虚实融合的智能船舶测试验证评估技术体系

武汉理工大学 刘佳仑 杨 帆

国家水运安全工程技术研究中心 关宏旭 武汉理工大学 李诗杰

根据中国船级社2020版《智能船舶规范》中的描述，智能船舶包含八大功能模块，分别为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理、智能集成平台、远程控制船舶和自主操作船。其中智能航行、远程驾控和自主航行功能是当下重点关注的研究难点。面向智能船舶各项功能的实现，亟需突破一系列技术瓶颈，包括信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术以及自主航行技术。

测试验证评估的问题与标准

1、智能船舶测试验证评估的问题

船舶智能化发展方兴未艾，面向智能船舶功能核定、技术研发需求，迫切需要其测试验证评估技术研究的突破。总体而言，智能船舶测试验证评估存在以下六大问题：

（1）安全问题：如何保障被测智能船舶自身与周围环境的安全？

（2）效率问题：如何利用多种测试手段高效开展综合测试？

（3）成本问题：如何在时间成本和经济成本约束下开展测试？

（4）覆盖问题：如何保证船型、场景、功能的覆盖度与完整性？

（5）真实问题：如何保证测试的场景真实、数据一致？

（6）应急问题：如何对智能船舶运营中的突发状况开展“情景应对”测试？

2、智能船舶测试验证评估的标准

对于自动驾驶汽车领域，其测试验证评估的标准通常可以从两个角度出发进行判定，一种是以相对安全的事故率为测试标准，要求系统的事故率显著低于人的事故率，需要海量的测试里程、超长的测试周期。美国综合性战略研究机构兰德公司表示，由于交通事故的概率小、偶发性强，验证高等级自动驾驶汽车比驾驶人的安全性更高，需进行140×10^9公里的开放道路测试，需要100辆车、全天24小时连续测试400年。另一种则以绝对安全的失效率为测试标准，要求系统的失效率低于设定的阈值，需要测试高风险、能力极限、未知风险等场景，并利用虚拟测试手段，通过软件在环、硬件在环、系统在环、人在回路等手段，订制极端工况下的测试场景、呈现全息数据，是目前测试验证评估技术的主流思想。对于智能船舶领域，由于船舶的事故率更低、测试场景重复性更差、航行里程测试需求更长、测试人力物力成本更高，依靠实尺度船舶进行测试的可行性更低，因此亟需利用虚拟仿真和在环测试的技术手段，以绝对安全的失效率构建测试验证评估标准。

智能船舶测试验证评估的内涵

智能船舶测试验证评估包含测试、验证和评估三个方面的内容。测试：测有无，用来判断被测对象是否具备某项功能；验证：验对错，用来判断被测对象能否达成某项功能；评估：评好坏，用来从智能、效能和故障响应等角度去判断被测对象的性能。

在测试的功能层面，具体应包括航路规划测试、航速推荐测试、航向保持测试、航迹跟踪测试、避碰决策测试、网络通讯测试等；由功能层面进一步生成测试的任务层面，包括自主离泊、自主航行、路径规划、避碰控制、自主靠泊等一系列任务。基于功能与任务测试的结果，需要从方法层面去验证被测对象的功能达成与否，包括运动模型验证、规划算法验证、控制算法验证、航行区域适应性验证、控制对象适应性验证等。最终，面向船舶智能航行能力，应从系统综合性能层面去评价被测对象，包括算法准确性评价、功能切换性评价、航行经济性评价、控制镇定性评价以及系统容错性评价等。

虚实融合的测试验证评估方法体系

虽然纯虚拟仿真测试可以在低成本、高效率、零风险的前提下对智能船舶航行理论与控制算法进行研发与测试，但在一定程度上存在真实性问题，包括测试场景的真实性、数据来源的真实性、船舶动力学仿真的真实性。模型测试和实船测试虽然可以真实的反应船舶的实际航行工况，但存在安全性、经济性、重复性等诸多问题。因此，以虚实融合测试为主体，虚拟测试为先导，模型测试为中试，实船测试为校验的测试验证评估体系是智能船舶测试的必然选择。

虚实融合测试方法中的“实”指模型船/实船、实际航道环境及实际交通流信息；而“虚”指虚拟船舶、虚拟航道环境及虚拟航行场景[5]。利用数字孪生技术将模型船/实船姿态信息与状态信息离线或实时映射至虚拟船舶，同时构建基于真实航道环境信息与航行场景信息的虚拟仿真空间，在所构建模型船/实船的高精度船舶运动模型基础上，实现虚实融合的智能船舶测试验证评估。虚实融合测试总体可以分为虚船虚景、虚船实景、实船虚景、实船实景，以涵盖算法、功能、性能、智能、效能、故障响应等不同测试需求。

虚实融合的智能船舶测试验证评估对象涵盖自主航行控制系统的性能优劣与系统稳定、远程驾驶通讯系统的信号传输与信息安全、人机共融系统切换的柔性切换与共融性能、多源感知数据融合的融合策略与感知能力等，但不针对感知设备的基本参数、设备系统的耐用性能、人因干扰的系统故障等因素进行测试。

虚实融合的智能船舶测试验证评估关键技术

总体而言，虚实融合的智能船舶测试验证评估关键技术可以归纳为五项：多维数字孪生建模、多源异构数据融合、虚实融合信息交互、人机共融评估评价以及自主航行系统构建。

1、自主航行系统构建

自主航行系统是虚实融合的智能船舶测试验证评估的对象。自主航行系统应当是包括环境感知与认知、场景识别与理解、系统决策与控制以及信息交互与协同等关键功能组分在内的人工智能集合体。环境感知与认知指利用感知手段获取船舶在航行环境和自身状态信息；场景识别与理解指通过图像识别等方法让船舶在航行过程中建立基于感知信息的外部状态辨识；系统决策与控制指在航行场景库与驾驶行为库支持下实现对船舶的智能航行决策控制；信息交互与协同包含船-岸-云信息一体化和数据采集、分析、数据以及存储。

2、多维数字孪生建模

数字孪生是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。船舶多维数字孪生建模包括船舶物理模型建模、船舶运动模型建模、船舶航行环境建模、航行交通流信息建模等。利用数字孪生技术可以实现真实船舶向虚拟船舶的投影，通过真实船舶提供的各种实际数据，让虚拟船舶模拟基于真实环境的虚拟场景测试，特别是现实世界中常见的、存在风险的、难以复现的功能测试，实现虚拟和物理的联动。

3、多源异构数据融合

多源异构数据融合指对从单个和多个信息源获取的数据和信息进行关联和综合，以获得精确的位置和状态信息确认，以及对态势和威胁及其重要程度进行全面及时评估的信息处理过程，以提高感知认知精度。多源异构数据包括船舶自身数据信息（经纬度、航速、电机转速与角度、艏向角、迹向角等）和船舶周围环境信息（风场、流场、环境场、航道基础设施、其它在航船舶等），这些真实数据主要来源于AIS、GPS、海事雷达、激光雷达、气象仪等船端或岸基传感器。利用多传感器数据融合技术，提升系统对船舶航行状态感知的精度，协同实现对航行水域的全方位感知与监管。

4、虚实融合信息交互

虚实融合信息交互是指虚拟仿真环境与真实物理环境之间进行实时的通信、交互和协同，以实现有效的虚实联动。虚实融合信息交互包括信息交互、虚实融合与人机交互；信息交互指将船端信息和航道信息与岸基信息和操作空间之间的信息交互，包含船-岸-天一体化信息交互，同时也涵盖了安全、存储、解析等多方面功能；虚实融合指将实际传感器信息与交通流信息融入数字孪生船舶与虚拟仿真环境中；人机交互指船舶与船上人员、船舶与岸基人员的信息交互，需要保证交互的安全性、实时性、准确性和稳定性。

5、人机共融评估评价

人机共融评估评价指利用人机共融的手段对船舶自主航行系统进行综合能力的定性评估和定量评价；人机共融是利用人与自主航行系统的有机融合与随机组合构建人机共融的测试环境；定性评估指通过专家系统对自主航行系统航行测试结果进行定性的测试评价；定量评价指通过建立评价指标对自主航行系统航行测试结果进行定量的打分评价。人机共融评估评价可以利用图灵测试的理论方法，通过在系统中接入由船舶驾引人员操作的船舶驾驶模拟器，将被测船舶智能与船舶驾引人员同时操控虚拟船舶于系统中进行虚拟场景测试，在不清楚每个虚拟船舶的操控主体的前提下，由第三方评估人员对船舶智能航行能力进行定性评估，同时通过设置船舶智能航行能力评估指标对其智能水平进行定量评价。

智能船舶测试验证评估技术研究已经成为当下船舶领域的研究重点与战略方向。以模型船或实船开展测试验证评估研究是高成本、低效率、高风险的方法，利用纯虚拟仿真对船舶智能航行控制系统进行测试验证评估研究则存在真实性问题，因此虚实融合的智能船舶测试验证评估技术研究是必要的。然而不论是在虚实融合测试体系的架构上，还是验证与评估手段的可靠性上，仍然需要投入大量的研究性与论证性工作。

面向智能船舶加速推进需求，亟需从选取代表船型、健全标准协议、打造协同云端、融合多种工具、优化考评指标五个方面构建异地协同、虚实融合、人机共融的测试验证评估体系；在此基础上，加强制造业、航运业、船级社、高校与科研院所的深度融合，形成产、学、研、用、检等各机构的互动、互通、互联。