智能船舶航行系统测试的方法与体系 附智能船舶航行功能测试验证的方法体系（综述）.docx

智能船削I航行系统冽试的方法与体系时智能册舶航行功能测试验证的方法体系(综述)摘要：如何时智能助的航行系统诳行测试，是世界各国及相关国际祖班在智能船舶发展过程中面临的一个重大挑战。在机器学习(MaChine1.earning.M1.)、人工智能(Artificia1.inte1.1.igence.AI)等技术大盘脚川的背景下,传统的导航系统测试方法已难以疗效置孟智能航行技术的新特征.本文在概述与分析了智能船船航行系统的功能特征和测试掰求基础上，总结了现有智能系统测试方法的优决点，提出了智能船的航行系统测试思路和方法，并构建了一种以场景为中心,多种测试方法协同的智能船船航行系统测试体系，行在提高系统研发测试效率，促进智能船舶产业发展.关堆字：智能船舶;肮行系统;人工智能;测试场景;测试体系智能船舶航行系统测试的方法与体系O1.智能船舶航行系统的测试研究现状与技术发展均势1.1.智能船舶肮行系统测试研究现状如“上试场2012年欧盟开展了以海运郁船无人驾驶为目标的vMUNIN"(MritimeUnmannedNavigat1.onthrough1.nte1.1.igence1.Networks)J目研究,提出了无人驾驶技术的新慨念和梅架，并对这的概念和框架进行了关键场景卜的测试1,之后，世界上的主要航运强国和造船大国纷纷认识到在其实的海况下开展测试对干确保系统功能以及保证未来智能船舶的安全性与可靠性至关曳要，陆续建立了各自的海上测试场.挪威是世界上最早成立海上测试场的国家，总共建立.了特隆赫姆(TrOndheimSfJOrden)、在尔然(Horten)、斯图尔映沏Storfjorden)三个测试场，大体位置分布如图1所示.其中2016年9J1.建立的特隆衲姆测试场是世界上公开报道的第一个测试场.芬兰于2017年8月建立了第一个面向全球企业、研究机构等组织开放的Jaakonmeri测试场，提供强大的数据连接眼芬和冬季冰雪场景下的测试机会，比利时于2018年5月开放了法兰使斯(FIande<s泗武场，美国则依托密歇根理工大学科研优势，建立了大湖区海洋自主测试场,主要测试自主水面和自主水卜航行潺及相关技术,近期测试对望限于小型船船(长度小于10米)测试.通点放在科研船舶和测It.除了挪威、芬兰、美国等欧美国家以外，还有亚洲的日本、5国也分别在东京湾、釜山港开展过智能船舲测试研究，从2018年开始，国内的相关企业、院校等机何也相继建设和启动了珠海万山、青岛日照、科岛即墨、青岛灵山岛、湛江湾等测试场，将支持开展自主航行、远程驾驶、自动靠禹泊等智能船的核心功能的测试研究2.特年9月用尔角2)17年S月尔2018年IO月图I撑威海匕港试场分布示意图在测试规范及标准方面，作为全球海事监管机构的国际海事组织(InternationaIMaritImeOrganization.IMo)在2019年6月的海上安全委员会第101次大会上批准了MASS试验的临时指南3。比利时的法兰德斯测试场也公开了相应的测试操作准则.主要内容包括:对测试组织及主管当局的要求;对测试人员及操作人员的要求;对待测朋帕的要求,国际标准委员会（ISO）下屈的TCgWG1.O工作组也提出了初步的智能航运国际标准化路线图，目前主要开展葩础通用标准研究，包括ISO23860£海上水面自主船痂自动化相关术语，ISO23806£网络安全等4J.我国的工业和信息化部也于2019年发布了能船的标准体系建设指南（征求意见稿）3指导智能船舶标准体系建设.在测试技术及方法方面，排成船级社的PEDERSENTA等利用数字学生技术，提出了基于模拟器的自主航行系统测试方法5;挪威科技大学的SADJINA等提出利用分布式仿式技术建立海沙系统的原型和操作框架，用于子系统设计、开发、测试、性能评估等应用6«严新平院上团队分析了虚拟仿真测试、模型测试与实船验证等测试方法的优块点,提出了以虚拟仿真为初试、模型刈试为中试和实船验证为终试的刈试方法体系7,虽然各国及相关国际组织枳极建设海上测试场，并开展了智能船舶测试指出研究，同时，部分专家学者也在智能船的及相关系统的测试方法研究方面做了大埴工作，但是总体而言,针对智能船舶航行系统的测试方法及专用技术标准研究都尚处于起步阶段.12智能附舶肮行系统技术发展趋势机渊学习、A1.等技术不仅在陆地上自动驾驶领域取得了巨大成功，也极大地促进了智能笳船的发展.在学术界.越来越多的国内外学者将机器学习、A1.技术用于研究智能船舶航行场盘中目标那知、淡策等多方面功能，典型的具体研究包括利用卷积神经网络从遥塔图像、缶达图像'提像头可见光图像、热成像仪红外图像等数据中检测和识别本船周围岛屿、浮标、他船等障碣物目标8-11；利用循环神经网络训练历史船舶航迹数据得到«的未来轨迹的预测模型C12-14;利川深度强化学习理论训练船舶避险决策模型和路住规划模型15-18.在产业界，2018年3月,罗尔斯罗伊斯公司利用机器学习、智能感知技术,正式推出新用智能感知系统（InteIiigentAwarenessSystem）,从而增强船舶航行安全和运营效率“2018年12月,罗尔斯罗伊斯公司与芬兰Finferries公司合作，果用态势感知技术和A1.技术实现了全球首艘无人驾驶渡轮”Fa1.co”号的自主避W1.自动稳泊等功能1920,英国的海洋研究组织Pr。Mare岷合科技行.头IBM公司研发无人驾帙船舶"Mayf1.owerAUtonOmOUSShip",计划2021年门行航行横跻大西洋,将使用摄像头、A1.和边缘计簿系统识别和潮让周围船舶、浮标及其他障碍物21，关国SeaMachinesRobotics公司研发的SM4产品使用计算机视觉、激光雷达及基于A1.技术的软件实现海上目标识别和跟踪功能，从而提高船舶的海上态势:略划能力22，利用挣合停航系统、船用田达、船珀自动识别系统、电子解图显示与信息系统等导航系统辅助船员瞭型和决策是现阶段船舶的传统航行方式.虽然当前智能船船的自主等级划分尚未统和权成确定，但是在智能铅的发展过程中，基于机涔学习、A1.等技术的智能航行系统将逐步取代人进行瞭望和袂策，传统以人为中心的航行方式将逐渐演变为船舶的自主航行，因此，算法、软件将在智能航行系统实际功能和性能中逐渐占据主导因洪。02智能船舶航行系统的功能特征与测试需求在测试活动中，般首先需要明确测试对软的范贴及功能特征，分析测试需求，然后才能决定所采用的测试技术与方法。2.1 测试对象航行可以说是船削I运输的最主要环节.之一.广义上涉及船的稳性、耐波性、操纵性、船体结构强度、航规设计、骑里、避碰.锚泊、系泊等诸多方面.本文聚焦船舶导航业务，曳点关注航行过程中的动态功能（例如瞭望、避感、锚泊、系泊等），因为冲态功能（例如船体结构强度、操纵性,时波性等）一般是在船舶设计之初就己确保的.中国船娘社CCS在其发布的£智能船舶规范中,确定了智能船的包括智能肮行、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、远程控制操作和自主操作8大功能模块.其中将智能航行定义为:“系指利用光iS感知技术和传整信息融合技术等获取和超知船舶航行所需的状态信思，并通过计徵机技术、控制技术进行分析和处理，为船舶的航行提供航速和航路优化的决策建议.在可行时.船舶能够在开陶水域、狭窄水道、进出港口,战离码头等不同航行场景和红朵环境条件下实现脂船自主航行吓23.上述定义中的"茨取""感知”"决策"以及“优化”等词语也是突显了船舶航行过程中的动态功能，因此，在本文中，我们把测试对象即智能航行系统视为实现智能船加规范中智能航行功能模块的栽体”2.2 功能特征通过对航行动态功能进行分析，发现较复杂的航行功能往往是通过一系列单独的子功能进行实时连续或殂合愫作来实现，例如实现船加自动点离泊业务，一方面需要感知泊位码头周边的环境,防止与周困物标发生附獐，另一方面船舶需要不断做出决策调整好航向或航速，并通过车、舵控制,实现平枪靠上码头.因此.我的将宏观的航行功能进行抽象归纳为四个动态于功能:环境感知、环境认知、行动决策、行动执行.当然子功能也可以进一步根见实际情况提炼出元功能，例如船的定位、航迹控制等，可以说，每个子功能、元功能的性能决定了智能船舶航行系统的整体性能和安全性。2.3 测试需求智能船痂航行系统的测试需求是需要从不同方面（例如研发人员角度、客户角度、专章角度等H是出的测试观点中涂合形成一个相对完整的需求列去，我们通过问卷、专家座谈、文献检索等形式收集了各方的观点，结合后期的智能航行系统研发经$金，重点关注航行系统的动态功能测试忑求,涵Y,：,求整合和提炼.形成r将个系统的基本测试需求，如表1所示.考虑到目前智能航行系统相关技术、标准、规范都处在起步研究阶段，因此更完整、详细的系统测试衢求还霰要不断迭代优化和完善。«(w*HB*nB*a*序号MMCS*I小乂场卜如山！、旭七T尔IV.加1】«域检鳖化GE及!（怆於K境口22M>A2姿”仅0不网通盘'艇aM位内一向中心船鲁台，食一内，衲2好HOn3Kq岸的M粒岸网的角收JMIaei构软舄4；“瓶假FIt（«0（211一*号11号祭，鱼信等“曲1启）、，皮f1.9.4MJ>nttA÷H4tFtt三*i.rtM>K.M1.JTttffTff.ifk.三*A.ARW.3MiHH547场卜展南春unhe,Iteut力H11山,力”能京东人员*6M<iKftt不只均及下浮法Ui1况以及Utt.MitX三1.*行敷*的R»?net<tHttit岸“星由信冷n代条。纥次件多.网*ttHtMtt.«÷H4ftbi1.HtrMWW-Itm(IV72年D1.k*ESKM)ff<Mtt.9冷愫t3的”ttA111tttIVCiMtt1.iSHXMK做K今攻，双冬0用耳1向收/次m>r)1.jr三*HHW.通过表1总结的基本测试需求.我们可以看出,对干智能肮行系统的目标检测和识别、航行风险评估、避障路径规划和决策等主要功鲍,需要在足膨多的不同场景下进行充分测试.这样才能提高测试结果的议信度。03智能船舶航行系统的测试方法从测试任务和测试环境两个方面分析智能系统现有的测试技术与方法的优缺点,结合智能后轮航行系统的功能特征、测试需求及技术发展趋势.提出相应的智能始加航行系统测试思路与方法。3.1 面向测试任务的测试方法对智能船的航行系统的刈试任务如何设定通常有两种形式:按照功能测试和按照场景刈试.功能测试的除含假i殳是，如果系统通过某种功能的一次或几次测试,那么，以后衢要使用该功能时也可以顺利执行，针对传统船舶的导航设备或系统的性能测试，可以理解是一种按瓶功能的测试方法,一般是由国际电工委员（Internationa1.E1.ectrotechn1.caicommIssIon.IEC）分别制定相应的测试技术标准,例如IEC62388T船载雷达-性能要求、测试方法和要求的测试结果、EC61174-电了海图显示与信息系统-性能要求、刈试方法和要求的测试结果3等标准,在这些标准中提供了几种典型的测氐用例，用来保证设备或系统的性能与安全。但是，在机涔学习、A1.等技术大量应用于智能航行系统的目标检测与识别、谿径规划与决策等功能实现的背景下,单纯基于功能的测试评价方法存在较大漏洞.与以往可以相对轻松地预测传统机械和电气系统（或常规程序软件）的确定性行为相反，在闺中算法不仅仅是代码.而是“代码+训练数据“，基于A1.的整个算法本J贞就是一个非确定性的系统，单纯携于功能的测试手段己难自饮抱而智能航行系统与技术的新特征，基于场景的智能船加航行系统溯试方法.将航行系统视为“黑盒通过观刈测试场景与航行系统之间的交互情况.可以从第三方的角度来客观评估测试对象的行为能力.根据彳智能铅的规范3中对"智能肮行"的定义，我们认识到智能航行的本质就是智能船帕通过与动态航行环境之间不断交互，取终安全、高效完成航行任务的过程，在本文中，测试场景可以理斛为检测和验证智能明船航行行为能力的一系列要素的组合.但是,基于场景测试的方法也存在测试场景如何定义、如何完全覆盅等雄点.基于功能的测试方法与基于场景的测试方法疔各自的优缺点，jf不是矛盾对立的.因此，从测试任务角.度，木文提出功能和场景相结合的智能船帕航行系统测试思路和方法，在功能测试中可以采用不同场景进行测试，在不同场景中也Ur以测试与粉证单项功能,我们可以将复杂的航行系统功能分解为感知、决策及执行等子功能或更低层次的元功旎,对这些单一的功能或确定性功能，使用基于功能的测试方法;在对多个单一功能进行综合集成形成复杂功能或使用了不确定性A1.技术实现功能时，可以考虑狭于场景的测试方法，3.2 面向测试环境的测试方法从船舶、航行环境的虚实性来看.可招船舶航行系统测试方法分为仿真测试、铁拟零测试、测试场受控测试、开放水域测试四大类，如我2所示.表2泅试方法比较测试方法种类船航行环境仿*测试虚拟虚拟模拟器测试部分虚拟虚拟测试场受控测试真实部分受控开放水域测试真实真实仍比测试包括模型在环、软件在环等测H形式，,般用在研发的早中期阶段测试能法和验证代码，只能提供技术有效性的评价结果，无法评价用户层面的相关性能（如主观接受程度、可用性、可控性等）.模拟器测试也可以算成仿典测试中的一种,但是它的集成度更高是软件在环、硬件在环及人在环测试的一种结合.模拟器测试-彼处在研发的中期阶段，适合人机交互功能测试，例如操作人员接管自主航行船的控制权时，操作人M与航行系统之间的交互。测试场受控场地测试是真实的船舶，在口实受控水域环境卜开展测试（例如与陪浏船艇测试各种典型工况下航行系统的避碰功能）,一般处在研发阶段的后期,主要是面响整个系统的验证测试.最高层次是开放水域测试，它是真实的船舶与我实航行环境发生1机交互，因此评价的结果圾为准确，但是成本最高、耗时以长，适合于验证统计指标.总体而言，评价结果的有效性随着口实无本的增多而提高.从测试环境角度看，综合考虑6种测试方法的优缺点,本文认为需要通过结合仿式测试、模拟渊测试、海上测试场受控测试及开放水域刈试等众多维度来测试评价智能铅伯航行系统.贯穿整个研发周期.进而提高系统刈试结果的置信程度。【探述】智能船舶砒行功能测试验证的方法体系智能船舶航行技术发展的核心在于构建从辅助决策到自主驾控的完整软硬件系统.实现人工驾驶到智能驾驶的演化，而核心技术的突候与软硬件系统的研发离不开完善的刈试验证体系和健全的规范标准.对目前国内外智能船加测试场现状进行综述，对以性能、健效、信息、/能为对象的哲能船舶航行功旎测试构想进行解析.最终提出以虚拟仿真为初试、模型测试为中试和实船5金证为终试的智能船舶航行功能测试聆证方法体系.。引言智能船舶是传统船舶工业与新兴科学技术的集成做合体,智能船加从概念设计到实际运营需经过功能性和系统性的逐步测试及验证,以检验其各项功能的合理性、可辨性和完整性.因此，智能婚船功能刈试与验证技术的研发及测试验证体系的构建，是保障智能铅的从理论走向现实的电要因素，而哲能船舶航行功能是智能船的最为取要的功能，智能船舶航行功能测试与脸证方法体系应用虚拟仿真、模型测试、实船脸证3个部分组成.本文将以性能、能效、信忠、智能4大类功能为测试对软，通过初试、中试、终试3个阶段对智能船舲软硬件系统进行全方位、多工况的测试验证，为智能朋的的设计、优化、制造、检脸与运营提供技术支持与评价依据，1智能船的航行功能测试脸证现状自2012年起国内外船船蒯域的企业、高校、科研院所对货运朋伯的智能化、自主化、无人化发展的关注度持续提高口-2卜2018年海上安全委员会(M$C)在第99届会议上提出了海事自主水面船的柢念与定了明确了发展自主式货物运输船3卜针对智能船舶技术研发与实践应用的需求,各国在智能船削I航行的测试验证方面积极开展研究,主要体现在测试场的建设方面，而在具体测试与验证技术方法和体系方面仍有欠缺.尚未形成系统化的测试规程与标准。与其他智能/无人系统(如智能网联汽车)的测试骁证方法研究相比(46),存在明显的滞后。博威已于2016年9月、2017年S月和2018年10月相维开启Trondheimsfjorden.Storfjorden和Horten3个测试场，主要也以康斯伯格和摄成科技大学等掘成企业与而校为主开展有关建设工作，并得到了摞成海任等相关政府部IJ的支持，芬兰于2017年设置了JaakOnmeri测试场.英国面向尺度在25m以内的无人船艇在本国沿海设置C多个测试区域.美国在大湖区面为尺度在IOm以内的无人船艇设置广冽试区.2018年9月，荷兰在管辖的主要航道内也设置了测试场.2018年5月，比利时在内河主要航段启用了智能船舶测试区。荔于本国测试场建设的经芬兰、搏威和韩国分别于第99届和第100届MSC会议上提出了海事力主水面船测试相关提案(8-10).面向智能航运、智能船船发屣需求.比利时航道管理局在荷兰水运管埋局的支持下，在比利时北部水网地区开放了测试场，自2018年5月1811起，该测试区域面向公众开放，主要面向内河船舶开展泅试。相关单位可以以莱茵河航行管委会制定的智能船舶等级为依据(图1),提出冽试中请.在统一的规范标准下开展测试.目前,相关测试质证的标准及技术细节尚未对外公布.图1架D河航行管委会提出的内河船的智能等级划分2018年2月,中国阴级社（CCS）,武汉理工大学、珠海云洲智能科技有限公司在珠海巾政府支持下,共同启动了珠海万山无人船海上测试场建设,并于2018年11月30日投入运营，目前测试场是由CCS认证的全琼最大、亚洲首个、中国唯一的智能船海上测试场，可面向军用、民用智能船（艇）开展自主感知、自主避隙、远程控制、协同控制等自主船舶核心功能测试.2017年6月.智您航海研发基地项目维约仪式在百岛蓝谷管理局举行.基培将建设5大板块：智慧航海技术笠备研发中心、智意航海技术装备综合试脸场、智慈航海技术袋备产业化中心、无人化运输船舶管控中心和“水运中心”卫星地面站”1。2018年5月，中国智卷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（百岛）科技有限公司共同也设的智能航运技术创新和粽合实物基地在百岛正式启动.2智能铅船航行功能测试验证对象2015年12月111,CeS在中国国际海事会展期间正式发布了智能船舶规范乳该规范综合考虑了当施智能船船的应用现状和未来智能船舶的发展方向，介绍了智能船船包括智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台6大功能模块.并对每个模块进行了具体说明,其已于2016年3月1日正式生效12”本文就智能航行功能展开论述。智能船舶航行功能测试与脂证涉及不同层级、不同领域软件和硬件的检脸,国内外对于智能船舶的等级划分、功能定义尚存在一定分歧.本文将对冽试对象进行总结,针对智能船的航行功能将其归纳为性能、健效、信息、智能4大主要类别，如图2所示，4类对象具有相互连接、逐层递诳的关系，信息包括船-岸-大一体化信息交互的能力,同时也涵盖了安全、存储.解析等多方面功能智能是智能船舶各系统控制属性优于常规船舶人为操作的核心要素.体现了船舶整体的智能水平信息(>-能效性能能效是智能船航绿色化的功能基础，是船缺经济性能、节能减排、绿色环保目标实现的基础性能是智能船舶智能航行的底层支撑图2智椎船痂航行功能测试对象分析2.1 性能智能船舶是具备智能功能的船舶应满足各类常规船舶的通用规范标准要求,符合狭义上的帕的峥力性能和动力性能，包括浮性、稳性、抗沉性、快速性、操纵性、耐波性等.员然经过多年发展，传统性能试验己形成较为完善的测试方法和操作规程,但在关键指标核准、特殊工况界定等方面仍有不足。特别是随着智能船舶技术的逐步发展.智能系统将逐步杆代驾会和引航人员,直接捽制桨、蛇等推进、转向系统，需对船舶在各种工况下的动力性能诳行精确预报与实时核算.此类朋伯应较常规船舶具仃更优良的操纵性能，以适应智能系统的初期发展阶段，并增演其智能航行的安全性,因此，性能测试是智能船舶航行功能测试与脸证的重要基础。2.2 能效智能船舶技术的发展可促进船帕绿色航行的发展,能效是表征船舶节能减排、绿色环保的重要性优，能效包括船舶的能源消耗与效率管理2个方面。前者与船舶快速性、耐波性等基础性能紧密相关，属于船舶固有属性，应在设计阶段予以优化；后者是在船船自身傥源消耗特征的基础上,结合外界风、浪、流、涌等环境影响下.通过船舶姿态周节、主机工况管理'航速四节03-14等手段,以最低能源消耗为目标的优化策略.能效测试玷智能铅轮经济效能与环保指标测试的重要指标，23信息信息是智能船舶航行功能实现的基础.智能航行过程包括信息的采集、分析、传输、存储等多个方IfiU各类婚帕自身与外界环境数据的采集与监测是智能功能系统实现的输入，也是系统运行状态的监督.数据采集的可维性、全面性、精确性和数据分析的快速性、准确性是能否实现预设功能的基础：信息传输的快速性、连续性、安全性是船舶远程/自主驾控的保障：数据存储的完整性、稳定性型功能完善与改进的依托.信息自身以及伯息系统的赛博安全测试是朋舶智能航行系统正常运行与实现的说要保障，2.4 智能智能是智能船舶区别于常规船的的核心要素.智能能力水平体现在各个分系统、子功能中，综合呈现于船舶整体的自动化、智能化、自主化水平的提升，逐步利用“航行的”智能航行系统辅助人、替代人的部分功能，以终构建自主船的系统，在航行、渔使、离泊、舔泊、系泊全过程中出智能系统自主实现感知、认知、决策、操控等方面功能。其中尤以系统的类人理解与决策能力的形成最为关健,是系统G终成为“人”的突破要点，也是智能船的航行功能测试与验证的核心对象，智能船舶航行功能测试与监证应围境发展智优、泅试智能、检蛤智能，结合传统方法与新兴技术形成完整的方法体系。3智能船加航行功能测试股证体系目前,智能船的领域尚未形成完用的测试验证方法体系.具备完整功能的智能船舶也尚未推向市场，鲍霜构建完整的智能船舶航行功能测试验证方法体系,来支找!智能航行系统的研发与应用。但实尺度船船在公开水域进行“智能/自主/远程/无人航行”功能调试或测试，效率fee”成本高，甚至会给测试对象自身以及周边通航船舶带来较大的不可控风险.因此.向构建系统性的虚拟仿真、模型测试和实期验证的船舶智能航行套统利试体系.建设虚拟测试场、模型测试场、实船测试场，三者互通互融、取长补短，以虑拟指引实际，实现低风险、低成本、高可靠性、腐发现性的智能船的航行功能测演与险证目标0考虑到试验条件的精确控制、试物成本的低廉可行,可根据实际需要和所处研发阶段.在虚拟测试场、模型测试场、实船测试场进行分阶段测试，智能船舶航行功能刈试验证方法体系构成如图3所示.虚拟仿Ix1.）降低成本和危险度2）算法和模型的可行性验证模型测试I）降低实船试验风险及成本2）高效测试长周期内多种I复杂和极端环境实船验证1）自主避障、擢离泊等功能测试2）检测外界环境扰动并提出解决方案图3智能船舶航行功能测试验证方法体系构成1）之拟仿式（虚拟测试场）：提供数字字生虚拟仿真环境，作为智能系统的图灵机，用于脸证人工智能程序的功能性、可施性；2）模型测试（模型冽试场：提供开调水域,模型样船、缩比场景等使用人工智能程序控制被测模型船，测试其是否可以在人为制造的各种不良条件下实现航行、避障、靠泊、离泊等核心功能；3）实船测试（实船测试场）：提供管控水域内设置的受限水域、狭窄航遒、进出航道等多种实际通航环境,并利用可捽艇筏模拟其他在肮船的.用干模拟智能船舶可能遇到的各种工况，以检验智能航行系统的实期运行状态.4智能船的航行功能测IA验证内容4.1 虚拟测试场4.1.1 建设目的虚拟测试场旨在低成本、高效率、客风险地时船舶智能航行控制算法及理论进行研发与测试。虚拟测试场既可以为智能船舶的相关技术研发提供平台，也可以大批收、快速地测成并比较不同觥行场景、不同砒行技术方窠.简而言之.虚拟测试场是利用虚拟仿真方法,在研发及初试阶段对智能船的的蚊件组成部分进行虚拟测试的场所.虚拟测试场可以通过在动态中执行被测软件进行的软件确认和验证活动，更遢直地模拟被测试软件运行的物理环境，虚拟测试的目的是尽早发现产晶设计、软件开发中的错误，缩短产品的研发周期，降低研发成本,提高研发效率.虚拟测试场构筑于数批计算云平台.基于实际肮行条件及船舶参数.呈现虚拟智能船舶航行场景,用于测试智能船舶运动控制算法，以检测智能的加具体功能的完备性与可拳性，问时，鹤于公平台的数值测试平台可由多数据平台访问，实时动态地对数值测试、模型测试、实船测试结果进行收集、查看、分析，实现多地同步数据传输与分析.41.2测试内容虚拟测试场可对船加机械运动性能进行仿K、预报，对智能航行功能模块诳行理论测试、算法测试、协议测试，主要包括：1）船舶操纵性能预报：2）航行控制算法测试：3）自引自字控制测试;4）智能避理算法测试：5）应急响应切换测试：6）人机交互效果测试.虚拟仿真是验证船舶智能肮行豫法及理论的暴础平台,虚拟祗试环境具有制可用、态可控、确定性、易于登制使用等特性，为进行智能船舶软件测试提供了理想的测试M：境因此，可以在虚拟场景下,利用虚拟测试场纵向研究、摘向比较各运动控制算法的适用性、科棒性及精确性15.由于虚拟仿式无法完全由现现实场景的物理特性，所以虚拟测试环境不能完全替代后续模3!与实船测试,其实初理环境内测试将在模型测试场和实船测试场中进行。4.1.3 建设内容虚拟测试场建设包括测试中心建造、计算平台组建、数据中心建设、测试软件开发4个方面的内容，测试中心提供虚拟测试场地，计算平台提供虚拟测试计算能力，数据中心提供数据存储空间，测试软件提供I1.标功能和组件的平台.虚拟测试场可对船舶机械运动性能进行仿真、预报.对功能模块进行理论测试、算法测试、协议测试，主要包括船舶操纵性能预报、航行控制算法测试、自引自靠控制测试、智能卷便算法祗试16、应急模式切换测试、人机交互通信测试等，4.2 模型测试场421建设目的模型测试是连接理论算法与实际实船的中间环节.通过模型测试，可降低实船试验风险及成本，在迈时间内试长周期内的多种复杂和极端环境，同时避免跨区域未入籍船的航行问题、外国船加驶往实船测试场的觥行问题，模型测试可实际检验智能船的控制算法在各种场景下的控制表现.同时测试结果可以对相应的埋论和算法进行比较、修正和完善，是智能船舶航行功能从理论走向实践不可或缺的中间环节。422测试内容模型测试可在近似真实环境下.对船削I的运动性能及算法捽制效果进行半实物仿真.对智能船舶各功能模块及系统集成性能进行初步测试，简化实相测试内容及难度.族型测试内容主要包括；1）船）动力性能睑证;2）自主靠泊模型试验:3）自主离泊模型试脸：4）自主航行模型试验：5）自主避碰模鞭试验.4.2.3建设内容模型测试场建设内容包括模型加工厂、测试水池和测试水域,模型加工厂负责模型船舶制造、测试系统装配，以及配套郃件的加工和雉护，提供智能船舶模型试蛤对象；测试水池应兵需人工制造H1.改变依、浪的速度及方向,并提供不同水深测试条件，尽可能模拟实测场地的状况,提供智旎船舶模型试脸场所.测试水域涌盅开阔水域与缩比障碍物.模型测试场是在虚拟测试的基础上，于产品中试阶段，利用风浪流试验水池和大比例册模，模拟风、浪、流作用下，对智能船舶航行运动控制算法的可毒性进行调试、校验与测试,以获取相关数据及检查场所的设计缺陷。通过模5?测试，"J降低实船试粉风险及成本，在知时间内测试长周期内的多种复杂和极端环境.4.3 实船测试场4.3.1 建设目的在虚拟测试和模型测试的基础上,进行实船验证、系统集成、功能测试。试粉的算法和理论经过虚拟测试场和模型测试场的测试.可以查出其存在的何超并及时刿正.但试验成果必须要经过实船验证和实际功能测试.才能进行推广应用.实船涮试场是智能船加出实航行功能和性能的测试平台，能鲂悔胎智能船珀在现实航行中可能遇到的各种问题，只有在实船测试场中通过各项测试，才能获得智能船舶测试通过认证.4.3.2 测试内容实船测试场作为智能船加航行功能检骁的地终测试阶段，承担所有功能的实际依照，包括实船性能测试、自主循选、自主避障、自主旅肉泊、智能避障、应急制动、可他性测试等。为保障试验船的的测试安全.应根据目标测试船型.计n各类船只在旋回和停船操作时所需的通航空间，规划实船测试场所需水域.433建设内容实体泅试场的基本设施包括：通信基站、泅试用浮码头、实船码头、应急救助拖轮、测试水域标注物或航标、模拟桥梁、模拟障时物、模拟在行船的、应急消防、救助拖轮、配套食宿、调试工作场所.除此之外，还应建立起完整的监控平台，并配备应急拖轮、消防艇等保障支持犯的，以保证测试场内船舶的安全.班莉船舶尺度的增大，所需的配食设施，如码头尺度、应急拖轮功率等将防之增加,增加建设成本.同时,实船测试场应选择水域开阔、无浅点和飕石且远高通航主航道、边防区、渔业作业区、自然保护区等区域.5智能船的航行功能虚实融合测试方法虚拟仿真测试可以在低成本、岛效率'零风险的前提卜时智能船舶控制算法与航行理论进行研发与测试,单纯的虚拟仿真测试难以得到真实环境干扰下的测试结果，因此提出智能弟船航行功能虚实融合测试方法.虚实融合测试方法中的“实”指模型船/实铝、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。通过来用船舶操双运动分析方法建校，在动态数据融合、聚集、解析、验证的基础上，校脸.提升虚拟船舶与其实场景下的船舶特性一致性.在此基础上.运用数字学生技术与半实物仿真技术，把海事雷达、航行情报服务（AIS）、全球定位系统（GPS）,闭路电视（CCTV）等传感器设在采集的实际航行数据，电子航道图等直实地理信息,用数字化的手段进行同步、统一、融合，时真实世界进行镜像仿我，生成虚拟数字学生世界。最后,将其实、动态的交通流信息导入虚拟航道中,构建弯曲肮道、受限水域、开用水域、连线桥区等航段，设计船舶的对遇、交叉、追越、避让和过桥等航行场景.在此基础上，将虚拟船交出智能航行算法控制，使其在真实世界投影的虚拟世界中，操控虚拟船舶，进行避障、匏泊、褥泊等操纵，最终对智能航行能力水平进行评测,虚实融合测试方法克极其实航道刈试方法速度慢、效率低、成本高的缺点,解决了纯虚拟仿真测试还原度不够高的问遨.实现了对船舶智能航行测试验证过程的徜化，提高了工作效率，节省了人力与物力成本，具有较好的研究与应用前景。6结语随着智能船舶技术发展热潮的兴起.研究其相应的智旎航行功能测试引检证技术是当下核心技术需求之一.目前，智能航行功能测试验证方法技术仍处于发展初期阶段，应结合传统船帕航行测试验证与依蛤手段，面向智能发展需求，构建相匹配的智能船的航行功能测试与脸证技术方法体系，本文在概述国内外智能附舶航行功能测试技术发展与测试场建设的基础k提出虚拟测试、模型测试与实船测试：者融合的测试验证方法技术体系，形成以虚拟仿更为先导、模型测试为中试、实船测试为终试的测试流程，在保障测试验证安全性、可旅性、羟济性的前提F.使哲能船舶航行功能测试与脸证可观测、可重双、可比较。相应建设的虚拟测试场、模型测试场与实船测试场应分别能耍满足对智能船舶在通信导航、远程监控、智能测试、应急救援、人机交互等方面的不同功能和囱用场景的需求.对虚拟测试场甯要考虑其传输出实数据的通信柩定性和可毒性,对模型朋测试场需要考虑埃型加工厂、测试水池和测试水域的需求，实船测试场作为最终股证功能实现的环节，需要考虑包括通信基站、京禹泊码头、应急救助方式等因素.