陳天宇，許凱瑋，徐 力，胡 瓊

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深?？茖W(xué)技術(shù)太湖實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引言

自2012 年起，國(guó)內(nèi)外船舶工業(yè)和航運(yùn)業(yè)對(duì)智能船艇的關(guān)注持續(xù)上升，國(guó)際主要船級(jí)社先后發(fā)布了有關(guān)智能船舶的規(guī)范或指導(dǎo)性文件。2018 年4 月，國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）第99 屆海事安全委員會(huì)明確了發(fā)展水面自主航行船舶，并啟動(dòng)國(guó)際航運(yùn)法規(guī)的梳理和修訂工作。2019 年6 月，IMO 發(fā)布了《水面自主船舶試航暫行指南》，明確了水面自主船舶的試航要求，以保障其試驗(yàn)的安全和效率。

作為航運(yùn)大國(guó)，我國(guó)也積極推動(dòng)智能船舶相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。近年來，中國(guó)船級(jí)社緊密圍繞“智能船舶/無人船舶技術(shù)”方向，積極開展相關(guān)研究，在智能船舶風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、關(guān)鍵技術(shù)研究、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制、測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)研制、實(shí)船檢驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了重要成果。2015 年以來，前后編制發(fā)布了如下規(guī)范及指南文件[1–2]：

1）《智能船舶規(guī)范》2015 版、2020 版；

2）《船舶網(wǎng)絡(luò)安全要求及評(píng)估指南》2017 版、2019 版；

3）2017-2018 年先后發(fā)布智能船舶系列指南：《智能機(jī)艙檢驗(yàn)指南》《智能能效檢驗(yàn)指南》《智能集成平臺(tái)檢驗(yàn)指南》《智能貨物（液貨）檢驗(yàn)指南》；

4）2018 年發(fā)布《無人水面艇檢驗(yàn)指南》；

5）2018 年發(fā)布《自主貨物運(yùn)輸船舶指南》。

在此基礎(chǔ)上，中國(guó)船級(jí)社先后完成了智能散貨船、智能集裝箱船、超大型智能礦砂船、超大型智能油船的實(shí)船應(yīng)用及檢驗(yàn)驗(yàn)證。隨著智能船舶功能研發(fā)、產(chǎn)品定型、檢驗(yàn)認(rèn)證等方面研究的逐步深入，對(duì)其測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)研究的需求日益增強(qiáng)。目前，各國(guó)正積極探索智能船舶測(cè)試與驗(yàn)證評(píng)估技術(shù)，以滿足對(duì)智能船舶航行安全核定和自主能力分級(jí)的需求。

目前，智能船艇測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)仍處于發(fā)展初期階段，尚未形成明確的安全性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系。環(huán)境復(fù)雜度、任務(wù)復(fù)雜度、航行穩(wěn)定性和自主性、網(wǎng)絡(luò)通信可靠性等均需作為安全性測(cè)試驗(yàn)證評(píng)估的重要指標(biāo)。因此，明確測(cè)試項(xiàng)目，細(xì)化測(cè)試內(nèi)容，形成規(guī)范化的智能船艇測(cè)試流程，對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)、大規(guī)模、高質(zhì)量實(shí)施船艇測(cè)試驗(yàn)證的推廣至關(guān)重要。

在實(shí)際海洋環(huán)境下，現(xiàn)有的測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試方法存在智能無人船及陪試物定位信息的測(cè)量結(jié)果誤差較大的問題。相位差分相比于偽距差分和位置差分具有明顯的優(yōu)勢(shì)，將相位差分技術(shù)與船岸海通信技術(shù)相結(jié)合，可通過岸基基準(zhǔn)站極大的提高封閉水域試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)各載有相位差分接收機(jī)的參試物的定位精度，誤差量級(jí)為厘米級(jí)，甚至在近岸基線長(zhǎng)度處于特定范圍內(nèi)時(shí)，定位測(cè)量值單位可達(dá)毫米級(jí)。

本文首先通過對(duì)比不同衛(wèi)星定位差分技術(shù)，詳細(xì)介紹相位差分的優(yōu)勢(shì)以及選擇該技術(shù)作為智能無人船測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建核心技術(shù)之一的原因。其次，介紹智能無人船測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建的具體方法，包括場(chǎng)景組成、工作流程、數(shù)據(jù)采集以及測(cè)試要素。最后，介紹幾種典型的場(chǎng)景構(gòu)建方案和具體測(cè)試內(nèi)容。

1 多GNSS 技術(shù)適用性分析

利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)船舶海上航行期間航速和航跡測(cè)試一般使用位置差分測(cè)速、多普勒觀測(cè)值測(cè)速、偽距差分測(cè)速和載波相位差分測(cè)速等方法。目前，國(guó)內(nèi)外一般使用位置差分定位測(cè)速、多普勒觀測(cè)值定位測(cè)速和偽距差分定位測(cè)速進(jìn)行實(shí)艇海上測(cè)試。位置差分是對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行差分來獲得精確定位和速度信息，標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（standard positioning service，SPS）定位精度為米級(jí)，測(cè)速精度在分米級(jí)；精密單點(diǎn)定位是利用用精密星歷和精密鐘差來 實(shí)現(xiàn)精密單機(jī)定位，目前IGS 所提供的精密星歷的精度約為2～5 cm，鐘差精度約為0.1～0.2 ns，可以實(shí)現(xiàn)任意位置分米級(jí)的單點(diǎn)定位，且由于精密單點(diǎn)定位系統(tǒng)無法每時(shí)每刻獲得穩(wěn)定可靠的定位結(jié)果，滿足不了實(shí)時(shí)高精度的定位需求。

偽距差分定位方法是利用偽距及廣播星歷的衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘改正數(shù)來實(shí)現(xiàn)定位的，由于偽距的觀測(cè)噪聲也有幾十厘米，而且廣播星歷的軌道誤差也有幾米，衛(wèi)星鐘差的改正數(shù)精度為幾十納秒，因此浦東單點(diǎn)定位的坐標(biāo)分量精度大約為10 m[3–6]。

載波相位差分測(cè)速方法是對(duì)相鄰歷元間的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行差分，歷元差分后削弱了電離層、對(duì)流層的影響且只需廣播星歷，利用單臺(tái)RTK 接收機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)定位。

載波相位差分由于需要建立固定基站進(jìn)行差分計(jì)算，因此，一般不用于遠(yuǎn)洋船舶航行使用，但智能無人船測(cè)試場(chǎng)一般由于需要進(jìn)行岸基技術(shù)支撐，并在確保安全的前提下，一般在近海范圍內(nèi)進(jìn)行構(gòu)建，所以載波相位差分完全適用于智能無人船的場(chǎng)景構(gòu)建。同時(shí)，基于載波相位差分技術(shù)，可以對(duì)測(cè)試場(chǎng)景內(nèi)，全部陪試物進(jìn)行精確位置、場(chǎng)景態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)。其原理是，基于岸基建立載波相位差分基站，在所有試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)陪試物上安裝載波相位差分接收器，對(duì)各個(gè)陪試物位置進(jìn)行相鄰歷元間的差分計(jì)算，確保試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)所有參試物實(shí)時(shí)定位精度在2 cm 以內(nèi)[7]。

2 智能無人船測(cè)試場(chǎng)景總體架構(gòu)

智能無人船測(cè)試場(chǎng)景一般包括智能/自主航行測(cè)試場(chǎng)景和自主作業(yè)測(cè)試場(chǎng)景兩類。智能/自主航行場(chǎng)景一般包括被試船/艇封閉水域測(cè)試場(chǎng)景，即所有陪試物均為合作目標(biāo)，包括陪試船、保障船、礙航物等試驗(yàn)海域內(nèi)全部信息，根據(jù)智能無人船實(shí)際航行要求，圍繞“智能無人船-障礙物-規(guī)劃路線”三者之間的關(guān)系，構(gòu)建不同的場(chǎng)景集，用于驗(yàn)證智能無人船自主航行效能。通過載波相位差分技術(shù)，可以在岸基建立載波相位差分基站，配備高增益天線，可以覆蓋半徑20 km的試驗(yàn)水域，實(shí)現(xiàn)精度2 cm 的高精度海上定位?；诒辉囍悄軣o人船和陪試船上搭載的船載數(shù)據(jù)采集終端和陪試浮標(biāo)搭載的小型定位裝置，可以構(gòu)建滿足各種復(fù)雜測(cè)試科目設(shè)定下的智能無人船性能測(cè)試、自主航行功能調(diào)試、智能控制算法優(yōu)化需求，為不同種類綜合感知系統(tǒng)、自主航行控制系統(tǒng)及智能無人船自主航行效能等提供測(cè)試驗(yàn)證[8–11]。

2.1 智能無人船測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)成

智能無人船測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建通過建立岸基基站，實(shí)現(xiàn)被試智能無人船、岸基、靜態(tài)陪試浮標(biāo)、動(dòng)態(tài)陪試船只等信息集成[12–13]。

智能無人船測(cè)試場(chǎng)景可以覆蓋智能無人船自主航行系統(tǒng)應(yīng)用的不同場(chǎng)景和真實(shí)環(huán)境，測(cè)試要素如海洋環(huán)境信息、被試智能無人船的感知信息、航行信息、操控信息、陪試船的航行信息、操控信息和陪試礙航物的位置信息等監(jiān)測(cè)信息可以被同步監(jiān)測(cè)，部分要素如陪試船的預(yù)設(shè)航行路線，部分可臨時(shí)布放回收的礙航物以及試驗(yàn)海域的起止點(diǎn)和預(yù)設(shè)航線可重復(fù)設(shè)置或調(diào)整，確保同一場(chǎng)景下可適用于多個(gè)測(cè)試任務(wù)。智能無人船的避碰態(tài)勢(shì)、場(chǎng)景繁多且復(fù)雜，為了保證場(chǎng)景測(cè)試結(jié)果能真實(shí)反映智能無人船的自主避碰能力，每個(gè)場(chǎng)景的設(shè)置都應(yīng)具有明確的測(cè)試目的。測(cè)試場(chǎng)景應(yīng)能夠較為全面地反映被測(cè)對(duì)象的整體性能和特征，能從多個(gè)維度和層面綜合的測(cè)試被測(cè)對(duì)象的能力。標(biāo)準(zhǔn)化避碰場(chǎng)景的構(gòu)建應(yīng)充分測(cè)試出智能無人船涉及避碰的各方面能力包括應(yīng)對(duì)各現(xiàn)實(shí)中常見、突發(fā)事件的能力。場(chǎng)景的構(gòu)建應(yīng)該充分考慮場(chǎng)景構(gòu)建的可行性、成本、效率，設(shè)置的場(chǎng)景不能無法用陪試船和陪試物實(shí)現(xiàn)，也不能消耗太多的陪試物資源導(dǎo)致現(xiàn)有的場(chǎng)景無法構(gòu)建。此外測(cè)試場(chǎng)景應(yīng)該在有限且可接受的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)被試船進(jìn)行較為全面的測(cè)試。每個(gè)場(chǎng)景的設(shè)置都應(yīng)具有明確的測(cè)試目的，不應(yīng)該設(shè)置幾乎無差別的、矛盾的、互為因果的場(chǎng)景，從測(cè)試目的的角度出發(fā)，每個(gè)場(chǎng)景都是相互獨(dú)立的。

2.2 智能無人船自主航行測(cè)試流程及數(shù)據(jù)分析

針對(duì)智能無人船某一效用選取典型測(cè)試場(chǎng)景，基于固定礙航物設(shè)定被試智能無人船航行軌跡后，布放臨時(shí)礙航物并設(shè)置陪試船巡航路徑。確定障礙物最小安全距離，確保智能無人船與障礙物安全。智能無人船啟動(dòng)后，控制各個(gè)陪試船按預(yù)定航線對(duì)被試船進(jìn)行干擾，直至被試船航行至指定位置（終點(diǎn)或終點(diǎn)一定范圍內(nèi)）試驗(yàn)終止。智能無人船按照指定路徑航行期間未與陪試船或礙航物發(fā)生碰撞或進(jìn)入最小安全區(qū)域內(nèi)，則試驗(yàn)成功，否則試驗(yàn)失敗。記錄相關(guān)參數(shù)。

針對(duì)不同類型的智能無人船用戶需求，智能無人船具有不同的功能設(shè)計(jì)，這就要求測(cè)試場(chǎng)景能將被試目標(biāo)智能無人船功能要求解耦冰量化成可供分析的測(cè)試指標(biāo)，并完成相應(yīng)的測(cè)試場(chǎng)景。其中，自主航行可作為智能無人船的共性指標(biāo)，構(gòu)建的智能無人船測(cè)試場(chǎng)景目前主要考核智能無人船的自主循跡與避障能力。需基于載波相位差分技術(shù)實(shí)現(xiàn)被試智能無人船/陪試物的航跡、航向、航速等信息實(shí)時(shí)測(cè)量并同步監(jiān)測(cè)風(fēng)浪流等海洋環(huán)境信息。通過船岸通信系統(tǒng)將以上所有信息傳輸至岸基平臺(tái)匯總。通過分析被試智能無人船的航行時(shí)間T、與各個(gè)障礙物之間的最小距離Dimin、平均拐角θav、與預(yù)設(shè)航跡的最遠(yuǎn)偏離值Dmax和平均偏離值Dav等指標(biāo)，通過加權(quán)分析，可以得到被試智能無人船的綜合評(píng)分。

其中，實(shí)際總的航行距離應(yīng)不超過智能無人船規(guī)劃航路總長(zhǎng)為直徑的半圓長(zhǎng)度，與各個(gè)障礙的最小距離應(yīng)大于最小安全距離，采用的避讓方法滿足《國(guó)際海上人命安全公約》附件2 中國(guó)際海上避碰規(guī)則的要求，礙航物或陪試船出現(xiàn)在必過點(diǎn)時(shí)被試智能無人船的航行策略實(shí)時(shí)判斷完成剩余航程；ki(i=1,2,3,4)是每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，P的值越大，則表示智能無人船自主航行完成的質(zhì)量越高。

3 智能無人船典型測(cè)試場(chǎng)景

3.1 規(guī)劃航路典型測(cè)試場(chǎng)景

選取真實(shí)典型航道進(jìn)行解耦，通過航道多邊形平滑預(yù)處理進(jìn)行邊界條件設(shè)置，包括提取拐點(diǎn)、刪除鋸齒邊、插值和平滑等方法。然后基于平滑的航道多邊形生成三角網(wǎng)并對(duì)三角網(wǎng)中的圖形進(jìn)行過濾和分類，最后基于分類后的圖形設(shè)計(jì)提取航道中心線和海洋真實(shí)航道網(wǎng)提取航道[14–16]。通過陪試浮標(biāo)和陪試船構(gòu)建上述典型測(cè)試場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)智能無人船自主避碰測(cè)試。靜態(tài)礙航物布置于預(yù)定航跡、2 個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)礙航物分別以對(duì)于、追越、交叉等方式不斷在測(cè)試場(chǎng)景內(nèi)航行并干涉預(yù)定航跡，滿足智能無人船復(fù)雜環(huán)境下自主航路規(guī)劃以及自主避障的場(chǎng)景驗(yàn)證。布置圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 多目標(biāo)連續(xù)避障場(chǎng)景（路徑1）Fig.1 The sea trial scenarios based on multi-obstruction for obstacle avoidance test (Path 1)

圖2 多目標(biāo)連續(xù)避障場(chǎng)景（路徑2）Fig.2 The sea trial scenarios based on multi-obstruction for obstacle avoidance test (Path 2)

圖3 狹窄水道航行測(cè)試場(chǎng)景Fig.3 The sea trial scenarios with narrow channel

3.2 狹窄水道典型測(cè)試場(chǎng)景

設(shè)置狹窄水道避障試驗(yàn)主要有以下2 方面考慮：

1）當(dāng)前智能無人船在經(jīng)過典型狹窄航道期間，配備的航海雷達(dá)對(duì)岸線處的虛警濾波處理效果不理想，近岸航行時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多假目標(biāo)信息，嚴(yán)重干擾正常航行決策。設(shè)置狹水道航行科目，可進(jìn)一步驗(yàn)證智能無人船感知系統(tǒng)對(duì)航海雷達(dá)假目標(biāo)的濾波處理能力，以及是否具備狹窄水道自主航行的能力。

2）在智能無人船避碰決策算法中，除對(duì)船艏向進(jìn)行修正外，在必要時(shí)還應(yīng)對(duì)船舶航速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)，在有限范圍內(nèi)即狹窄水道等典型場(chǎng)景下，設(shè)計(jì)需對(duì)航速航向同時(shí)進(jìn)行必要調(diào)整的避碰場(chǎng)景，驗(yàn)證避碰算法在必要時(shí)對(duì)航速進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的決策效果。

設(shè)置如下必過點(diǎn)與陪測(cè)試船出發(fā)點(diǎn)，通過多個(gè)浮標(biāo)構(gòu)建典型狹窄水道，結(jié)合陪試船共同組成狹窄水道自主航行測(cè)試場(chǎng)景。報(bào)驗(yàn)航線規(guī)劃以穿過浮標(biāo)參考位置進(jìn)行同時(shí)避障設(shè)計(jì)，被測(cè)艇自起點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)必過點(diǎn)，向狹水道外的終點(diǎn)航行，陪測(cè)艇在被測(cè)船過點(diǎn)必過點(diǎn)后，與被測(cè)艇構(gòu)成交叉相遇、對(duì)遇，以及追越與被追越航行態(tài)勢(shì)，對(duì)被測(cè)艇正常航行進(jìn)行干擾。

4 結(jié)語

基于載波相位差分技術(shù)構(gòu)建的近海智能無人船自主航行測(cè)試場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試場(chǎng)內(nèi)被試智能無人船、陪試礙航物和陪試船精確定位，有助于智能無人船自主避碰測(cè)試分析。同時(shí)，通過固定式礙航物、臨時(shí)布放回收礙航物以及多條陪試船，可構(gòu)建多種復(fù)雜環(huán)境以及類真實(shí)航道場(chǎng)景下的自主避碰場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)被試智能無人船自主航行系統(tǒng)避碰效能的充分驗(yàn)證。