虛實融合的智能船舶測試驗證評估技術體系

武漢理工大學 劉佳侖 楊 帆

國家水運安全工程技術研究中心 關宏旭 武漢理工大學 李詩杰

根據中國船級社2020版《智能船舶規范》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、智能機艙、智能能效管理、智能貨物管理、智能集成平臺、遠程控制船舶和自主操作船。其中智能航行、遠程駕控和自主航行功能是當下重點關注的研究難點。面向智能船舶各項功能的實現，亟需突破一系列技術瓶頸，包括信息感知技術、通信導航技術、能效控制技術、航線規劃技術、狀態監測與故障診斷技術、遇險預警救助技術以及自主航行技術。

測試驗證評估的問題與標準

1、智能船舶測試驗證評估的問題

船舶智能化發展方興未艾，面向智能船舶功能核定、技術研發需求，迫切需要其測試驗證評估技術研究的突破。總體而言，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濟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、數據一致？

（6）應急問題：如何對智能船舶運營中的突發狀況開展“情景應對”測試？

2、智能船舶測試驗證評估的標準

對于自動駕駛汽車領域，其測試驗證評估的標準通常可以從兩個角度出發進行判定，一種是以相對安全的事故率為測試標準，要求系統的事故率顯著低于人的事故率，需要海量的測試里程、超長的測試周期。美國綜合性戰略研究機構蘭德公司表示，由于交通事故的概率小、偶發性強，驗證高等級自動駕駛汽車比駕駛人的安全性更高，需進行140×10^9公里的開放道路測試，需要100輛車、全天24小時連續測試400年。另一種則以絕對安全的失效率為測試標準，要求系統的失效率低于設定的閾值，需要測試高風險、能力極限、未知風險等場景，并利用虛擬測試手段，通過軟件在環、硬件在環、系統在環、人在回路等手段，訂制極端工況下的測試場景、呈現全息數據，是目前測試驗證評估技術的主流思想。對于智能船舶領域，由于船舶的事故率更低、測試場景重復性更差、航行里程測試需求更長、測試人力物力成本更高，依靠實尺度船舶進行測試的可行性更低，因此亟需利用虛擬仿真和在環測試的技術手段，以絕對安全的失效率構建測試驗證評估標準。

智能船舶測試驗證評估的內涵

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成某項功能；評估：評好壞，用來從智能、效能和故障響應等角度去判斷被測對象的性能。

在測試的功能層面，具體應包括航路規劃測試、航速推薦測試、航向保持測試、航跡跟蹤測試、避碰決策測試、網絡通訊測試等；由功能層面進一步生成測試的任務層面，包括自主離泊、自主航行、路徑規劃、避碰控制、自主靠泊等一系列任務。基于功能與任務測試的結果，需要從方法層面去驗證被測對象的功能達成與否，包括運動模型驗證、規劃算法驗證、控制算法驗證、航行區域適應性驗證、控制對象適應性驗證等。最終，面向船舶智能航行能力，應從系統綜合性能層面去評價被測對象，包括算法準確性評價、功能切換性評價、航行經濟性評價、控制鎮定性評價以及系統容錯性評價等。

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、零風險的前提下對智能船舶航行理論與控制算法進行研發與測試，但在一定程度上存在真實性問題，包括測試場景的真實性、數據來源的真實性、船舶動力學仿真的真實性。模型測試和實船測試雖然可以真實的反應船舶的實際航行工況，但存在安全性、經濟性、重復性等諸多問題。因此，以虛實融合測試為主體，虛擬測試為先導，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、實際航道環境及實際交通流信息；而“虛”指虛擬船舶、虛擬航道環境及虛擬航行場景[5]。利用數字孿生技術將模型船/實船姿態信息與狀態信息離線或實時映射至虛擬船舶，同時構建基于真實航道環境信息與航行場景信息的虛擬仿真空間，在所構建模型船/實船的高精度船舶運動模型基礎上，實現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的性能優劣與系統穩定、遠程駕駛通訊系統的信號傳輸與信息安全、人機共融系統切換的柔性切換與共融性能、多源感知數據融合的融合策略與感知能力等，但不針對感知設備的基本參數、設備系統的耐用性能、人因干擾的系統故障等因素進行測試。

虛實融合的智能船舶測試驗證評估關鍵技術

總體而言，虛實融合的智能船舶測試驗證評估關鍵技術可以歸納為五項：多維數字孿生建模、多源異構數據融合、虛實融合信息交互、人機共融評估評價以及自主航行系統構建。

1、自主航行系統構建

自主航行系統是虛實融合的智能船舶測試驗證評估的對象。自主航行系統應當是包括環境感知與認知、場景識別與理解、系統決策與控制以及信息交互與協同等關鍵功能組分在內的人工智能集合體。環境感知與認知指利用感知手段獲取船舶在航行環境和自身狀態信息；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辨識；系統決策與控制指在航行場景庫與駕駛行為庫支持下實現對船舶的智能航行決策控制；信息交互與協同包含船-岸-云信息一體化和數據采集、分析、數據以及存儲。

2、多維數字孿生建模

數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。船舶多維數字孿生建模包括船舶物理模型建模、船舶運動模型建模、船舶航行環境建模、航行交通流信息建模等。利用數字孿生技術可以實現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據，讓虛擬船舶模擬基于真實環境的虛擬場景測試，特別是現實世界中常見的、存在風險的、難以復現的功能測試，實現虛擬和物理的聯動。

3、多源異構數據融合

多源異構數據融合指對從單個和多個信息源獲取的數據和信息進行關聯和綜合，以獲得精確的位置和狀態信息確認，以及對態勢和威脅及其重要程度進行全面及時評估的信息處理過程，以提高感知認知精度。多源異構數據包括船舶自身數據信息（經緯度、航速、電機轉速與角度、艏向角、跡向角等）和船舶周圍環境信息（風場、流場、環境場、航道基礎設施、其它在航船舶等），這些真實數據主要來源于AIS、GPS、海事雷達、激光雷達、氣象儀等船端或岸基傳感器。利用多傳感器數據融合技術，提升系統對船舶航行狀態感知的精度，協同實現對航行水域的全方位感知與監管。

4、虛實融合信息交互

虛實融合信息交互是指虛擬仿真環境與真實物理環境之間進行實時的通信、交互和協同，以實現有效的虛實聯動。虛實融合信息交互包括信息交互、虛實融合與人機交互；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字孿生船舶與虛擬仿真環境中；人機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、準確性和穩定性。

5、人機共融評估評價

人機共融評估評價指利用人機共融的手段對船舶自主航行系統進行綜合能力的定性評估和定量評價；人機共融是利用人與自主航行系統的有機融合與隨機組合構建人機共融的測試環境；定性評估指通過專家系統對自主航行系統航行測試結果進行定性的測試評價；定量評價指通過建立評價指標對自主航行系統航行測試結果進行定量的打分評價。人機共融評估評價可以利用圖靈測試的理論方法，通過在系統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中進行虛擬場景測試，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行定性評估，同時通過設置船舶智能航行能力評估指標對其智能水平進行定量評價。

智能船舶測試驗證評估技術研究已經成為當下船舶領域的研究重點與戰略方向。以模型船或實船開展測試驗證評估研究是高成本、低效率、高風險的方法，利用純虛擬仿真對船舶智能航行控制系統進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研究是必要的。然而不論是在虛實融合測試體系的架構上，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需求，亟需從選取代表船型、健全標準協議、打造協同云端、融合多種工具、優化考評指標五個方面構建異地協同、虛實融合、人機共融的測試驗證評估體系；在此基礎上，加強制造業、航運業、船級社、高校與科研院所的深度融合，形成產、學、研、用、檢等各機構的互動、互通、互聯。