建設實海域智能船艇測試場亟待合力推進

上海交通大學海洋智能裝備與系統教育部重點實驗室 王鴻東 黃 一 趙 愷 易 宏

2019年10 月11 日～13日，由中國造船工程學會、上海交通大學與中國船級社等單位聯合主辦中國智能船艇挑戰賽“海上爭鋒”在山東省日照市舉辦。來自高校、科研院所和行業企業近50 艘船艇完成了我國首次實海況下的無人智能船艇競賽。競賽面向不同主尺度及功能的智能船艇，分為自主繞標、穿越險阻和海上爭鋒三個組別，所設置科目考核了船艇自主循跡、避障、識別、跟蹤等智能功能。競賽開幕式上，中國船級社（CCS）總裁莫鑒輝向上海交通大學海洋智能裝備與系統教育部重點實驗室授予無人艇測試服務供方資格認可證書，這也是該項專業資質證書首次授予高校單位。

實驗室旗下的海洋裝備智能演進中心，承擔本次競賽測試任務。中心建有海上試驗區、瀉湖試驗區、岸基指控站、信息傳輸基站、數據反演及態勢研判終端系統等測試分析平臺，可以支撐各種水面、水下智能裝備及系統開展技術成熟度5級及以上的樣機試驗研究及智能演進評判研究。

本次競賽是中國船級社制定《從事智能船舶和/或無人艇測試的服務供應方認可暫行規定》以來，首次開展的大規模實海域無人艇測試活動，積累了寶貴的實測數據，為我國今后更好地開展實海域智能船艇測試場建設積累了大量實踐經驗，探索了未來的建設方向。

圖2 測試海域

圖3 測試系統

一、建設實海域智能船艇測試場的意義

智能船艇最典型的技術特征就是具有智能演進能力。所謂智能演進，就是系統在賦能算法的支持下，基于訓練過程中產生的大量感知信息、認知經驗和運行狀態數據，持續迭代算法參數與架構，實現系統智能水平的持續提升。因此，實現智能演進的基礎，是積累實際應用場景下智能船艇的性能測試數據。

本次競賽測試后，由邱志明院士領銜的競賽委員會即根據參賽船艇在試航、競賽階段遇到的各類問題，總結當前智能船艇發展的若干共性問題，深化競賽活動內涵，指明裝備發展方向。例如，在海上目標搜索科目中，參賽船艇出現了諸如因海面反光導致目標檢測虛警、波浪抨擊導致跟蹤目標頻繁丟失、甲板上浪導致光學識別失效等智能算法應用問題，導致任務失敗。專家們認為，現有圖像識別、環境感知等人工智能算法，難以直接適配智能船艇在海洋環境下的魯棒應用需求。為提升智能船艇自主識別能力，需提出可適用于風、浪、流、鹽霧、汽霧等實海域環境下的算法模型，持續積累測試數據，更新迭代算法參數與架構。

因此，基于實海域的專業化測試是智能船艇技術研發的高級階段，是推動智能船艇技術快速發展，形成成熟產品，實現產業化應用的關鍵環節。目前，智能船艇實海域測試場建設及測試技術體系研發，已成為美國、挪威、日本等國家關注的前沿熱點。

二、建設實海域智能船艇測試場的問題

當前，面向無人車、無人機等無人系統的專業化測試場建設已初顯成效，國家智能網聯汽車（上海）試點示范區、國家智能汽車與智慧交通（京冀）示范區海淀基地、華東無人機基地等已開始承擔商業化測試任務，甚至出現“排隊測試”現象。而智能船艇測試場由于其技術體系、運營模式等特殊問題，尚處于摸索起步階段。

一是實海域測試環境觀測與重構問題。不同于陸地和空中測試環境要求，實海域的風浪流、聲、熱、電磁等多物理場構成了一個復雜的隨機環境系統，將對智能船艇的性能產生較大影響。在本次“智繪2019”自主循跡科目中，同一條船艇僅相隔2 小時進行測試，其軌跡即有較大偏差。因此，能否構建可以完備查詢時空變化的環境變量統一數據庫，掌握測試場所處自然環境的變化特性和干擾特性，并在必要時予以虛擬復現和重構，關系到實海域智能船艇測試場的測試可信度。

圖4 海上爭鋒科目參賽船艇

二是測試指標與科目體系構建問題。針對不同用戶需求，智能船艇具有不同的功能設計。這就要求測試場能將船艇的目標功能要求，最大程度解耦、量化成可供對比分析的測試指標，并設計相應的測試科目。其中，既有船艇作為海上移動平臺的共性指標，又有船艇依靠載荷執行任務的個性指標。本次競賽中的“智繪2019”科目，重點考核了船艇的操縱性能與自主循跡能力，測量了船艇回轉縱距、戰術直徑、橫漂距離等指標；“智尋標的”科目，重點考核了船艇在特定海域的搜索與識別能力，測量了船艇光學識別準確率、距離識別準確度等指標。

三是實時測試數據存儲與傳輸問題。根據測試科目的不同，智能船艇在測試過程中將積累離散數值、柵格圖像及音視頻等大量的非結構化數據。然而，受限于船載設備通信能力，智能船艇在測試時，無法做到將全部信息傳輸回岸端，只能傳輸經實時計算的少量聚合結果。相比于無人機和無人車，智能船艇航行時間更長，產生的總數據量更大，存儲與檢索的難度更大，對測試信息管理系統的要求更高。針對本次競賽測試需求，實驗室自主開發了船載數據采集裁判終端和基于時序數據庫的信息管理系統，實現對被測船艇信息的快速壓縮存儲、快速檢索分析。

四是海上測試過程安全保障問題。基于當前技術水平，我國海洋綜合管理能力尚有不足。因此，在實海域大范圍測試過程中，容易出現通信電磁干擾、無關船舶干擾等問題。在本次競賽中，多次出現由于頻段干擾導致船艇航行軌跡異常或失控，以致任務失敗。還有部分船艇推進裝置卷入遺棄漂浮漁網，導致設備損壞。上述問題的出現，一方面是船艇自身抗干擾能力不足，設備保護措施不到位，另一方面，也對測試場的安全保障能力提出較高要求。然而，由于海域的開放性，測試場運營方無法獨立完成上述安全保障需求，還需當地海事、漁政、無線電管理等部門的聯合支持。

五是資本投入產出的費效比問題。對于無人機、無人車等消費級產品，存在測試定型后大批量生產的預期。智能船艇尚不存在面向大眾的消費級市場，而是針對用戶功能需求進行定制化、小批量開發，其市場規模在短期內有限。然而，實海域測試場的建設需要土地、海域、碼頭的場地資源投入，需要岸基、水面、水下測試設備與保障裝備的配置與長期維護投入，其綜合投資成本將高于無人機、無人車測試場。因此，實海域測試場初次投入與長期維護成本較高，測試服務收入有限且不穩定，投資回報周期漫長，是其運營發展面臨的基礎問題。

三、建設實海域智能船艇測試場的建議

基于實踐探索，針對上述問題，面向未來發展，我們認為，建設實海域智能船艇測試場，需要從技術、運營、政策三個層面統籌推進。

在技術層面上，需要構建實海域多物理場環境感知模型，形成可觀測、可溯源、可虛擬重構的智能船艇測試環境平臺；需要建設實海域泛在互聯通信網絡，形成支持多用戶并發、大容量傳輸、信道自適應切換及調頻、抗干擾、反介入等能力；需要開發智能船艇實海域測試方法，以用戶需求為頂層目標，自上而下解耦至物理指標明確的測試科目，自下而上耦合成以功能為導向的評估結果，形成基于任務的智能船艇綜合測評體系。

在運營層面上，需要政府部門支持，科研機構支撐，市場主體運作，以土地海域租用、設備融資租賃、政府采購服務等方式，調動各方生產要素積極投入運營；需要最大限度發揮專業化測試場的產業凝聚核心作用，以實海域測試場為平臺紐帶，積極探索數據服務、公眾科普、文創旅游等周邊產業，拓展智能船艇測試服務外延；需要融入“軍民融合”國家發展戰略，充分認識智能船艇裝備及測試能力的軍民兩用需求，服務國防科技創新。

在政策層面上，需要堅持國家主導，出臺相關規劃、政策、法規，對包括實海域智能船艇測試場在內的無人系統專業化測試場建設給予規范和支持，使其成為發展未來交通，建設交通強國的生力軍；需要當地政府在場地、稅收、信貸等方面給予政策優惠和科技創新項目扶持，通過引導基金、專項補貼等方式，對測試場運營機構“扶上馬、送一程”；需要國家自然資源部、海事局、漁業漁政管理局等涉海管理部門協同，在用海權限審批、航道申請、跨海域測試、海洋電磁環境清理等方面予以支持，共同管控實海域測試工作風險。

圖5 萬山海上測試場成功完成全球最大規模無人艇集群試驗

圖6 測試場的位置和測試場景示意圖

2017年8月，全球首個無人船測試區在芬蘭正式運營；同年，挪威海事管理機構與挪威海岸管理局簽署協議，允許企業在特隆赫姆峽灣進行智能無人船測試。我國珠海云洲智能科技有限公司、上海交通大學海洋智能裝備與系統教育部重點實驗室最早啟動建設實海域智能船艇測試場，并先后獲得中國船級社授予的測試服務供方資格認可證書。當前，國際海事界正處于智能船艇裝備開發與測試技術的探索起步階段。站在同一條起跑線，對任何一個造船國家都是挑戰，更是機遇。誰掌握了規則話語權，誰就能占據未來海洋裝備發展的主導權。作為海洋強國的建設者，我們應當依托實海域智能船艇測試場建設機遇，推動海洋智能裝備測試與演進技術開發，在實踐中發現問題，在問題中突破創新，助力中國海洋強國夢。