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