上海交通大學(xué) 王鴻東 黃 一 閆昭琨

伴隨著人工智能技術(shù)與海洋裝備領(lǐng)域的深度融合，以無人艇為代表的智能船艇迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇，逐漸成為未來海上作業(yè)的有生力量。智能船艇的關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)不同的劃分方式，可形成多種體系?？v觀國內(nèi)外學(xué)者論述，通常劃分為智能系統(tǒng)、平臺(tái)總體、任務(wù)載荷和綜合保障四個(gè)技術(shù)群。其中，智能系統(tǒng)技術(shù)水平是船艇遂行任務(wù)，發(fā)揮效能的關(guān)鍵。

表 智能船艇測試驗(yàn)證方法

圍繞智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)需求，國內(nèi)外學(xué)者在信息感知、規(guī)劃決策、運(yùn)動(dòng)控制以及集群協(xié)同等方面，開展了大量卓有成效的理論研究工作，并開發(fā)了多種型號(hào)的產(chǎn)品投入工程應(yīng)用。在實(shí)踐探索中，人們意識(shí)到：智能船艇所處實(shí)海域環(huán)境的多物理場，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)環(huán)境系統(tǒng)，對(duì)船艇的自主能力產(chǎn)生較大影響。不同于傳統(tǒng)人機(jī)交互操控的艦船，智能船艇是典型的軟件密集系統(tǒng)，需要通過大量感知信息、認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證智能功能，并持續(xù)迭代算法參數(shù)與架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主能力的持續(xù)提升。因此，智能船艇在技術(shù)預(yù)研、樣機(jī)試制、交付驗(yàn)收等階段的測試驗(yàn)證技術(shù)，是我國船檢機(jī)構(gòu)與軍事部門亟需構(gòu)建的新型能力。

近年來，美國、挪威、芬蘭及我國相繼啟動(dòng)了智能船艇測試場的建設(shè)工作，但智能船艇的測試驗(yàn)證技術(shù)以及測試數(shù)據(jù)使用方法研究，尚處于起步階段。

智能船艇測試驗(yàn)證方法

針對(duì)智能船艇的技術(shù)特點(diǎn)，上海交通大學(xué)海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出智能船艇測試驗(yàn)證方法：構(gòu)建模型在環(huán)測試、軟件在環(huán)測試、硬件在環(huán)測試、實(shí)船驗(yàn)證環(huán)節(jié)，通過真實(shí)件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成船艇的測試驗(yàn)證工作。

1、模型在環(huán)（Model in the Loop, MIL）

模型在環(huán)測試主要服務(wù)于新控制算法策略的探索開發(fā)，主要參與對(duì)象一般為企業(yè)新技術(shù)的研發(fā)人員或?qū)W術(shù)機(jī)構(gòu)研究人員。除了數(shù)理層面上的推導(dǎo)分析外，模型驅(qū)動(dòng)的開發(fā)及仿真環(huán)境主要有MATLAB/Simulink、C/C++、Python等，主要為動(dòng)態(tài)腳本語言，開展白盒測試便于遇到問題時(shí)快速進(jìn)行修改。當(dāng)然，MIL測試的前提是要有被控對(duì)象模型，如描述船艇操縱運(yùn)動(dòng)的Abkowitz方程或MMG方程。

2、軟件在環(huán)（Software in the Loop, SIL）

船艇智能系統(tǒng)軟件開發(fā)人員將經(jīng)過模型在環(huán)測試的策略算法/軟件，使用C/C++等編譯型語言進(jìn)行轉(zhuǎn)換開發(fā)，得到鏈接庫或可執(zhí)行文件形式、命令行或圖形交互界面的軟件后，輔以合適的軟件配置參數(shù)，即可進(jìn)行軟件在環(huán)測試。軟件在環(huán)測試采用黑盒測試，主要驗(yàn)證的是控制器的模型與代碼實(shí)現(xiàn)之間的一致性。通過使用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證平臺(tái)，可以通過靈活設(shè)立邊界條件、加大運(yùn)算負(fù)荷、提升計(jì)算精度、限制計(jì)算資源等方式及早發(fā)現(xiàn)控制器算法和代碼實(shí)現(xiàn)中存在的隱患，進(jìn)一步檢驗(yàn)極端參數(shù)環(huán)境下控制器算法及應(yīng)用軟件的可靠性及優(yōu)越性。該環(huán)節(jié)的典型測試對(duì)象有：避碰算法軟件、感知信息多元融合處理軟件、自動(dòng)舵控制軟件等。

3、硬件在環(huán)（Hardware in the Loop, HIL）

硬件在環(huán)測試，又稱半實(shí)物測試，是將船艇智能系統(tǒng)中需要測試的部分硬件直接置于仿真回路中的測試系統(tǒng)，它不僅彌補(bǔ)了純數(shù)字仿真中相關(guān)硬件仿真模塊精度較低等缺陷，提高了整個(gè)測試系統(tǒng)的置信度，而且可以大大減輕編程的工作量。測試時(shí)，基于物理數(shù)據(jù)環(huán)境或試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境的驗(yàn)證平臺(tái)與實(shí)際硬件通過各種信息通道相連，共同完成測試仿真工作，并將測試仿真結(jié)果在電腦中進(jìn)行分析，從而判斷硬件的運(yùn)行情況。應(yīng)用硬件在環(huán)測試使仿真條件更接近于實(shí)際情況，更能正確地對(duì)設(shè)計(jì)出的硬件系統(tǒng)性能進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)試，有利于開發(fā)新型硬件系統(tǒng)和算法，減少現(xiàn)場調(diào)試次數(shù)。該環(huán)節(jié)的典型測試對(duì)象有：嵌入式工控機(jī)、光電跟蹤設(shè)備與計(jì)算顯卡等。

4、實(shí)船驗(yàn)證（Sea Test, ST）

復(fù)雜海洋環(huán)境將對(duì)智能船艇效能產(chǎn)生較大影響。例如，在我國首次實(shí)海況下智能船艇競賽2019“海上爭鋒”中國智能船艇挑戰(zhàn)賽中，參賽船艇出現(xiàn)了諸如因水面反光導(dǎo)致目標(biāo)檢測虛警、波浪抨擊導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)頻繁丟失、甲板上浪導(dǎo)致光學(xué)識(shí)別失效等智能算法應(yīng)用問題，導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此，船艇智能系統(tǒng)即使通過了模型在環(huán)、軟件在環(huán)及硬件在環(huán)測試，在投入工程應(yīng)用前，實(shí)船驗(yàn)證環(huán)節(jié)不可或缺。該環(huán)節(jié)由裝備采購部門或無人艇總體集成單位提出請(qǐng)求，由具有測試服務(wù)資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)，依據(jù)智能船艇任務(wù)需求在實(shí)海域測試場中構(gòu)建任務(wù)場景，開展完備的系統(tǒng)兼容測試驗(yàn)證。

船艇智能系統(tǒng)測試驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

基于智能船艇測試驗(yàn)證方法，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)提出一種船艇智能系統(tǒng)測試驗(yàn)證平臺(tái)架構(gòu)，平臺(tái)由“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的算法功能測試平臺(tái)”和“實(shí)物/半實(shí)物功能測試平臺(tái)”兩大子平臺(tái)共同構(gòu)成（如圖1所示）。

圖1 船艇智能系統(tǒng)測試驗(yàn)證平臺(tái)架構(gòu)

其中，“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的算法功能測試平臺(tái)”用于模型在環(huán)與軟件在環(huán)階段，開展船艇智能系統(tǒng)的虛擬仿真測試驗(yàn)證。該平臺(tái)利用船艇運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型、任務(wù)區(qū)域風(fēng)浪流模型、模擬任務(wù)場景等先驗(yàn)數(shù)據(jù)信息開展智能功能測試工作，彌補(bǔ)實(shí)際硬件、軟件的信息不足。平臺(tái)通過仿真的方式，對(duì)船艇智能系統(tǒng)的功能關(guān)系、控制邏輯關(guān)系、輸入/輸出參數(shù)、數(shù)據(jù)流進(jìn)行需求確認(rèn)，對(duì)智能系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析、驗(yàn)證，對(duì)船艇決策流及信號(hào)流進(jìn)行優(yōu)化，快速檢驗(yàn)船艇智能系統(tǒng)功能。

“實(shí)物/半實(shí)物功能測試平臺(tái)”用于硬件在環(huán)與實(shí)船驗(yàn)證階段，依托專業(yè)化實(shí)海域測試場及試驗(yàn)支持母船開展測試驗(yàn)證。在硬件在環(huán)的半實(shí)物測試中，待測試的控制單元硬件通過虛擬網(wǎng)絡(luò)總線，連接到虛擬的仿真環(huán)境中來測試核心算法的可行性和控制器的有效性。在實(shí)船實(shí)海域測試中，測試機(jī)構(gòu)需將裝備的任務(wù)目標(biāo)要求，最大程度解耦、量化成可供對(duì)比分析的測試指標(biāo)，其中，既有智能船艇作為海上移動(dòng)平臺(tái)的共性指標(biāo)，又有智能船艇依靠載荷執(zhí)行任務(wù)的個(gè)性指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測試科目，構(gòu)建測試場景，實(shí)現(xiàn)基于任務(wù)的智能船艇綜合測試驗(yàn)證。

智能船艇測試場建設(shè)與運(yùn)營

2018年3月起，研究團(tuán)隊(duì)在山東日照開展了測試場建設(shè)與運(yùn)營探索，并于2019年9月，獲頒中國船級(jí)社無人艇測試服務(wù)供方資格認(rèn)可證書。測試場現(xiàn)擁有600公頃專屬試驗(yàn)水域及40000公頃合作試驗(yàn)水域，平均水深大于15米。測試場建有由GPS與基站電臺(tái)組成（可接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)）DGPS基站，配備高增益天線，可覆蓋半徑10km、角度90度的扇形地理區(qū)域，實(shí)現(xiàn)精度10厘米的亞米級(jí)海上精確定位?；谘芯繄F(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的船載數(shù)據(jù)采集裁判終端和基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫的信息管理系統(tǒng)，測試場能滿足各種復(fù)雜測試科目設(shè)定下的智能船艇功能調(diào)試、性能測試、智能演進(jìn)需求，并先后為“同方佰宜鴻聲”無人艇、“JARI-USV”無人艇等提供測試驗(yàn)證服務(wù)。

圖2 “同方佰宜鴻聲”無人艇測試場景

秉承“以賽促建、快速迭代”的理念，研究團(tuán)隊(duì)自2019年起，每年與中國造船工程學(xué)會(huì)、中國船級(jí)社等單位聯(lián)合主辦“海上爭鋒”中國智能船艇挑戰(zhàn)賽，通過設(shè)計(jì)科學(xué)化科目，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化測試平臺(tái)，吸引船海工程、航海技術(shù)、自動(dòng)控制等多學(xué)科領(lǐng)域的行業(yè)專家、高校師生利用測試場開展智能船艇研發(fā)工作，促進(jìn)測試驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)。

針對(duì)智能船艇感知算法研發(fā)需求，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)云算力測試平臺(tái)，提供船艇海試過程中真實(shí)環(huán)境下錄制的水面實(shí)景視頻片段數(shù)據(jù)集，要求檢測出最后畫面中所有的不同海洋結(jié)構(gòu)物（包括海岸、障礙物）的位置及置信度，考察船艇在復(fù)雜海洋環(huán)境下檢測不同海上小目標(biāo)的能力。

圖3 “海上爭鋒”2020中國智能船艇挑戰(zhàn)賽部分競賽畫面

針對(duì)智能船艇避碰算法研發(fā)需求，研究團(tuán)隊(duì)與中國船級(jí)社聯(lián)合開發(fā)基于船艇KT模型、MMG模型的在線測試平臺(tái)，聚焦智能船艇海上自主避讓機(jī)動(dòng)船舶算法，考察高精度仿真環(huán)境下船艇的自主避碰功能。在測試海域范圍（開闊水域，除船舶外無其余海上礙航物）為20海里*20海里的矩形區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)了目標(biāo)船數(shù)目為一至兩條的不同典型會(huì)遇場景。被測算法可依照接收到的船舶的總長度、最大寬度等靜態(tài)參數(shù)以及以固定頻率分發(fā)的船舶位置、航速、航向等動(dòng)態(tài)信息，在遵守《國際海上避碰規(guī)則》的要求下，在合適的時(shí)機(jī)發(fā)出相應(yīng)的避碰決策及操縱指令。

智能船艇測試場發(fā)展建議

“智能”船艇與傳統(tǒng)“自動(dòng)”船艇的關(guān)鍵區(qū)別在于，能否利用測試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)優(yōu)化，即“智能演進(jìn)”。因此，智能船艇測試場不僅是服務(wù)于智能功能驗(yàn)證需求的“測試場”，更應(yīng)該是服務(wù)于智能系統(tǒng)開發(fā)需求的“訓(xùn)練場”。基于上述實(shí)踐探索，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，我國各測試場應(yīng)在中國船級(jí)社的指導(dǎo)下，建立技術(shù)交流機(jī)制，設(shè)立智能船艇測試驗(yàn)證技術(shù)專家委員會(huì)（以下簡稱“委員會(huì)”），并提出發(fā)展建議如下：

一是打造標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，協(xié)同各測試場開展數(shù)據(jù)生產(chǎn)。相比于無人機(jī)、無人車的測試開發(fā)，智能船艇實(shí)海域試驗(yàn)成本高昂，且存在環(huán)境標(biāo)定困難與樣本數(shù)據(jù)量小等特殊問題。為高效獲取“數(shù)據(jù)原料”，委員會(huì)應(yīng)推出若干標(biāo)準(zhǔn)船型，實(shí)現(xiàn)實(shí)船、縮比模型船、虛擬船的對(duì)象統(tǒng)一，便于智能系統(tǒng)的算法遷移與多工況功能驗(yàn)證，發(fā)揮數(shù)據(jù)時(shí)代“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng)。

二是建立數(shù)據(jù)運(yùn)營體系，促進(jìn)各測試場做好數(shù)據(jù)服務(wù)。當(dāng)前條件下，測試場的智能功能驗(yàn)證業(yè)務(wù)收入遠(yuǎn)不能覆蓋其運(yùn)營成本，還需結(jié)合智能系統(tǒng)開發(fā)需求，提供以數(shù)據(jù)采集、管理、利用為核心的測試開發(fā)一體化服務(wù)。為促進(jìn)基于測試場的智能船艇研發(fā)生態(tài)形成，委員會(huì)應(yīng)面向工程與學(xué)術(shù)需求，建立數(shù)據(jù)運(yùn)營體系，并從數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)使用、數(shù)據(jù)引用等方面，對(duì)測試場運(yùn)營狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

三是創(chuàng)新數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，依托各測試場助力人才培養(yǎng)。海洋裝備的智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)船海學(xué)科人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了巨大挑戰(zhàn)。通過創(chuàng)辦“海上爭鋒”中國智能船艇挑戰(zhàn)賽，測試場成為“練兵場”，多學(xué)科人才跨界互動(dòng)的局面初現(xiàn)。為促進(jìn)航運(yùn)業(yè)、造船業(yè)在新時(shí)期的蓬勃發(fā)展，委員會(huì)應(yīng)通過挑戰(zhàn)賽、揭榜掛帥、任務(wù)眾包等形式，推動(dòng)測試場共享部分?jǐn)?shù)據(jù)，降低交叉創(chuàng)新門檻，助力行業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。