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 王鴻東 黃 一 趙 愷 易 宏

2019年10 月11 日～13日，由中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)、上海交通大學(xué)與中國(guó)船級(jí)社等單位聯(lián)合主辦中國(guó)智能船艇挑戰(zhàn)賽“海上爭(zhēng)鋒”在山東省日照市舉辦。來(lái)自高校、科研院所和行業(yè)企業(yè)近50 艘船艇完成了我國(guó)首次實(shí)海況下的無(wú)人智能船艇競(jìng)賽。競(jìng)賽面向不同主尺度及功能的智能船艇，分為自主繞標(biāo)、穿越險(xiǎn)阻和海上爭(zhēng)鋒三個(gè)組別，所設(shè)置科目考核了船艇自主循跡、避障、識(shí)別、跟蹤等智能功能。競(jìng)賽開(kāi)幕式上，中國(guó)船級(jí)社（CCS）總裁莫鑒輝向上海交通大學(xué)海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室授予無(wú)人艇測(cè)試服務(wù)供方資格認(rèn)可證書，這也是該項(xiàng)專業(yè)資質(zhì)證書首次授予高校單位。

實(shí)驗(yàn)室旗下的海洋裝備智能演進(jìn)中心，承擔(dān)本次競(jìng)賽測(cè)試任務(wù)。中心建有海上試驗(yàn)區(qū)、瀉湖試驗(yàn)區(qū)、岸基指控站、信息傳輸基站、數(shù)據(jù)反演及態(tài)勢(shì)研判終端系統(tǒng)等測(cè)試分析平臺(tái)，可以支撐各種水面、水下智能裝備及系統(tǒng)開(kāi)展技術(shù)成熟度5級(jí)及以上的樣機(jī)試驗(yàn)研究及智能演進(jìn)評(píng)判研究。

本次競(jìng)賽是中國(guó)船級(jí)社制定《從事智能船舶和/或無(wú)人艇測(cè)試的服務(wù)供應(yīng)方認(rèn)可暫行規(guī)定》以來(lái)，首次開(kāi)展的大規(guī)模實(shí)海域無(wú)人艇測(cè)試活動(dòng)，積累了寶貴的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為我國(guó)今后更好地開(kāi)展實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)建設(shè)積累了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索了未來(lái)的建設(shè)方向。

圖2 測(cè)試海域

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

一、建設(shè)實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)的意義

智能船艇最典型的技術(shù)特征就是具有智能演進(jìn)能力。所謂智能演進(jìn)，就是系統(tǒng)在賦能算法的支持下，基于訓(xùn)練過(guò)程中產(chǎn)生的大量感知信息、認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，持續(xù)迭代算法參數(shù)與架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能水平的持續(xù)提升。因此，實(shí)現(xiàn)智能演進(jìn)的基礎(chǔ)，是積累實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下智能船艇的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

本次競(jìng)賽測(cè)試后，由邱志明院士領(lǐng)銜的競(jìng)賽委員會(huì)即根據(jù)參賽船艇在試航、競(jìng)賽階段遇到的各類問(wèn)題，總結(jié)當(dāng)前智能船艇發(fā)展的若干共性問(wèn)題，深化競(jìng)賽活動(dòng)內(nèi)涵，指明裝備發(fā)展方向。例如，在海上目標(biāo)搜索科目中，參賽船艇出現(xiàn)了諸如因海面反光導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)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(wèn)題，導(dǎo)致任務(wù)失敗。專家們認(rèn)為，現(xiàn)有圖像識(shí)別、環(huán)境感知等人工智能算法，難以直接適配智能船艇在海洋環(huán)境下的魯棒應(yīng)用需求。為提升智能船艇自主識(shí)別能力，需提出可適用于風(fēng)、浪、流、鹽霧、汽霧等實(shí)海域環(huán)境下的算法模型，持續(xù)積累測(cè)試數(shù)據(jù)，更新迭代算法參數(shù)與架構(gòu)。

因此，基于實(shí)海域的專業(yè)化測(cè)試是智能船艇技術(shù)研發(fā)的高級(jí)階段，是推動(dòng)智能船艇技術(shù)快速發(fā)展，形成成熟產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，智能船艇實(shí)海域測(cè)試場(chǎng)建設(shè)及測(cè)試技術(shù)體系研發(fā)，已成為美國(guó)、挪威、日本等國(guó)家關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)。

二、建設(shè)實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)的問(wèn)題

當(dāng)前，面向無(wú)人車、無(wú)人機(jī)等無(wú)人系統(tǒng)的專業(yè)化測(cè)試場(chǎng)建設(shè)已初顯成效，國(guó)家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（上海）試點(diǎn)示范區(qū)、國(guó)家智能汽車與智慧交通（京冀）示范區(qū)海淀基地、華東無(wú)人機(jī)基地等已開(kāi)始承擔(dān)商業(yè)化測(cè)試任務(wù)，甚至出現(xiàn)“排隊(duì)測(cè)試”現(xiàn)象。而智能船艇測(cè)試場(chǎng)由于其技術(shù)體系、運(yùn)營(yíng)模式等特殊問(wèn)題，尚處于摸索起步階段。

一是實(shí)海域測(cè)試環(huán)境觀測(cè)與重構(gòu)問(wèn)題。不同于陸地和空中測(cè)試環(huán)境要求，實(shí)海域的風(fēng)浪流、聲、熱、電磁等多物理場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)環(huán)境系統(tǒng)，將對(duì)智能船艇的性能產(chǎn)生較大影響。在本次“智繪2019”自主循跡科目中，同一條船艇僅相隔2 小時(shí)進(jìn)行測(cè)試，其軌跡即有較大偏差。因此，能否構(gòu)建可以完備查詢時(shí)空變化的環(huán)境變量統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)，掌握測(cè)試場(chǎng)所處自然環(huán)境的變化特性和干擾特性，并在必要時(shí)予以虛擬復(fù)現(xiàn)和重構(gòu)，關(guān)系到實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)的測(cè)試可信度。

圖4 海上爭(zhēng)鋒科目參賽船艇

二是測(cè)試指標(biāo)與科目體系構(gòu)建問(wèn)題。針對(duì)不同用戶需求，智能船艇具有不同的功能設(shè)計(jì)。這就要求測(cè)試場(chǎng)能將船艇的目標(biāo)功能要求，最大程度解耦、量化成可供對(duì)比分析的測(cè)試指標(biāo)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)試科目。其中，既有船艇作為海上移動(dòng)平臺(tái)的共性指標(biāo)，又有船艇依靠載荷執(zhí)行任務(wù)的個(gè)性指標(biāo)。本次競(jìng)賽中的“智繪2019”科目，重點(diǎn)考核了船艇的操縱性能與自主循跡能力，測(cè)量了船艇回轉(zhuǎn)縱距、戰(zhàn)術(shù)直徑、橫漂距離等指標(biāo)；“智尋標(biāo)的”科目，重點(diǎn)考核了船艇在特定海域的搜索與識(shí)別能力，測(cè)量了船艇光學(xué)識(shí)別準(zhǔn)確率、距離識(shí)別準(zhǔn)確度等指標(biāo)。

三是實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸問(wèn)題。根據(jù)測(cè)試科目的不同，智能船艇在測(cè)試過(guò)程中將積累離散數(shù)值、柵格圖像及音視頻等大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。然而，受限于船載設(shè)備通信能力，智能船艇在測(cè)試時(shí)，無(wú)法做到將全部信息傳輸回岸端，只能傳輸經(jīng)實(shí)時(shí)計(jì)算的少量聚合結(jié)果。相比于無(wú)人機(jī)和無(wú)人車，智能船艇航行時(shí)間更長(zhǎng)，產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量更大，存儲(chǔ)與檢索的難度更大，對(duì)測(cè)試信息管理系統(tǒng)的要求更高。針對(duì)本次競(jìng)賽測(cè)試需求，實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)了船載數(shù)據(jù)采集裁判終端和基于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)的信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)船艇信息的快速壓縮存儲(chǔ)、快速檢索分析。

四是海上測(cè)試過(guò)程安全保障問(wèn)題?；诋?dāng)前技術(shù)水平，我國(guó)海洋綜合管理能力尚有不足。因此，在實(shí)海域大范圍測(cè)試過(guò)程中，容易出現(xiàn)通信電磁干擾、無(wú)關(guān)船舶干擾等問(wèn)題。在本次競(jìng)賽中，多次出現(xiàn)由于頻段干擾導(dǎo)致船艇航行軌跡異?；蚴Э?，以致任務(wù)失敗。還有部分船艇推進(jìn)裝置卷入遺棄漂浮漁網(wǎng)，導(dǎo)致設(shè)備損壞。上述問(wèn)題的出現(xiàn)，一方面是船艇自身抗干擾能力不足，設(shè)備保護(hù)措施不到位，另一方面，也對(duì)測(cè)試場(chǎng)的安全保障能力提出較高要求。然而，由于海域的開(kāi)放性，測(cè)試場(chǎng)運(yùn)營(yíng)方無(wú)法獨(dú)立完成上述安全保障需求，還需當(dāng)?shù)睾Ｊ?、漁政、無(wú)線電管理等部門的聯(lián)合支持。

五是資本投入產(chǎn)出的費(fèi)效比問(wèn)題。對(duì)于無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，存在測(cè)試定型后大批量生產(chǎn)的預(yù)期。智能船艇尚不存在面向大眾的消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，而是針對(duì)用戶功能需求進(jìn)行定制化、小批量開(kāi)發(fā)，其市場(chǎng)規(guī)模在短期內(nèi)有限。然而，實(shí)海域測(cè)試場(chǎng)的建設(shè)需要土地、海域、碼頭的場(chǎng)地資源投入，需要岸基、水面、水下測(cè)試設(shè)備與保障裝備的配置與長(zhǎng)期維護(hù)投入，其綜合投資成本將高于無(wú)人機(jī)、無(wú)人車測(cè)試場(chǎng)。因此，實(shí)海域測(cè)試場(chǎng)初次投入與長(zhǎng)期維護(hù)成本較高，測(cè)試服務(wù)收入有限且不穩(wěn)定，投資回報(bào)周期漫長(zhǎng)，是其運(yùn)營(yíng)發(fā)展面臨的基礎(chǔ)問(wèn)題。

三、建設(shè)實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)的建議

基于實(shí)踐探索，針對(duì)上述問(wèn)題，面向未來(lái)發(fā)展，我們認(rèn)為，建設(shè)實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)，需要從技術(shù)、運(yùn)營(yíng)、政策三個(gè)層面統(tǒng)籌推進(jìn)。

在技術(shù)層面上，需要構(gòu)建實(shí)海域多物理場(chǎng)環(huán)境感知模型，形成可觀測(cè)、可溯源、可虛擬重構(gòu)的智能船艇測(cè)試環(huán)境平臺(tái)；需要建設(shè)實(shí)海域泛在互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)，形成支持多用戶并發(fā)、大容量傳輸、信道自適應(yīng)切換及調(diào)頻、抗干擾、反介入等能力；需要開(kāi)發(fā)智能船艇實(shí)海域測(cè)試方法，以用戶需求為頂層目標(biāo)，自上而下解耦至物理指標(biāo)明確的測(cè)試科目，自下而上耦合成以功能為導(dǎo)向的評(píng)估結(jié)果，形成基于任務(wù)的智能船艇綜合測(cè)評(píng)體系。

在運(yùn)營(yíng)層面上，需要政府部門支持，科研機(jī)構(gòu)支撐，市場(chǎng)主體運(yùn)作，以土地海域租用、設(shè)備融資租賃、政府采購(gòu)服務(wù)等方式，調(diào)動(dòng)各方生產(chǎn)要素積極投入運(yùn)營(yíng)；需要最大限度發(fā)揮專業(yè)化測(cè)試場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)凝聚核心作用，以實(shí)海域測(cè)試場(chǎng)為平臺(tái)紐帶，積極探索數(shù)據(jù)服務(wù)、公眾科普、文創(chuàng)旅游等周邊產(chǎn)業(yè)，拓展智能船艇測(cè)試服務(wù)外延；需要融入“軍民融合”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，充分認(rèn)識(shí)智能船艇裝備及測(cè)試能力的軍民兩用需求，服務(wù)國(guó)防科技創(chuàng)新。

在政策層面上，需要堅(jiān)持國(guó)家主導(dǎo)，出臺(tái)相關(guān)規(guī)劃、政策、法規(guī)，對(duì)包括實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)在內(nèi)的無(wú)人系統(tǒng)專業(yè)化測(cè)試場(chǎng)建設(shè)給予規(guī)范和支持，使其成為發(fā)展未來(lái)交通，建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的生力軍；需要當(dāng)?shù)卣趫?chǎng)地、稅收、信貸等方面給予政策優(yōu)惠和科技創(chuàng)新項(xiàng)目扶持，通過(guò)引導(dǎo)基金、專項(xiàng)補(bǔ)貼等方式，對(duì)測(cè)試場(chǎng)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)“扶上馬、送一程”；需要國(guó)家自然資源部、海事局、漁業(yè)漁政管理局等涉海管理部門協(xié)同，在用海權(quán)限審批、航道申請(qǐng)、跨海域測(cè)試、海洋電磁環(huán)境清理等方面予以支持，共同管控實(shí)海域測(cè)試工作風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 萬(wàn)山海上測(cè)試場(chǎng)成功完成全球最大規(guī)模無(wú)人艇集群試驗(yàn)

圖6 測(cè)試場(chǎng)的位置和測(cè)試場(chǎng)景示意圖

2017年8月，全球首個(gè)無(wú)人船測(cè)試區(qū)在芬蘭正式運(yùn)營(yíng)；同年，挪威海事管理機(jī)構(gòu)與挪威海岸管理局簽署協(xié)議，允許企業(yè)在特隆赫姆峽灣進(jìn)行智能無(wú)人船測(cè)試。我國(guó)珠海云洲智能科技有限公司、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)室最早啟動(dòng)建設(shè)實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)，并先后獲得中國(guó)船級(jí)社授予的測(cè)試服務(wù)供方資格認(rèn)可證書。當(dāng)前，國(guó)際海事界正處于智能船艇裝備開(kāi)發(fā)與測(cè)試技術(shù)的探索起步階段。站在同一條起跑線，對(duì)任何一個(gè)造船國(guó)家都是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。誰(shuí)掌握了規(guī)則話語(yǔ)權(quán)，誰(shuí)就能占據(jù)未來(lái)海洋裝備發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。作為海洋強(qiáng)國(guó)的建設(shè)者，我們應(yīng)當(dāng)依托實(shí)海域智能船艇測(cè)試場(chǎng)建設(shè)機(jī)遇，推動(dòng)海洋智能裝備測(cè)試與演進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在問(wèn)題中突破創(chuàng)新，助力中國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。