上海交通大學(xué)海洋智能裝備與系統(tǒng)教育部重點實驗室 王鴻東 黃 一 趙 愷 易 宏

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

實驗室旗下的海洋裝備智能演進中心，承擔(dān)本次競賽測試任務(wù)。中心建有海上試驗區(qū)、瀉湖試驗區(qū)、岸基指控站、信息傳輸基站、數(shù)據(jù)反演及態(tài)勢研判終端系統(tǒng)等測試分析平臺，可以支撐各種水面、水下智能裝備及系統(tǒng)開展技術(shù)成熟度5級及以上的樣機試驗研究及智能演進評判研究。

本次競賽是中國船級社制定《從事智能船舶和/或無人艇測試的服務(wù)供應(yīng)方認(rèn)可暫行規(guī)定》以來，首次開展的大規(guī)模實海域無人艇測試活動，積累了寶貴的實測數(shù)據(jù)，為我國今后更好地開展實海域智能船艇測試場建設(shè)積累了大量實踐經(jīng)驗，探索了未來的建設(shè)方向。

圖2 測試海域

圖3 測試系統(tǒng)

一、建設(shè)實海域智能船艇測試場的意義

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

本次競賽測試后，由邱志明院士領(lǐng)銜的競賽委員會即根據(jù)參賽船艇在試航、競賽階段遇到的各類問題，總結(jié)當(dāng)前智能船艇發(fā)展的若干共性問題，深化競賽活動內(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)識別失效等智能算法應(yīng)用問題，導(dǎo)致任務(wù)失敗。專家們認(rèn)為，現(xiàn)有圖像識別、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別能力，需提出可適用于風(fēng)、浪、流、鹽霧、汽霧等實海域環(huán)境下的算法模型，持續(xù)積累測試數(shù)據(jù)，更新迭代算法參數(shù)與架構(gòu)。

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

二、建設(shè)實海域智能船艇測試場的問題

當(dāng)前，面向無人車、無人機等無人系統(tǒng)的專業(yè)化測試場建設(shè)已初顯成效，國家智能網(wǎng)聯(lián)汽車（上海）試點示范區(qū)、國家智能汽車與智慧交通（京冀）示范區(qū)海淀基地、華東無人機基地等已開始承擔(dān)商業(yè)化測試任務(wù)，甚至出現(xiàn)“排隊測試”現(xiàn)象。而智能船艇測試場由于其技術(shù)體系、運營模式等特殊問題，尚處于摸索起步階段。

一是實海域測試環(huán)境觀測與重構(gòu)問題。不同于陸地和空中測試環(huán)境要求，實海域的風(fēng)浪流、聲、熱、電磁等多物理場構(gòu)成了一個復(fù)雜的隨機環(huán)境系統(tǒng)，將對智能船艇的性能產(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 小時進行測試，其軌跡即有較大偏差。因此，能否構(gòu)建可以完備查詢時空變化的環(huán)境變量統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，掌握測試場所處自然環(huán)境的變化特性和干擾特性，并在必要時予以虛擬復(fù)現(xiàn)和重構(gòu)，關(guān)系到實海域智能船艇測試場的測試可信度。

圖4 海上爭鋒科目參賽船艇

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

三是實時測試數(shù)據(jù)存儲與傳輸問題。根據(jù)測試科目的不同，智能船艇在測試過程中將積累離散數(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，智能船艇在測試時，無法做到將全部信息傳輸回岸端，只能傳輸經(jīng)實時計算的少量聚合結(jié)果。相比于無人機和無人車，智能船艇航行時間更長，產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量更大，存儲與檢索的難度更大，對測試信息管理系統(tǒng)的要求更高。針對本次競賽測試需求，實驗室自主開發(fā)了船載數(shù)據(jù)采集裁判終端和基于時序數(shù)據(jù)庫的信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對被測船艇信息的快速壓縮存儲、快速檢索分析。

四是海上測試過程安全保障問題?；诋?dāng)前技術(shù)水平，我國海洋綜合管理能力尚有不足。因此，在實海域大范圍測試過程中，容易出現(xiàn)通信電磁干擾、無關(guān)船舶干擾等問題。在本次競賽中，多次出現(xiàn)由于頻段干擾導(dǎo)致船艇航行軌跡異常或失控，以致任務(wù)失敗。還有部分船艇推進裝置卷入遺棄漂浮漁網(wǎng)，導(dǎo)致設(shè)備損壞。上述問題的出現(xiàn)，一方面是船艇自身抗干擾能力不足，設(shè)備保護措施不到位，另一方面，也對測試場的安全保障能力提出較高要求。然而，由于海域的開放性，測試場運營方無法獨立完成上述安全保障需求，還需當(dāng)?shù)睾Ｊ?、漁政、無線電管理等部門的聯(lián)合支持。

五是資本投入產(chǎn)出的費效比問題。對于無人機、無人車等消費級產(chǎn)品，存在測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級市場，而是針對用戶功能需求進行定制化、小批量開發(fā)，其市場規(guī)模在短期內(nèi)有限。然而，實海域測試場的建設(shè)需要土地、海域、碼頭的場地資源投入，需要岸基、水面、水下測試設(shè)備與保障裝備的配置與長期維護投入，其綜合投資成本將高于無人機、無人車測試場。因此，實海域測試場初次投入與長期維護成本較高，測試服務(wù)收入有限且不穩(wěn)定，投資回報周期漫長，是其運營發(fā)展面臨的基礎(chǔ)問題。

三、建設(shè)實海域智能船艇測試場的建議

基于實踐探索，針對上述問題，面向未來發(fā)展，我們認(rèn)為，建設(shè)實海域智能船艇測試場，需要從技術(shù)、運營、政策三個層面統(tǒng)籌推進。

在技術(shù)層面上，需要構(gòu)建實海域多物理場環(huán)境感知模型，形成可觀測、可溯源、可虛擬重構(gòu)的智能船艇測試環(huán)境平臺；需要建設(shè)實海域泛在互聯(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；需要開發(fā)智能船艇實海域測試方法，以用戶需求為頂層目標(biāo)，自上而下解耦至物理指標(biāo)明確的測試科目，自下而上耦合成以功能為導(dǎo)向的評估結(jié)果，形成基于任務(wù)的智能船艇綜合測評體系。

在運營層面上，需要政府部門支持，科研機構(gòu)支撐，市場主體運作，以土地海域租用、設(shè)備融資租賃、政府采購服務(wù)等方式，調(diào)動各方生產(chǎn)要素積極投入運營；需要最大限度發(fā)揮專業(yè)化測試場的產(chǎn)業(yè)凝聚核心作用，以實海域測試場為平臺紐帶，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)，拓展智能船艇測試服務(wù)外延；需要融入“軍民融合”國家發(fā)展戰(zhàn)略，充分認(rèn)識智能船艇裝備及測試能力的軍民兩用需求，服務(wù)國防科技創(chuàng)新。

在政策層面上，需要堅持國家主導(dǎo)，出臺相關(guān)規(guī)劃、政策、法規(guī)，對包括實海域智能船艇測試場在內(nèi)的無人系統(tǒng)專業(yè)化測試場建設(shè)給予規(guī)范和支持，使其成為發(fā)展未來交通，建設(shè)交通強國的生力軍；需要當(dāng)?shù)卣趫龅?、稅收、信貸等方面給予政策優(yōu)惠和科技創(chuàng)新項目扶持，通過引導(dǎo)基金、專項補貼等方式，對測試場運營機構(gòu)“扶上馬、送一程”；需要國家自然資源部、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、跨海域測試、海洋電磁環(huán)境清理等方面予以支持，共同管控實海域測試工作風(fēng)險。

圖5 萬山海上測試場成功完成全球最大規(guī)模無人艇集群試驗

圖6 測試場的位置和測試場景示意圖

2017年8月，全球首個無人船測試區(qū)在芬蘭正式運營；同年，挪威海事管理機構(gòu)與挪威海岸管理局簽署協(xié)議，允許企業(yè)在特隆赫姆峽灣進行智能無人船測試。我國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)教育部重點實驗室最早啟動建設(shè)實海域智能船艇測試場，并先后獲得中國船級社授予的測試服務(wù)供方資格認(rèn)可證書。當(dāng)前，國際海事界正處于智能船艇裝備開發(fā)與測試技術(shù)的探索起步階段。站在同一條起跑線，對任何一個造船國家都是挑戰(zhàn)，更是機遇。誰掌握了規(guī)則話語權(quán)，誰就能占據(jù)未來海洋裝備發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)。作為海洋強國的建設(shè)者，我們應(yīng)當(dāng)依托實海域智能船艇測試場建設(shè)機遇，推動海洋智能裝備測試與演進技術(shù)開發(fā)，在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，在問題中突破創(chuàng)新，助力中國海洋強國夢。