智能船舶及测试验证评估技术研究现状与展望

武汉理工大学 刘佳仑 杨 帆

中国船级社 马吉林

上海交通大学 王鸿东

近年来，智能船舶技术发展风起云涌，相关国家、机构、企业纷纷布局深耕，并开展了大量项目研究。随着智能船舶功能研发、产品定型、检验认证等方面研究的逐步深入，对其测试验证评估技术研究的需求日益增强。自此，各国开始积极探索智能船舶测试验证评估技术，以满足对智能船舶功能测试核定和自主能力分级的需求。

国际智能船舶研究动态

2006年，日本等7国合作启动了名为e-Navigation（电子航海或e-航海）的项目。e-Navigation的构想是：通过整合船岸信息，提高船舶航行安全和效率。

2012年，欧洲Fraunhofer CML公司等8家单位合作启动了MUNIN（Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks）项目。该项目借助雷达、船舶自动识别系统（Automatic Identification System, AIS）感知航行环境，遵循国际海上避碰规则（Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGs）避让过往船舶，同时通过卫星等通讯链路回传船舶状态信息至岸端控制中心。

图1 MUNIN项目

图2 罗·罗公司研发名为“未来操作体验概念”的岸基遥控系统

2010年到2013年间，韩国现代重工分别制定了“智能船1.0”和“智能船2.0”计划。其设计理念是借助信息通信技术，实现船端与岸端的信息融合，以提高船舶安全性、环保性、经济性，同时衍生船舶附加服务。

日本于2014年启动了智能船舶应用平台项目（Smart Ship Application Platform, SSAP），该项目由27家单位共同参与，旨在建立船舶设备数据的标准化方法，不断提高船舶的安全性和环保性。该项目最终获得通过了《船载海上工况数据服务器》和《船载机械和设备标准数据》两项国际标准。

英国的罗·罗公司在2014年就开始研发名为“未来操作体验概念”(Future Operator Experience Concept)的岸基遥控系统。2016年3月，该公司又与芬兰阿尔托大学等单位合作启动了AAWA（Advanced Autonomous Waterborne Applications）项目，拟于2020年前推出无人近海货轮成型产品。

2014年，挪威开启ReVolt项目，该项目是由挪威船级社（DNV）发起、挪威科技大学（NTNU）参研的自主航行概念研究项目，项目目标是打造一艘100TEU的概念船（“ReVolt”号），该船使用电池供能，航速为6节，准备在航程小于100海里的路线上航行。

2015年，芬兰技术和创新资助机构资助了Advanced Autonomous Waterborne Applications(AAWA)计划，项目总金额达660万欧元，项目目的是为下一代先进船舶提供技术规范和初步设计。

2017年，Yara和Kongsberg两家公司联合资助Yara Birkeland项目，该项目拟打造一艘120 TEU型的敞口船“Yara Birkeland”号。该船为世界上第一艘零排放、全电动、自主化集装箱船。Kongsberg负责所有关键的启用技术，包括电力驱动，电池和推进控制系统之外的传感器和远程和自主操作所需的集成。

2017年，荷兰17家企业、科研和政府机构启动了为期两年的应用型联合研究项目“自主船项目”。该联合项目从2017年启动，2019年年底结束，项目的主要目的是论证无人驾驶船舶实现自主航行的可能性与可行性。

2017年4月，罗·罗公司与瑞典渡船公司Stena Line AB签署协议，合作研发用于渡船的船舶智能感知系统，目的是实现传感器信息融合与分析，提高环境感知度，以使船舶的操作运行更加简便、安全、高效。

图3 罗·罗公司与芬兰国有渡轮运营商Finferries开启了SVAN项目

图4 2020年，IBM和海洋研究组织Promare共同开启了五月花号自主船项目

2018年5月， 国 际 海 事 组织（International Maritime Organization, IMO）的海事安全委员会（Maritime Safety Committee,MSC）第99届会议在伦敦总部召开。会议围绕如何在IMO框架下进行海事自主水面船舶（Maritime Autonomous Surface Ships, MASS）的安全、可靠和环境友好的运营问题以及MASS法规梳理的目标、定义、范围、方法、工作计划进行了深入讨论并通过了一系列法规决议。

2018年，罗·罗公司与芬兰国有渡轮运营商Finferries开启 了SVAN (Safer Vessel with Autonomous Navigation) 项目。2018年12月，在芬兰图尔库市以南群岛成功展示了渡轮Falco的自动航行试验。该渡轮在芬兰帕尔加斯和瑙沃之间完成了按照设定航线的自主航行和远程驾驶。

2019年，挪威阿克海洋生物有限公司（Aker BioMarine）开启建造一艘新的节能的先进支援船，该船将配备许多关键的效率改进和环保技术。该船长约168米，由瓦锡兰（Wärtsilä）和挪威阿克海洋生物有限公司（Aker BioMarine）共同设计，在中国烟台船坞建造，专门采用针对环境的影响尽可能小的设计。

2020年，挪威国有组织伊诺娃（Enova）为威廉姆森（Wilhelmsen）牵头的Topeka项目提供了2.19亿挪威克朗（约合2500万美元）的奖励，该项目旨在建造世界上第一个零排放氢动力船舶。Topeka项目着眼于为近海提供服务建造两艘滚装船。这些船只采用混合动力推进系统，将在挪威西海岸的近海供应基地之间转移货物。

2020年，IBM和海洋研究组织Promare共同开启了五月花号自主船项目（Mayflower Autonomous Ship, MAS），该项目计划建造一艘完全自主航行的智能船舶（MAS），该船拟采用铝合金船壳，以太阳能和风能为动力。该船计划2021年年初跨越北大希望，复制400年前“五月花”号的航线，从英国普利茅斯航行到美国的马萨诸塞州普利茅斯，MAS将成为第一艘横跨大西洋的全自主船舶。

2020年4月，韩国自主水面船项目（KASS Project）开启，该项目的四个主要目标是开发智能导航系统、发动机自动化系统、建造船舶自主性能中心以及开发操作技术和标准化。它旨在开发一种具有自主导航功能的智能系统，用于控制机舱，碰撞和事故预防，态势感知和决策的集成平台。

2020年12月，挪威资助计划Pilot-E确认将以4,630万挪威克朗的价格支持MS Green Ammonia项目。格里格（Grieg Edge）和挪威瓦锡兰（Wärtsilä）共同运营该项目，以在2024年推出无温室气体的低排放船舶。

图5 莱茵河航行管委会制定提出的智能船舶等级划分

欧盟地平线2020（H2020），即“欧盟科研创新框架计划”是欧盟有史以来规模最大的科研创新计划。该计划孕育了一系列智能航运及智能船舶相关的项目，包括AUTOSHIP项目、NOVIMAR项目、MOSES项目、AEGIS项目。

NOVIMAR项目开发了一种新的水上运输概念，称为“船舶列车”。船舶列车包括一个领航船，其后是一系列载人量低、数字连接的跟随船。项目周期为2017年至2021年，该项目概念将降低运营成本并增加规模经济，减少人员成本的设想将大大扩大小型船只的经济潜力。反过来，这将导致小型船只能够更好地进入城市环境，从而减少人口稠密地区的交通拥堵。

AUTOSHIP项目旨在整合Rolls-Royce和Kongsberg两大航运企业资源发展高附加值的智能船舶，提升欧洲造船业、水上运输业的国际竞争力。项目周期为2019年至2023年，项目期望利用小型化的无人驾驶运输船舶通过减少海上配员和提升船舶的航线适应性两个方面降低海上运输成本。

MOSES项目旨在增强欧洲近海短程集装箱运输体系的鲁棒性，提高与大型集装箱船舶协作的效率。项目周期为2020年至2023年，项目提出利用自主航行的支线集装箱船舶减少大型集装箱船舶的进港时间和频率，在海上实现货物的过驳作业，实现集装箱货物效率的提升。

AEGIS项目周期为2020年至2023年，项目目的是发展欧洲新型的水上交通系统，克服传统水上交通系统高度依赖集装箱码头、高运营成本、信息化程度低、自动化程度低等问题，提高船舶运输的利润率，实现智能、绿色和一体化的交通系统。

船舶自主水平分级标准

围绕船舶自主水平分级，各国积极参与研究并发布了各自的分级标准，主要包括英国劳氏船级社（Lloyd’s Register of Shipping,LR）、挪威自主船舶论坛（Norwegian Forum for Autonomous Ships,NFAS）、 丹 麦 海 事 局（Danish Maritime Authority, DMA）、英国海事自主系统规范工作组（Maritime UK Autonomous System Regulatory Working Group,MASRWG）、法国船级社（Bureau Veritas, BV）、比利时航道管理局（De Vlaamse Waterweg nv）以及国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）。以下仅针对IMO和比利时航道管理局的典型分级标准进行分析。

IMO在MSC第99届会议上，采用了DMA对船舶自主水平的分级标准，将MASS的自主程度分为配备自动系统和辅助决策的船舶、有船员在船的远程控制船舶、无船员在船的远程控制船舶和完全自主船舶4个等级，并强调MASS在航行期间可以一个或多个自主程度航行（如表所示）。

表 IMO船舶自主等级分级标准

比利时航道管理局在荷兰水运管理局（Rijkwaterstad）的支持下，面向内河智能航运、智能船舶发展需求，在比利时北部水网地区开放了测试场。自2018年5月18日起，该测试区域面向公众开放，主要面向内河智能船舶开展测试。相关单位可以提出测试申请，以莱茵河航行管委会（Central Commission for the Navigation of the Rhine）制定的智能船舶等级为依据（如图所示），在统一的规范标准下开展相应测试。目前，相关测试验证的标准及技术细节尚未对外公布。

智能船舶测试验证评估技术研究现状

传统船舶性能测试主要包括虚拟仿真和模型实验、实船实验三种方式。模型实验又可细分为水池实验和外场实验。通常在设计过程中利用传统虚拟仿真预测相关性能，在优选设计方案后开展模型实验评估其可行性以更新建造方案，最后通过船舶交付的试航实验对实船性能做定性判断与定量分析测试。

欧盟NOVIMAR项目旨在研究船舶编队航行调整水路运输，使其能够优化利用现有的内河、近海、远洋水域，进而使得整个水路运输系统充分服务于城市需求，以提升货物运输、航道利用和船员部署的灵活性。项目从编队航行概念的提出、虚拟仿真逻辑的设计，到模型试验的实现、实船验证的示范，形成了整个测试验证评估过程的模式化示范，对智能船舶相关能力的测试验证评估研究具有重要的借鉴价值。

1、虚拟仿真测试技术研究

虚拟仿真成本低、零风险、可定制、可加速、可重复，但研发成本较高、准确性存疑、缺少真实反馈。传统的虚拟仿真测试技术主要是通过船舶驾驶模拟器仿真技术，利用虚拟现实技术营造虚拟的驾驶环境，通过操控模拟器与虚拟环境进行交互，从而进行船舶驾驶操作训练。船舶驾驶模拟器已广泛应用于航海教育和培训中，《STCW公约马尼拉修正案》规定，船员在取得适任证书之前，必须经过驾驶模拟器培训。船舶智能航行虚拟仿真测试技术，亟需利用驾驶模拟器，结合虚拟仿真技术、虚拟现实技术、数字孪生技术、虚实融合技术构建虚拟待测船舶和虚拟测试场景，设置典型工况和极端工况，针对船舶功能、性能、智能、效能、故障响应开展相关测试。

在船舶虚拟仿真技术研究上，宋团、王小兰、马振霞利用三维建模工具MultiGen Creator和视景仿真软件Vega分别设计了船舶交通流仿真系统和航向控制仿真系统，实现了水域、波浪、天空、浮云、光照等环境特效以及不同能见度、不同水域下的船舶航行、避碰、靠泊、进出港等仿真测试以及船舶航向控制仿真研究。陆灏铭等人利用3DMAX构建船舶与海水模型，通过导入船舶速度和艏向角速度等状态信息变化实现了船舶运动可视化仿真。韦天任基于3DMAX构建船舶模型，利用Unity建立船舶航行的外部环境，同时结合外部数据在Unity中对船舶模型进行交互控制，定义船舶行为，进行数值仿真。总体而言，船舶虚拟仿真测试技术主要通过构建虚拟船舶、虚拟场景实现航行控制仿真，但基于物理船舶的运动模型精确度与真实性提升仍需进一步研究。

2、物理实验测试技术研究

物理实验（包括模型实验与实船实验）能够真实、直观地呈现被测对象的功能与控制效果，但无法安全、高效地验证复杂环境和极端工况下控制性能的有效性。国际海事组织于第101届MSC中，发布《水面自主船舶试航暂行指南》，批准在满足“遵守相关强制性文件，采取适当的风险管理措施，明确试航范围与目标，向主管机关报告，选择具备适当资质的配员，提供保障安全试航的基础设施，确保通信、数据、信息实时共享与网络安全”等条件下可开展水面自主船舶试航实验。

图6 珠海万山智能船海上测试场

以挪威、芬兰、英国、美国、荷兰、比利时、德国等为代表的国家陆续投入了智能船舶测试的试验场建设。挪威已于2016年开始相继开启Trondheimsfjorden测试场、Storfjorden测试场、Horten测试场和Grenland测试场四个测试场，主要由以康斯伯格（Kongsberg）和挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology）等挪威企业与高校为主开展有关建设工作，并得到了挪威海事等相关政府部门的支持。芬兰于2017年设置了Jaakonmeri测试场。英国已面向25米以内尺度的无人船艇在本国沿海设置了多个测试区域。美国在大湖区面向10米以内尺度的无人船艇设置了测试区。荷兰在2018年9月在国家管辖的主要航道内也设置了本国的测试场。比利时在2018年5月在内河主要航段启用了智能船舶测试区。德国计划于2019年5月在Spree-Oder航道建设内河数字航运测试场。基于本国测试场建设的经验，芬兰、挪威和韩国分别于第99届和100届MSC会议上提出了海事自主水面船测试相关提案。

我国在珠海、青岛、日照等地区建设了珠海万山无人船海上测试场、智慧航海技术装备综合试验场、日照无人艇测试场。2017年6月智慧航海研发基地项目签约仪式在青岛蓝谷管理局举行，基地项目将建设智慧航海技术装备研发中心、智慧航海技术装备综合试验场、智慧航海技术装备产业化中心、智能化运输海洋装备管控中心和“水运中心”卫星地面站五大板块。2018年5月中国智慧航运发展研讨会在青岛举行，由交通运输部水运科学院和智慧航海（青岛）科技有限公司共同建设的智能航运技术创新和综合实验基地在青岛正式启动。2018年2月在珠海市政府支持下，中国船级社、武汉理工大学、珠海云洲智能科技有限公司，共同启动了珠海万山智能船海上测试场建设，并于2018年11月30日投入运营，可面向军用、民用智能船（艇）开展自主感知、自主避障、远程控制、协同控制等自主海洋装备核心功能测试。

2018年12月，罗·罗公司与芬兰国有渡轮运营商Finferries在芬兰图尔库市以南群岛成功展示了渡轮Falco的自动航行试验。该渡轮在芬兰帕尔加斯和瑙沃之间完成了按照设定航线的自动驾驶和远程驾驶航行。日本邮船公司（NYK）于2019年9月在“Iris Leader”号上根据国际海事组织IMO发布的《水面自主水面船舶试航暂行指南》对各海试项目进行了测试验证，试验从中国新沙开始，中途停靠日本名古屋港，以横滨为终点港。并于2020年12月在东京湾内对400公里以外的拖轮进行了远程操控测试，主要针对设备故障或船岸通信故障进行了两项测试，一是验证回退操作，二是数据通信量优化测试。瓦锡兰、三星重工、日本邮轮等公司相继实船试验或虚拟仿真对船舶的远程遥控操作能力、轨迹跟随稳定性、系统集成性能、自主避障能力等功能进行了测试验证。目前我国在此领域仍处于起步阶段，亟需积极开展相关物理测试验证评估技术研究。

智能船舶测试验证评估技术展望

随着智能船舶相关技术的快速发展，越来越多的机构参与到智能船舶的研发之中来，智能船舶呼之欲出。面对随之而来的智能船舶商业化应用，智能船舶的测试验证评估技术是当前亟待解决的问题。构建成熟的测试验证技术方法体系，是保障智能船舶安全性、可靠性、稳定性的有效工具，是智能船舶大规模商业化应用的必要前提。

目前，智能船舶测试验证技术仍处于发展初期阶段，应面向智能船舶的发展需求，构建相匹配的智能船舶测试验证技术方法体系。构建智能船舶测试验证技术方法体系，以下几点至关重要：

1、应将测试验证的重点首先放在智能船舶最为核心、至关重要的智能航行等功能模块上，逐步完善和实现完备的智能船舶测试验证方法体系。智能航行是智能船舶核心功能的体现，涉及智能船舶的最基本的安全问题，是测试验证首先要面向的对象。

2、应将虚拟测试作为智能船舶测试验证技术方法体系的主体，开展以虚拟测试为主、模型测试为辅、实船测试为最终评判依据的虚实结合测试验证技术方法体系。由于船舶本身的高价值属性以及实船测试的高风险性，决定了大规模实船测试的不可行性。同时模型测试存在尺度效应等影响测试结果的因素，以及模型测试的相对低效性等缺点决定了模型测试只能作为辅助手段。相比较而言，虚拟测试具有经济、高效、可观测、可重复、可比较等独特的优势。但是，虚拟测试的可信度受模型精度等因素影响。因此，需要建立高精度的船舶模型和环境模型以构建船舶—环境高置信度模型，以提高虚拟测试的可信度。然而，如何兼顾高效性和高置信度是虚拟测试所面临的挑战。

3、应以典型工况和场景下的测试为主要方向，极端工况和场景下的测试为重要补充来开展智能船舶的测试验证评估。智能船舶测试验证评估的基本目标是保证船舶在典型工况和场景下的安全性、可靠性、稳定性，目前，测试验证评估技术研究主要集中在典型工况和场景下船舶综合能力的测试验证评估。而船舶的事故往往发生在极端情况下，因此极端情况下的测试验证至关重要、不可忽视。

4、应建立系统的、完整的智能船舶测试验证评估标准体系，形成格式化的智能船舶测试规程。目前，智能船舶测试验证技术仍处于发展初期阶段，尚未形成明确的测试标准体系。环境复杂度、任务复杂度、航行稳定性和自主性、网络通信可靠性等均可作为测试验证评估的重要指标。因此，明确测试项目，细化测试内容，形成格式化的智能船舶测试流程，对大规模、高质量实施智能船舶测试验证的推广至关重要。