船舶智能航行測試國際標準現狀及發展趨勢

中國船舶工業綜合技術經濟研究院 馮書桓 石 瑤

目前，智能船舶的發展正處在轉折點和重要機遇期。一方面，隨著自主船舶、自主避碰、自動靠離泊、船舶能效管理系統等典型船舶智能設備系統日趨成熟，零排放自主航行集裝箱船“Yara Birkeland”輪首航、自主航行渡輪“FALCO”輪開展系統測試，智能船舶技術發展邁上了一個嶄新高度。另一方面，智能船舶領域國際規則日益完善，IMO自主船舶試航暫行導則在MSC 101次會上發布，IMO MASS法規監管范圍界定（MASS Regulatory Scoping Exercise）工作在MSC 103次會上完成，ISO 23860“自主船舶系統相關術語”標準即將以TS（technical specification，技術規范）形式發布……相關技術發展和國際規則的完善為智能船舶進一步開展實船功能性測試，推動經濟性與可靠性評估，探索商業應用場景等帶來機遇。然而，當前各主要國際標準化組織尚未發布智能船舶測試場建設、測試流程和要求等方面的針對性標準，僅有部分指南提供了較為概括的描述性要求，各方組織開展船舶智能航行測試、進行設備系統參數的比較和評估仍存在一定障礙。

船舶智能航行測試技術框架

1、測試對象

船舶智能航行功能測試與驗證涉及不同層級、不同領域的軟件和硬件的檢驗，但總體上測試對象可歸納為性能、能效、信息和智能四大主要類別。性能是船舶在智能設備系統的控制下，浮性、穩性、快速性、操縱性、耐波性等各類常規船舶通用評價指標的表現。能效即船舶通過智能能效管理系統，在外界風、浪、流等環境影響下通過主動的船舶姿態調節、主機工況管理、航速調節等手段提升船舶經濟效能和環保指標的能力。信息是船舶實現智能航行的基礎，覆蓋采集、存儲、傳輸、分析等各個環節，其全面性、可靠性、準確性、快速性、安全性、穩定性等是船舶智能航行測試的重要內容。智能是智能船舶的核心要素，具體體現在自主航行、自主避碰、自動靠離泊等典型應用場景下船舶智能設備系統體現出的環境態勢感知、分析決策和操控等功能。

2、測試方法

圍繞上述四類船舶智能航行測試對象，結合相關安全性和經濟性考慮，目前國內外相關企業和科研機構開發和采用了包括虛擬仿真、模型測試和實船測試的船舶智能航行測試驗證體系。其中，虛擬仿真是運用數字孿生技術模擬物理環境，在前期對智能船舶相關決策和控制理論、算法和程序進行測試，發現錯誤和問題、縮短周期、降低成本、提高效率。模型測試是指在智能船舶設計建造中期將等比例縮小的船舶模型及障礙物置于測試水池中，在風、浪、流等外部條件作用下進行航行試驗，獲取相關數據并進行調試，以降低風險、成本和開展實船試驗在組織協調方面的難度。實船試驗是船舶智能航行的最終測試階段，承擔船舶可靠性、安全性和各實際場景下所有功能的實際檢驗，是最終獲得認證的必經程序。

3、技術框架

如圖1所示，測試與驗證工作貫穿于智能船舶及相關設備系統技術研發和生產的全過程。從船舶智能航行規則符合性驗證(verification)與用戶需求確認（validation）的要求出發，需要首先搭建相應驗證場景，隨后結合功能設計到實際應用的不同環節，選擇虛擬仿真、模型測試和實船測試或虛實融合的方式開展相關設備、系統和整船的功能性和安全性驗證。

圖1 智能船舶航行測試對設計研發工作的支撐

虛實融合是當前開展船舶智能航行測試的典型技術方案。圖2展示了荷蘭eMIR測試平臺（eMaritime Integrated Reference Platform）的技術框架。受測試的智能船舶設備或系統與一個多態交互界面連接，測試驗證平臺的虛擬部分與傳感器仿真模塊、環境仿真模塊等高級模塊相連。在實船模塊中，測試場提供諸如各類傳感器、船舶交通服務系統（VTS）、測試船舶等基礎設施，同時信息通過有線和無線網絡在相關設備系統中傳輸，實現互聯互通。

圖2 船舶智能航行測試技術框架（荷蘭eMIR測試平臺）

船舶智能航行測試國際標準

1、標準需求分析

從船舶智能航行測試的技術框架出發，可知其測試對象聚焦智能船舶的性能、能效、信息和智能化水平，測試方法包括虛擬仿真、模型試驗和實船測試，在實際操作中則涉及測試場景設計、外部環境及相關服務系統模擬、測試場建設、模塊間信息聯通、虛實融合測試方法的協調配合等諸多因素，由此可研判出船舶智能航行測試標準需求如下：

（1）船舶智能航行測試技術要求，聚焦智能航行測試總體技術框架，包括測試的目的、原則、方法、架構、報告格式，以及虛擬仿真、模型試驗和實船測試三種典型方法的選擇及其相互間協調配合關系。

（2）船舶智能航行測試環境建設要求，針對模型測試水池及實船測試場，圍繞選址、設備系統布設、風浪流涌等外部環境模擬、船舶及障礙物模型的制作和布置等提出相應技術要求。

（3） 智能船舶測試性能要求，即針對船舶在智能設備系統的控制下，浮性、穩性、快速性、操縱性、耐波性等各類常規船舶通用評價指標的測試場景設計以及技術指標要求。

（4）智能船舶測試能效要求，即針對船舶在船舶能效管理系統控制下的能效表現提出測試場景設計以及技術指標要求。

（5） 智能航行典型場景功能測試要求，即針對船舶自主航行、自動靠離泊、自主避碰、遠程遙控等典型智能功能提出的測試場景設計和技術指標要求。

（6）船舶智能航行測試信息聯通要求，包括針對船載網絡設備系統之間，以及船舶與各測試模塊之間數據接口和傳輸的技術要求，如數據傳輸頻率、存儲方式、連接方式、帶寬要求等。

2、國際標準現狀梳理

目前，針對智能船舶及其配套設備的國際標準主要集中在國際標準化組織船舶與海洋技術委員會“智能航運”工作組（ISO/TC 8/WG 10）和國際電工委員會海上導航和無線電通信設備及系統技術委員會（IEC/TC 80）。但標準涉及領域主要覆蓋智能船舶船載網絡、通信數據、術語等前沿技術以及雷達等單體電子通導設備的性能表現。隨著IMO《自主水面船舶暫行導則》的出臺，近年來智能船舶測試逐漸成為業界關注的焦點，但各方專門針對智能航行測試制定的標準較少，現有標準也不足以支撐當前技術和規則背景下船舶智能航行測試工作的開展?，F有船舶智能航行測試領域國際標準梳理如下：

（1）IALA—電子航海（e-navigation）測試場的規劃與信息報告導則

國際航標協會（IALA）于2016年發布的《電子航海(e-navigation)測試場的規劃與信息報告導則》是當前各國開展智能船舶測試場建設的重要參考。導則共分為4部分，其中第四章“測試場的規劃”中針對測試場建設需要考慮的因素、測試場設計、船舶智能航行試驗與試驗結果分析分別提出了原則性要求，第五章和附錄中則分別給出了智能船舶測試結果的報告要求及相關模板?？傮w上，考慮到該文件發布時間較早，內容較為概括和簡略，距離相關企業和科研機構開展船舶智能航行測試驗證工作的實際需求仍有一定差距。

（2）智能船舶性能測試要求相關標準

智能船舶性能測試相關標準對應船舶在智能設備系統控制下的穩性、浮性、快速性等常規性能，相關標準主要由國際標準化組織船舶與海洋技術委員會（ISO/TC 8）的船舶設計委員會制定，由于其與常規船舶要求類似，故不再贅述。值得注意的是，相關技術要求在船級社規范中也有較多體現。

與常規船舶相比，智能船舶的特性主要體現在其船上電子設備系統，ISO 17894“海事應用中的可編程電子系統的開發與應用”對其做了較為詳盡的規定。該標準為海事系統中應用的電子程序提出了20條開發原則，包括風險評估、系統冗余度、信息傳輸的及時性和準確性等，用以確保相關電子設備系統的安全性和可靠性。該標準是依托IEC 61508“電氣/電子/可編程電子安全系統的功能安全”標準，結合海事工業的特點修訂而來，在船舶智能航行測試中具有重要意義。

（3）船舶智能航行測試信息聯通相關標準

目前，國際標準化組織針對船載網絡及相關數據傳輸已經制定了若干標準，但尚無專門針對船舶智能航行測試場的網絡布設和數據傳輸相關的標準。

針對船載網絡和數據傳輸，目前日本通過其國內的“智能船舶應用平臺”（Smart Ship Application Platform，簡稱SSAP）系列項目，在ISO/TC 8/WG 10內發布了ISO 16425《船舶與海洋技術 船載設備和系統通信網絡布設指南》、ISO 19847《船舶與海洋技術 用于現場數據共享的船舶數據服務器》和ISO 19848《船舶與海洋技術 船載機械設備的標準數據》等一系列國際標準。其中，ISO 19847對船端數據服務器的功能要求和性能標準做出了定義；ISO 19848對數據服務器的數據源，包括船載傳感器的識別碼格式、通用數據模型和數據格式等給出了要求。這兩項國際標準構成了“ShipDC”架構下船端數據管理和核心，目前在國際上擁有較強影響力。此外，ISO/TC 8/WG 10內目前還在開發ISO/WD 23807《船舶與海洋技術 船岸數據通信一般要求》標準。上述標準均將對智能船舶的技術研發和測試驗證工作提供參考。

未來發展趨勢

通過對比船舶智能測試國際標準需求與現狀，能夠發現針對船舶智能航行測試總體技術要求、能效要求、虛實融合的測試場建設及相關系統環境模塊的模擬、智能航行典型場景的功能測試要求，以及船舶及測試場中各設備和系統之間的信息聯通等方面存在明顯的標準缺項。

隨著各國針對船舶智能航行測試的投入力度日益加大，以及相關工程項目的持續推進，近年來有關智能船舶測試的學術論文、技術文件和交流研討數量和質量都顯著提升?？梢灶A見，隨著各國技術方案日趨成熟，工程實踐經驗不斷豐富，針對船舶智能航行測試的國際標準將逐漸成為下一步各方爭奪的焦點。

一直以來，船海領域的國際標準化活動始終以國際海事立法、市場需求和技術進步為三大驅動因素。船舶智能航行測試作為智能船舶發展中的重要環節，在當前IMO出臺相關法規作為依據，技術不斷發展的背景下，各方對于國際標準的需求愈發凸顯，開展國際標準制定工作的條件也日趨成熟。

我國通過船舶智能航行相關科研項目的開展，也圍繞沿海船舶智能航行測試需求、測試場建設、環境感知、自主航行、遠程遙控等重點領域形成了一定的技術積累。針對船舶智能航行國際標準化工作，建議國內相關單位：

（1） 積極參與IALA、ISO/TC 8等智能船舶及測試領域重點國際組織活動，拓展專家資源，持續關注國際標準項目進展，及時提出意見建議，反饋我國技術立場，在適當時機主動提出國際標準提案建議；

（2）加快科技成果轉化，結合我國工程實踐經驗和標準國際化需求，尋求設計、建造、運營和檢驗等不同領域的單位協同聯動，主動研究、策劃提出國際標準需求；

（3）繼續加快船舶智能航行測試技術研發、產品應用和實踐案例總結，在國際上培育技術、產品和服務同盟，積極推動智能船舶和智能航運產業生態的構建，為我國產業發展和參與國際規則制定提供支持。

我國首艘雙燃料多用途氣體運輸船“宏利”輪交付

2020年12月10日，由中國船級社(CCS)廣州分社執行檢驗的我國首艘液化天然氣(LNG)雙燃料多用途氣體運輸船“宏利”輪在中船黃埔文沖船舶有限公司順利交付，拓展了新能源動力船型。該輪是中船黃埔文沖船舶有限公司為西南海運有限公司建造的第1艘9500方多用途氣體運輸船，是在華南地區LNG雙燃料多用途氣體運輸船建造領域的重大開拓。該輪能夠承擔液化天然氣(LNG)、液化乙烯(LEG)和液化石油氣(LPG)等多種液化氣體的運輸?！昂昀陛喛傞L119.6米，型寬19.80米，型深11.30米，由上海船舶研究設計院設計，采用C型獨立液貨罐型式，配有貨艙罐2個和甲板罐2個，載貨量達9500m3，可載運最低溫度-163℃，最大蒸氣壓力0.53MPa的液化氣體貨物。