智能船舶自主航行决策系统测评体系
近年来，人工智能、通信技术、传感器技术、大数据等新技术取得了显著进展，这些技术的不断成熟和应用推动了智能船舶的发展。其中，自主航行功能是智能船舶发展的灵魂，系统通过集成全球卫星导航系统（GNSS）、激光雷达、摄像头等传感器，利用先进的感知和控制技术，制定出合理的决策，从而实现自主航行。随着技术的不断应用和推广，也暴露出一系列存在的问题，因此建立全面、合理、有效的测评体系已逐渐成为业界关注的焦点。传统船舶的评估方法已不能适应复杂多变的新技术应用的需求，需要基于场景构建虚拟测试与实船测试相结合的全新综合测评体系。
系统组成分析
自主航行系统是智能船舶的核心组成部分，它由多个子系统组成，以实现船舶的自主航行和安全性。通常自主航行船舶的功能模块可分为感知系统、决策系统、执行系统，各系统之间在通信系统的连接下协调配合，共同保障船舶安全、高效地航行。
自主决策是保障船舶安全航行的重要基础，通常可分为全局路径规划和局部避碰规划。自主航行系统首先根据船舶将要航行经过的海域周围环境、气候变化等信息，利用全局规划功能给出从起点到终点的最佳路径。在船舶按照全局规划路线航行途中，决策系统基于自身感知系统获取的实时信息并考虑航行规则等外在约束，通过局部规划功能计算出下一时刻的最优航线，从而避免与动静态碍航物碰撞。最终，船舶执行系统根据决策信息调整当前的航速或航向完成运动。
系统测试架构
感知系统与执行系统的测试通常需要高精度的物理仿真环境与实船设备，本文将聚焦对自主航行决策系统各功能模块测试与评价的流程及方法。系统测试的流程可分为模型测试、软件测试和实船测试，其中模型测试和软件测试均由虚拟仿真测试软件实现，但考虑到仿真测试无法验证决策系统与其他系统之间的数据交换问题，同时仿真软件中船舶模型以及环境模型也存在误差，因此需要对其进行实船测试，以全面验证系统的安全、可靠。模型测试和软件测试应在开发初级阶段完成，当两种测试均通过后，在船舶进行海上试验时展开系统的实船测试。
模型测试
模型测试通常由系统设计方完成，一般为系统开发人员对所设计系统的算法层级的白盒测试，此层级的测试可帮助开发人员方便快捷地查找被测模型出现的漏洞位置，进行详细的分析和评估。测试人员对这类模型的测试，需要构建一个虚拟的测试环境，测试的模型将被放置在与船舶航行环境相似的虚拟测试环境里，根据航行环境的不同以及实现的航行功能的多样化，虚拟环境模型的复杂程度也会随之变化。在测试过程中，测试人员可随时开启或终止虚拟测试，直至模型顺利通过所有测试。
软件测试
考虑到系统研发人员在开发过程中可能存在对航行规则某些条款的疏忽以及对船员航行经验的缺乏，在模型测试结束后，研发人员应将经过编译封装的自主航行决策软件代码以及通过模型测试产生的系统各模块功能测试报告提交给专业的测试机构。测试机构根据设计单位所提交的测试结果，设计各功能模块详细的测试场景，开展相应的仿真测试，从而帮助开发人员找到系统中存在的问题，不断进行修改完善。与模型测试不同的是，测试人员在软件测试中只能从外部对软件代码进行观察。
被用来进行软件测试的仿真平台应能够高精度重建真实海上航行场景，平台应具有可扩展性、测试功能多样性、多模态测试等的能力，并且对测试过的所有场景均能自动生成详细的测试过程记录和报告，从而保障测试的完整性与真实性。在仿真测试过程中，测试人员应根据系统实现的功能在测试平台中建立相应的测试场景，测试场景库的构建应基于船舶实际航行交通流和特殊边缘场景，覆盖所测试系统的全部功能和性能。
实船测试
实船测试是智能船舶新系统设计与开发不可或缺的一环，其可对控制策略、系统间的数据互通、执行机构等重要环节进行综合验证与评估。实船测试的场景设计应具有典型性、简单易操作、危险性低，船舶自主航行感知系统、决策系统以及执行系统均可通过实船测试对各系统实现的各功能进行验证，其中决策系统可采用两种方法进行实船测试：一种是基于仿真软件的虚实结合的测试；另一种是实际船舶和实际航行场景的测试。
虚实融合测试可简单描述为实船虚景的测试，也包括对决策系统硬件的测试。实船为安装自主航行系统的船舶，虚景为仿真软件构建的虚拟海上环境，采用这种方法最根本的问题是实船与虚拟测试环境之间的实时通信连接问题。实船实景测试与虚实融合测试不同的是，实景为真实的海上环境，根据船舶作业的任务、航行的水域以及实现的功能等不同，测试的环境也随之变化。
总结与展望
完善仿真测试与实船测试是船舶自主航行系统商业化实现的必经之路。本文介绍了自主航行系统的组成，提出了自主航行决策系统的测评体系，在软件测试阶段，建立基于场景的虚拟测试方法论尤为重要；在实船测试阶段，寻找虚拟测试中存在的问题，不断弥补虚拟仿真中难以实现的场景，比如各系统间在实船上的通信连接问题、仿真测试中存在的建模误差问题等等。最终，在仿真测试与实船测试之间找到合理的场景测试比例安排，解决测试中存在环境复杂、场景众多、长尾效应、周期过长等问题。
来源：《中国船检》杂志
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