船舶智能航行测试国际标准现状及发展趋势

中国船舶工业综合技术经济研究院 冯书桓 石 瑶

目前，智能船舶的发展正处在转折点和重要机遇期。一方面，随着自主船舶、自主避碰、自动靠离泊、船舶能效管理系统等典型船舶智能设备系统日趋成熟，零排放自主航行集装箱船“Yara Birkeland”轮首航、自主航行渡轮“FALCO”轮开展系统测试，智能船舶技术发展迈上了一个崭新高度。另一方面，智能船舶领域国际规则日益完善，IMO自主船舶试航暂行导则在MSC 101次会上发布，IMO MASS法规监管范围界定（MASS Regulatory Scoping Exercise）工作在MSC 103次会上完成，ISO 23860“自主船舶系统相关术语”标准即将以TS（technical specification，技术规范）形式发布……相关技术发展和国际规则的完善为智能船舶进一步开展实船功能性测试，推动经济性与可靠性评估，探索商业应用场景等带来机遇。然而，当前各主要国际标准化组织尚未发布智能船舶测试场建设、测试流程和要求等方面的针对性标准，仅有部分指南提供了较为概括的描述性要求，各方组织开展船舶智能航行测试、进行设备系统参数的比较和评估仍存在一定障碍。

船舶智能航行测试技术框架

1、测试对象

船舶智能航行功能测试与验证涉及不同层级、不同领域的软件和硬件的检验，但总体上测试对象可归纳为性能、能效、信息和智能四大主要类别。性能是船舶在智能设备系统的控制下，浮性、稳性、快速性、操纵性、耐波性等各类常规船舶通用评价指标的表现。能效即船舶通过智能能效管理系统，在外界风、浪、流等环境影响下通过主动的船舶姿态调节、主机工况管理、航速调节等手段提升船舶经济效能和环保指标的能力。信息是船舶实现智能航行的基础，覆盖采集、存储、传输、分析等各个环节，其全面性、可靠性、准确性、快速性、安全性、稳定性等是船舶智能航行测试的重要内容。智能是智能船舶的核心要素，具体体现在自主航行、自主避碰、自动靠离泊等典型应用场景下船舶智能设备系统体现出的环境态势感知、分析决策和操控等功能。

2、测试方法

围绕上述四类船舶智能航行测试对象，结合相关安全性和经济性考虑，目前国内外相关企业和科研机构开发和采用了包括虚拟仿真、模型测试和实船测试的船舶智能航行测试验证体系。其中，虚拟仿真是运用数字孪生技术模拟物理环境，在前期对智能船舶相关决策和控制理论、算法和程序进行测试，发现错误和问题、缩短周期、降低成本、提高效率。模型测试是指在智能船舶设计建造中期将等比例缩小的船舶模型及障碍物置于测试水池中，在风、浪、流等外部条件作用下进行航行试验，获取相关数据并进行调试，以降低风险、成本和开展实船试验在组织协调方面的难度。实船试验是船舶智能航行的最终测试阶段，承担船舶可靠性、安全性和各实际场景下所有功能的实际检验，是最终获得认证的必经程序。

3、技术框架

如图1所示，测试与验证工作贯穿于智能船舶及相关设备系统技术研发和生产的全过程。从船舶智能航行规则符合性验证(verification)与用户需求确认（validation）的要求出发，需要首先搭建相应验证场景，随后结合功能设计到实际应用的不同环节，选择虚拟仿真、模型测试和实船测试或虚实融合的方式开展相关设备、系统和整船的功能性和安全性验证。

图1 智能船舶航行测试对设计研发工作的支撑

虚实融合是当前开展船舶智能航行测试的典型技术方案。图2展示了荷兰eMIR测试平台（eMaritime Integrated Reference Platform）的技术框架。受测试的智能船舶设备或系统与一个多态交互界面连接，测试验证平台的虚拟部分与传感器仿真模块、环境仿真模块等高级模块相连。在实船模块中，测试场提供诸如各类传感器、船舶交通服务系统（VTS）、测试船舶等基础设施，同时信息通过有线和无线网络在相关设备系统中传输，实现互联互通。

图2 船舶智能航行测试技术框架（荷兰eMIR测试平台）

船舶智能航行测试国际标准

1、标准需求分析

从船舶智能航行测试的技术框架出发，可知其测试对象聚焦智能船舶的性能、能效、信息和智能化水平，测试方法包括虚拟仿真、模型试验和实船测试，在实际操作中则涉及测试场景设计、外部环境及相关服务系统模拟、测试场建设、模块间信息联通、虚实融合测试方法的协调配合等诸多因素，由此可研判出船舶智能航行测试标准需求如下：

（1）船舶智能航行测试技术要求，聚焦智能航行测试总体技术框架，包括测试的目的、原则、方法、架构、报告格式，以及虚拟仿真、模型试验和实船测试三种典型方法的选择及其相互间协调配合关系。

（2）船舶智能航行测试环境建设要求，针对模型测试水池及实船测试场，围绕选址、设备系统布设、风浪流涌等外部环境模拟、船舶及障碍物模型的制作和布置等提出相应技术要求。

（3） 智能船舶测试性能要求，即针对船舶在智能设备系统的控制下，浮性、稳性、快速性、操纵性、耐波性等各类常规船舶通用评价指标的测试场景设计以及技术指标要求。

（4）智能船舶测试能效要求，即针对船舶在船舶能效管理系统控制下的能效表现提出测试场景设计以及技术指标要求。

（5） 智能航行典型场景功能测试要求，即针对船舶自主航行、自动靠离泊、自主避碰、远程遥控等典型智能功能提出的测试场景设计和技术指标要求。

（6）船舶智能航行测试信息联通要求，包括针对船载网络设备系统之间，以及船舶与各测试模块之间数据接口和传输的技术要求，如数据传输频率、存储方式、连接方式、带宽要求等。

2、国际标准现状梳理

目前，针对智能船舶及其配套设备的国际标准主要集中在国际标准化组织船舶与海洋技术委员会“智能航运”工作组（ISO/TC 8/WG 10）和国际电工委员会海上导航和无线电通信设备及系统技术委员会（IEC/TC 80）。但标准涉及领域主要覆盖智能船舶船载网络、通信数据、术语等前沿技术以及雷达等单体电子通导设备的性能表现。随着IMO《自主水面船舶暂行导则》的出台，近年来智能船舶测试逐渐成为业界关注的焦点，但各方专门针对智能航行测试制定的标准较少，现有标准也不足以支撑当前技术和规则背景下船舶智能航行测试工作的开展。现有船舶智能航行测试领域国际标准梳理如下：

（1）IALA—电子航海（e-navigation）测试场的规划与信息报告导则

国际航标协会（IALA）于2016年发布的《电子航海(e-navigation)测试场的规划与信息报告导则》是当前各国开展智能船舶测试场建设的重要参考。导则共分为4部分，其中第四章“测试场的规划”中针对测试场建设需要考虑的因素、测试场设计、船舶智能航行试验与试验结果分析分别提出了原则性要求，第五章和附录中则分别给出了智能船舶测试结果的报告要求及相关模板。总体上，考虑到该文件发布时间较早，内容较为概括和简略，距离相关企业和科研机构开展船舶智能航行测试验证工作的实际需求仍有一定差距。

（2）智能船舶性能测试要求相关标准

智能船舶性能测试相关标准对应船舶在智能设备系统控制下的稳性、浮性、快速性等常规性能，相关标准主要由国际标准化组织船舶与海洋技术委员会（ISO/TC 8）的船舶设计委员会制定，由于其与常规船舶要求类似，故不再赘述。值得注意的是，相关技术要求在船级社规范中也有较多体现。

与常规船舶相比，智能船舶的特性主要体现在其船上电子设备系统，ISO 17894“海事应用中的可编程电子系统的开发与应用”对其做了较为详尽的规定。该标准为海事系统中应用的电子程序提出了20条开发原则，包括风险评估、系统冗余度、信息传输的及时性和准确性等，用以确保相关电子设备系统的安全性和可靠性。该标准是依托IEC 61508“电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全”标准，结合海事工业的特点修订而来，在船舶智能航行测试中具有重要意义。

（3）船舶智能航行测试信息联通相关标准

目前，国际标准化组织针对船载网络及相关数据传输已经制定了若干标准，但尚无专门针对船舶智能航行测试场的网络布设和数据传输相关的标准。

针对船载网络和数据传输，目前日本通过其国内的“智能船舶应用平台”（Smart Ship Application Platform，简称SSAP）系列项目，在ISO/TC 8/WG 10内发布了ISO 16425《船舶与海洋技术 船载设备和系统通信网络布设指南》、ISO 19847《船舶与海洋技术 用于现场数据共享的船舶数据服务器》和ISO 19848《船舶与海洋技术 船载机械设备的标准数据》等一系列国际标准。其中，ISO 19847对船端数据服务器的功能要求和性能标准做出了定义；ISO 19848对数据服务器的数据源，包括船载传感器的识别码格式、通用数据模型和数据格式等给出了要求。这两项国际标准构成了“ShipDC”架构下船端数据管理和核心，目前在国际上拥有较强影响力。此外，ISO/TC 8/WG 10内目前还在开发ISO/WD 23807《船舶与海洋技术 船岸数据通信一般要求》标准。上述标准均将对智能船舶的技术研发和测试验证工作提供参考。

未来发展趋势

通过对比船舶智能测试国际标准需求与现状，能够发现针对船舶智能航行测试总体技术要求、能效要求、虚实融合的测试场建设及相关系统环境模块的模拟、智能航行典型场景的功能测试要求，以及船舶及测试场中各设备和系统之间的信息联通等方面存在明显的标准缺项。

随着各国针对船舶智能航行测试的投入力度日益加大，以及相关工程项目的持续推进，近年来有关智能船舶测试的学术论文、技术文件和交流研讨数量和质量都显著提升。可以预见，随着各国技术方案日趋成熟，工程实践经验不断丰富，针对船舶智能航行测试的国际标准将逐渐成为下一步各方争夺的焦点。

一直以来，船海领域的国际标准化活动始终以国际海事立法、市场需求和技术进步为三大驱动因素。船舶智能航行测试作为智能船舶发展中的重要环节，在当前IMO出台相关法规作为依据，技术不断发展的背景下，各方对于国际标准的需求愈发凸显，开展国际标准制定工作的条件也日趋成熟。

我国通过船舶智能航行相关科研项目的开展，也围绕沿海船舶智能航行测试需求、测试场建设、环境感知、自主航行、远程遥控等重点领域形成了一定的技术积累。针对船舶智能航行国际标准化工作，建议国内相关单位：

（1） 积极参与IALA、ISO/TC 8等智能船舶及测试领域重点国际组织活动，拓展专家资源，持续关注国际标准项目进展，及时提出意见建议，反馈我国技术立场，在适当时机主动提出国际标准提案建议；

（2）加快科技成果转化，结合我国工程实践经验和标准国际化需求，寻求设计、建造、运营和检验等不同领域的单位协同联动，主动研究、策划提出国际标准需求；

（3）继续加快船舶智能航行测试技术研发、产品应用和实践案例总结，在国际上培育技术、产品和服务同盟，积极推动智能船舶和智能航运产业生态的构建，为我国产业发展和参与国际规则制定提供支持。

我国首艘双燃料多用途气体运输船“宏利”轮交付

2020年12月10日，由中国船级社(CCS)广州分社执行检验的我国首艘液化天然气(LNG)双燃料多用途气体运输船“宏利”轮在中船黄埔文冲船舶有限公司顺利交付，拓展了新能源动力船型。该轮是中船黄埔文冲船舶有限公司为西南海运有限公司建造的第1艘9500方多用途气体运输船，是在华南地区LNG双燃料多用途气体运输船建造领域的重大开拓。该轮能够承担液化天然气(LNG)、液化乙烯(LEG)和液化石油气(LPG)等多种液化气体的运输。“宏利”轮总长119.6米，型宽19.80米，型深11.30米，由上海船舶研究设计院设计，采用C型独立液货罐型式，配有货舱罐2个和甲板罐2个，载货量达9500m3，可载运最低温度-163℃，最大蒸气压力0.53MPa的液化气体货物。