建设实海域智能船艇测试场亟待合力推进

上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室 王鸿东 黄 一 赵 恺 易 宏

2019年10 月11 日～13日，由中国造船工程学会、上海交通大学与中国船级社等单位联合主办中国智能船艇挑战赛“海上争锋”在山东省日照市举办。来自高校、科研院所和行业企业近50 艘船艇完成了我国首次实海况下的无人智能船艇竞赛。竞赛面向不同主尺度及功能的智能船艇，分为自主绕标、穿越险阻和海上争锋三个组别，所设置科目考核了船艇自主循迹、避障、识别、跟踪等智能功能。竞赛开幕式上，中国船级社（CCS）总裁莫鉴辉向上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室授予无人艇测试服务供方资格认可证书，这也是该项专业资质证书首次授予高校单位。

实验室旗下的海洋装备智能演进中心，承担本次竞赛测试任务。中心建有海上试验区、泻湖试验区、岸基指控站、信息传输基站、数据反演及态势研判终端系统等测试分析平台，可以支撑各种水面、水下智能装备及系统开展技术成熟度5级及以上的样机试验研究及智能演进评判研究。

本次竞赛是中国船级社制定《从事智能船舶和/或无人艇测试的服务供应方认可暂行规定》以来，首次开展的大规模实海域无人艇测试活动，积累了宝贵的实测数据，为我国今后更好地开展实海域智能船艇测试场建设积累了大量实践经验，探索了未来的建设方向。

图2 测试海域

图3 测试系统

一、建设实海域智能船艇测试场的意义

智能船艇最典型的技术特征就是具有智能演进能力。所谓智能演进，就是系统在赋能算法的支持下，基于训练过程中产生的大量感知信息、认知经验和运行状态数据，持续迭代算法参数与架构，实现系统智能水平的持续提升。因此，实现智能演进的基础，是积累实际应用场景下智能船艇的性能测试数据。

本次竞赛测试后，由邱志明院士领衔的竞赛委员会即根据参赛船艇在试航、竞赛阶段遇到的各类问题，总结当前智能船艇发展的若干共性问题，深化竞赛活动内涵，指明装备发展方向。例如，在海上目标搜索科目中，参赛船艇出现了诸如因海面反光导致目标检测虚警、波浪抨击导致跟踪目标频繁丢失、甲板上浪导致光学识别失效等智能算法应用问题，导致任务失败。专家们认为，现有图像识别、环境感知等人工智能算法，难以直接适配智能船艇在海洋环境下的鲁棒应用需求。为提升智能船艇自主识别能力，需提出可适用于风、浪、流、盐雾、汽雾等实海域环境下的算法模型，持续积累测试数据，更新迭代算法参数与架构。

因此，基于实海域的专业化测试是智能船艇技术研发的高级阶段，是推动智能船艇技术快速发展，形成成熟产品，实现产业化应用的关键环节。目前，智能船艇实海域测试场建设及测试技术体系研发，已成为美国、挪威、日本等国家关注的前沿热点。

二、建设实海域智能船艇测试场的问题

当前，面向无人车、无人机等无人系统的专业化测试场建设已初显成效，国家智能网联汽车（上海）试点示范区、国家智能汽车与智慧交通（京冀）示范区海淀基地、华东无人机基地等已开始承担商业化测试任务，甚至出现“排队测试”现象。而智能船艇测试场由于其技术体系、运营模式等特殊问题，尚处于摸索起步阶段。

一是实海域测试环境观测与重构问题。不同于陆地和空中测试环境要求，实海域的风浪流、声、热、电磁等多物理场构成了一个复杂的随机环境系统，将对智能船艇的性能产生较大影响。在本次“智绘2019”自主循迹科目中，同一条船艇仅相隔2 小时进行测试，其轨迹即有较大偏差。因此，能否构建可以完备查询时空变化的环境变量统一数据库，掌握测试场所处自然环境的变化特性和干扰特性，并在必要时予以虚拟复现和重构，关系到实海域智能船艇测试场的测试可信度。

图4 海上争锋科目参赛船艇

二是测试指标与科目体系构建问题。针对不同用户需求，智能船艇具有不同的功能设计。这就要求测试场能将船艇的目标功能要求，最大程度解耦、量化成可供对比分析的测试指标，并设计相应的测试科目。其中，既有船艇作为海上移动平台的共性指标，又有船艇依靠载荷执行任务的个性指标。本次竞赛中的“智绘2019”科目，重点考核了船艇的操纵性能与自主循迹能力，测量了船艇回转纵距、战术直径、横漂距离等指标；“智寻标的”科目，重点考核了船艇在特定海域的搜索与识别能力，测量了船艇光学识别准确率、距离识别准确度等指标。

三是实时测试数据存储与传输问题。根据测试科目的不同，智能船艇在测试过程中将积累离散数值、栅格图像及音视频等大量的非结构化数据。然而，受限于船载设备通信能力，智能船艇在测试时，无法做到将全部信息传输回岸端，只能传输经实时计算的少量聚合结果。相比于无人机和无人车，智能船艇航行时间更长，产生的总数据量更大，存储与检索的难度更大，对测试信息管理系统的要求更高。针对本次竞赛测试需求，实验室自主开发了船载数据采集裁判终端和基于时序数据库的信息管理系统，实现对被测船艇信息的快速压缩存储、快速检索分析。

四是海上测试过程安全保障问题。基于当前技术水平，我国海洋综合管理能力尚有不足。因此，在实海域大范围测试过程中，容易出现通信电磁干扰、无关船舶干扰等问题。在本次竞赛中，多次出现由于频段干扰导致船艇航行轨迹异常或失控，以致任务失败。还有部分船艇推进装置卷入遗弃漂浮渔网，导致设备损坏。上述问题的出现，一方面是船艇自身抗干扰能力不足，设备保护措施不到位，另一方面，也对测试场的安全保障能力提出较高要求。然而，由于海域的开放性，测试场运营方无法独立完成上述安全保障需求，还需当地海事、渔政、无线电管理等部门的联合支持。

五是资本投入产出的费效比问题。对于无人机、无人车等消费级产品，存在测试定型后大批量生产的预期。智能船艇尚不存在面向大众的消费级市场，而是针对用户功能需求进行定制化、小批量开发，其市场规模在短期内有限。然而，实海域测试场的建设需要土地、海域、码头的场地资源投入，需要岸基、水面、水下测试设备与保障装备的配置与长期维护投入，其综合投资成本将高于无人机、无人车测试场。因此，实海域测试场初次投入与长期维护成本较高，测试服务收入有限且不稳定，投资回报周期漫长，是其运营发展面临的基础问题。

三、建设实海域智能船艇测试场的建议

基于实践探索，针对上述问题，面向未来发展，我们认为，建设实海域智能船艇测试场，需要从技术、运营、政策三个层面统筹推进。

在技术层面上，需要构建实海域多物理场环境感知模型，形成可观测、可溯源、可虚拟重构的智能船艇测试环境平台；需要建设实海域泛在互联通信网络，形成支持多用户并发、大容量传输、信道自适应切换及调频、抗干扰、反介入等能力；需要开发智能船艇实海域测试方法，以用户需求为顶层目标，自上而下解耦至物理指标明确的测试科目，自下而上耦合成以功能为导向的评估结果，形成基于任务的智能船艇综合测评体系。

在运营层面上，需要政府部门支持，科研机构支撑，市场主体运作，以土地海域租用、设备融资租赁、政府采购服务等方式，调动各方生产要素积极投入运营；需要最大限度发挥专业化测试场的产业凝聚核心作用，以实海域测试场为平台纽带，积极探索数据服务、公众科普、文创旅游等周边产业，拓展智能船艇测试服务外延；需要融入“军民融合”国家发展战略，充分认识智能船艇装备及测试能力的军民两用需求，服务国防科技创新。

在政策层面上，需要坚持国家主导，出台相关规划、政策、法规，对包括实海域智能船艇测试场在内的无人系统专业化测试场建设给予规范和支持，使其成为发展未来交通，建设交通强国的生力军；需要当地政府在场地、税收、信贷等方面给予政策优惠和科技创新项目扶持，通过引导基金、专项补贴等方式，对测试场运营机构“扶上马、送一程”；需要国家自然资源部、海事局、渔业渔政管理局等涉海管理部门协同，在用海权限审批、航道申请、跨海域测试、海洋电磁环境清理等方面予以支持，共同管控实海域测试工作风险。

图5 万山海上测试场成功完成全球最大规模无人艇集群试验

图6 测试场的位置和测试场景示意图

2017年8月，全球首个无人船测试区在芬兰正式运营；同年，挪威海事管理机构与挪威海岸管理局签署协议，允许企业在特隆赫姆峡湾进行智能无人船测试。我国珠海云洲智能科技有限公司、上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室最早启动建设实海域智能船艇测试场，并先后获得中国船级社授予的测试服务供方资格认可证书。当前，国际海事界正处于智能船艇装备开发与测试技术的探索起步阶段。站在同一条起跑线，对任何一个造船国家都是挑战，更是机遇。谁掌握了规则话语权，谁就能占据未来海洋装备发展的主导权。作为海洋强国的建设者，我们应当依托实海域智能船艇测试场建设机遇，推动海洋智能装备测试与演进技术开发，在实践中发现问题，在问题中突破创新，助力中国海洋强国梦。