿海船舶智能航行測(cè)試需求、測(cè)試場(chǎng)建設(shè)、環(huán)境感知、自主航行、遠(yuǎn)程遙控等重點(diǎn)領(lǐng)域形成了一定的技術(shù)積累。針對(duì)船舶智能航行國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，建議國內(nèi)相關(guān)單位：

（1） 積極參與IALA、ISO/TC 8等智能船舶及測(cè)試領(lǐng)域重點(diǎn)國際組織活動(dòng)，拓展專家資源，持續(xù)關(guān)注國際標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)展，及時(shí)提出意見建議，反饋我國技術(shù)立場(chǎng)，在適當(dāng)時(shí)機(jī)主動(dòng)提出國際標(biāo)準(zhǔn)提案建議；

（2）加快科技成果轉(zhuǎn)化，結(jié)合我國工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)國際化需求，尋求設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營和檢驗(yàn)等不同領(lǐng)域的單位協(xié)同聯(lián)動(dòng)，主動(dòng)研究、策劃提出國際標(biāo)準(zhǔn)需求；

（3）繼續(xù)加快船舶智能航行測(cè)試技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品應(yīng)用和實(shí)踐案例總結(jié)，在國際上培育技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)同盟，積極推動(dòng)智能船舶和智能航運(yùn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的構(gòu)建，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和參與國際規(guī)則制定提供支持。

我國首艘雙燃料多用途氣體運(yùn)輸船“宏利”輪交付

2020年12月10日，由中國船級(jí)社(CCS)廣州分社執(zhí)行檢驗(yàn)的我國首艘液化天然氣(LNG)雙燃料多用途氣體運(yùn)輸船“宏利”輪在中船黃埔文沖船舶有限公司順利交付，拓展了新能源動(dòng)力船型。該輪是中船黃埔文沖船舶有限公司為西南海運(yùn)有限公司建造的第1艘9500方多用途氣體運(yùn)輸船，是在華南地區(qū)LNG雙燃料多用途氣體運(yùn)輸船建造領(lǐng)域的重大開拓。該輪能夠承擔(dān)液化天然氣(LNG)、液化乙烯(LEG)和液化石油氣(LPG)等多種液化氣體的運(yùn)輸?！昂昀陛喛傞L(zhǎng)119.6米，型寬19.80米，型深11.30米，由上海船舶研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，采用C型獨(dú)立液貨罐型式，配有貨艙罐2個(gè)和甲板罐2個(gè)，載貨量達(dá)9500m3，可載運(yùn)最低溫度-163℃，最大蒸氣壓力0.53MPa的液化氣體貨物。