智能船舶海上试验场建设现状及发展趋势

许凯玮，张海华，颜 开，朱亚洲，刘家瑞

(1. 南方海洋科学与工程广东省实验室（湛江），广东 湛江 524006；2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214081；3. 江苏科技大学，江苏 镇江 212018)

0 引 言

2019年，国际海事组织最近的一项研究表明，到2040年，无人自动航行的船舶将占全球航运业的11%～17%[1]。近年来，我国对智能船舶、无人艇、水下航行器、深远海装备等关键技术的研发和相关产业的发展给予了大量支持，但并未达到预期的效果。其中一个重要的原因是，装备从概念设计到产品定型及产品化，必须经过大量海上试验与测试，占用大量的科研时间和经费，这影响了国家在关键技术突破和产业培育方面的投入效果。建立功能完备、设施齐全、公益性与经济性结合的海上试验环境是英、美等发达国家用以降低本国海洋技术装备试验成本，推动技术突破和产业发展的有效手段。但此类海上试验环境的建设工作在我国尚属起步阶段，相关测试技术、验证方法和评价标准亦未统一且未形成体系。这严重影响了海洋技术装备、智能船舶和海上试验技术从实验室试验走向海上现场实际应用的进程，成为制约我国自主海洋装备产业化发展的瓶颈。目前，建设集装备技术、装备试验、方法研究、成果转化、科学观测等多种功能于一身的科学合理、功能齐全、体系完备、资源共享、军民兼用的海上试验场并建立与之配套的标准检验体系，已成为国家海洋装备科技进步与产业发展的迫切需求，且已在相关各领域内形成了广泛共识。

国家级海上试验场可为海洋科学研究、海上技术装备的研发、测试、评价，智能/无人船舶工程化应用等提供科学有效的试验环境，并可获取长期连续、要素完备的数据资料；可为智能/无人船海上试验验证、海洋技术装备的现场试验和定标检验、海洋环境立体化监测、水下通信和组网试验、水下传感器网络试验以及军民融合技术验证与应用等科学活动提供技术服务平台；可为我国的船舶与海洋工程及其智能化应用达到国际领先水平打下坚实的基础。

但如何构建一个国家级的海上综合性试验场，是一项复杂而浩大的工程，需要做好中长期规划，稳步推进。既要对海上试验场的总体功能进行定位，又要明确其研究方向，和国内外优势单位形成互补与合力。同时，提出具有中国特色符合国情的试验场运维管理模式。因此，急需开展试验场建设的顶层论证和规划设计，并对试验场涉及的一些主要核心功能进行设计。本文将介绍国内外海上试验场的发展现状，为试验场的规划设计、技术研究和能力建设提供顶层框架支持。

1 国外主要海上试验场的发展现状

1.1 挪威Trondheimsfjorden试验场

2016年9月，挪威海事部门同意在特隆赫姆峡湾进行自主船舶及智能航运的测试[2]。Trondheimsfjorden试验场长29 km，宽3.2～24.1 km，是全球首个自主航船试验区。这个项目将开发技术和概念的测试和验证的基础设施和方法。这将确保高水平的安全性和可操作性的验证，并建立自主航运的可信度。自主运输是由通信技术、定位技术、先进的传感技术、机器学习、人工智能和改进的连接性技术（物联网）等关键技术实现。这些技术的验证对未来自主的货物和人员运输至关重要。

图1 特隆赫姆峡湾测试场建设实施计划Fig. 1 Implementation plan for construction of Trondheim fjord test site

Trondheimsfjorden的使命是，促进知识建设、刺激技术发展、推动创新、制定规章制度、测试和验证概念和解决方案等。目前，NTNU，Kongsberg Seatex，Kongsberg Maritime，MARINTEK和Maritime Robotics等高校和公司与特隆赫姆港和挪威海事局合作，开展多项无人驾驶船舶技术的测试。试验场建设将分3个阶段进行[3]，第1阶段2018−2020年（导航及技术支持），主要建设试验场控制中心、GNSS监测站、DGNSS参考站、用于测试的AIS基站、移动宽带无线电（MBR）、VDE卫星终端、数据中心等；第2阶段2020−2022年，布置激光雷达、沿海雷达站、视频监控网络、气象和环境浮标、水下装置等；第3阶段2022年以后，将建设成一个综合性的海上试验场，包括海洋空间中心和海洋实验室。

1.2 芬兰 Jaakonmeri试验场

2017年8月，芬兰埃乌拉约基一个用于自动驾驶船舶和自动驾驶技术测试的试验海域对外开放[4]，该测试场是世界上第1个对外开放的海上无人船自主测试的区域。Jaakonmeri测试场由DIMECC管理和运维，旨在建立一个自动航运交易的共创生态系统。该试验区是125 km2的开放海域，南北跨度为17.85 km，东西跨度为7.1 km，水深在20～60 m，离岸距离约10 n mile，如图2所示。该海域的环境复杂，航道曲折，可以模拟多种复杂场景，对于自主航运技术测试来说是一个很好测试环境。

1.3 比利时智能航行测试区

比利时航道管理局De Vlaamse Waterweg nv在荷兰水运管理局Rijkwaterstad的支持下，面向智能航运、智能船舶发展需求，在比利时北部水网地区开放了测试场[5]。自2018年5月18日起，该测试区域面向公众开放。相关单位可以提出测试申请，以莱茵河航行管委会（Central Commission for the Navigation of the Rhine）制定的船舶智能等级为依据，在统一的规范标准下开展相应测试。

1.4 美国蒙特雷湾海上试验场

美国蒙特雷湾海上试验场[6]是军民共用的试验场，用于海洋装备的试验、观测和采样方法研究、模型试验、海洋科学观测和试验研究。蒙特雷湾位于美国西部加利福尼亚州的太平洋沿岸，海岸岩石堆积，海岸线上森林茂密，湾内潮水澎湃，水深由浅至深，深水区是最大水深达4 000 m的大峡谷，也是美加合作东北太平洋观测系统（“海王星”计划）美国部分的所在海域。多年来，多家研究机构或高校在该试验场开展了科学观测和试验研究。蒙特雷湾位于美国西部加利福尼亚州的太平洋沿岸，在蒙特雷湾开展的海洋科学观测、研究和新装备试验（实验）主要有蒙特雷海洋观测系统（MOOS）、蒙特雷加速研究系统（MARS）、自主海洋采样网（AOSN）、陆地/海洋生物地球化学观测（LOBO）、海洋多学科获取系统（OASIS）等[7]。

图2 芬兰Jaakonmeri海上测试场Fig. 2 Jaakonmeri offshore test site, Finland

1.5 美国密歇根理工大学海洋自主研究基地

美国密歇根理工大学大湖研究中心的定位是支持智能船舶联盟和建立一个自主船舶试验台设施，即海洋自主研究站（MARS）[8]。MARS位于密歇根州，密歇根理工大学主校区30 n mile半径范围内，该区域目前由大学的高精度、实时、全球定位系统（GPS）测量系统提供服务。2018年8月10日，智能船舶联盟（SmartShips Coalition）正式启动，18名成员获得确认。该试验区将限于小型船舶（<10 m），预计重点放在研究和测量船上。这些船舶代表了具有近期商业潜力最大的船舶，比大型船舶风险小得多。

2 国内海上试验场的发展现状

我国在发展大型智能船舶技术过程中，亟需建立相应的测试环境与验证能力。目前国内大多针对小型无人艇，建立海上智能航行能力验证的测试系统，而大型化的智能船舶除了智能航行系统，还有货物管理系统、能源与动力系统智能管理系统、辅机安全运行智能监控系统、全船安全监控系统、振动噪声监控系统、节能环保监控系统以及一体化信息系统等智能系统，对这些智能系统的海上试验验证，国内外均未建立相应的测试技术体系。且多数试验场目标围绕的还是自身船艇产品的研发与验证，而不是公共服务的试验场。

2.1 七六〇海上试验场

七六〇海上试验场是国内建成较早、测试技术和方法都相对成熟的海上试验场，是我国独具特色的舰船目标特征信息中心，科研与装备海上综合试验保障基地。该试验场针对军品开展测试，主要关注辐射噪声、电磁以及流场等舰船作战隐身性能方面的测试，下设海上试验技术中心和试验与鉴定（检测）机构，包括实船噪声检测中心、舰艇回声检测中心和舰艇水下电磁场检测中心，同时还拥有从事目标特性研究与测试的国家级重点实验室。七六〇海上试验场分为海上静态试验场、浅海动态试验场、深海动态试验场等三大主力试验场，提供海区声学、电磁、海杂波及尾流等各项科研测试试验以及环境辅助试验数据信息的获取与处理等。

2.2 珠海万山无人船海上测试场

2018年2月，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）启动建设万山无人船海上测试场[9]。该测试场是亚洲首个无人船海上测试场，并获得了CCS首张测试场服务供应方认可证书。万山无人船海上测试场分2期建设，一期规划21.6 km2的海域作为调试测试场，二期规划750 km2的海域作为性能测试场，岸基测试基地位于小万山岛占地5.7 km2。测试场针对不同的船型建设多维度、多功能、多场景的测试区域，岸基设置测试中心及测试码头等多个功能区可为整个测试海域提供服务，开展无人船单艇自主航行的感知系统、决策系统与控制系统的测试以及多艇协同控制控制能力的试验，为无人艇的研发提供数据支撑。

2.3 日照无人艇测试场

上海交通大学海洋智能装备与系统教育部重点实验室在山东日照建设了一个无人艇测试场，测试场设有海上试验区、岸基指挥站以及数据反演及态势研判终端系统等功能模块，可以为水面、水下各种无人装备的系统样机进行试验及智能功能评估。该测试场可以针对不同吨位及功能的无人艇，分别针对无人艇的自主循迹、自主避障、目标识别跟踪等功能进行考核，主要解决无人艇本身的总体设计、自主控制以及在实际海洋环境下的目标图像识别、环境感知等人工智能算法等问题。

图4 日照无人艇测试场和测试系统示意图Fig. 4 Rizhao unmanned ship test site and test system

2.4 青岛海上综合试验场

青岛海上综合试验场为哈尔滨工程大学规划建设的海上无人装备及系统近浅海综合试验场，包括相应的陆域基地、通海港池试验系统及试验海区。其中，试验场陆上基地总占地140亩，通海港池试验系统的试验海域面积为3.86万平方米、灵山岛海上综合试验区的试验海域面积为20 km2[10]。

2.5 湛江湾实验室智能船舶海上试验场

湛江湾实验室瞄准国家战略和智能化发展需求，依托湛江、面向南海、服务全球，筹建智能船舶海上试验场。海上试验场建设的战略定位是以智能船舶、水面无人船、水下无人航行器、深远海装备等为对象，进行装备智能技术、智能系统、智能功能等的检测、考核、评估；研究并建立各项智能船舶技术试验考核的标准体系；形成我国智能船舶发证管理的技术支撑能力。

同时，围绕国家海洋发展战略，聚焦南海、经略深海。试验场将瞄准深海装备、大型浮式平台、极地装备、水下探测等国家战略需求重点领域和新兴交叉前沿领域，开展基础测试理论、测评技术、海试验证等技术研究。构建“军民一体”、“空海潜一体”的综合试验场。建设成为国内领先、国际一流的智能与无人、深海装备及探测技术试验研究中心与海试信息数据中心，提升我国船舶和海洋装备技术领域核心竞争力，引领和支撑船舶和海洋装备的发展，创新驱动海洋强国建设。

图5 湛江湾实验室智能船舶海上试验场规划Fig. 5 Plan of intelligent ship test area of Zhanjiang Bay laboratory

3 智能船舶海上试验场建设的发展机遇

3.1 响应国家大力发展智能船舶的需要

2018年12月，工业和信息化部、交通运输部、国防科工局联合印发了《智能船舶发展行动计划（2019−2021年）》[11]。明确提出加强智能船舶测试与验证能力建设。充分利用现有条件与基础，突破半物理环境测试、跨域协同测试等技术，建立涵盖智能器件、智能设备、智能系统以及整船的多层级综合测试验证平台，建设满足多场景实船测试要求的水上综合试验场，构建虚实结合、岸海一体的综合测试与验证能力，打造智能船舶试验、验证、评估、检验的服务体系。

3.2 维护海洋权益、建设世界一流海军的需求

近年来，我国海上权益屡遭侵犯，海洋维权形势严峻。海上试验场将为无人巡航艇、近岛礁超大型浮式保障平台、深远海装备等海洋维权技术装备提供研发及试验平台，也可以为海军装备、军事海洋环境仪器设备提供试验、测试及研发等技术支撑。

3.3 深远海开发与探测装备高质量发展的需要

当前“深海、极地、外空、互联网”已经成为各国政治和经济博弈的新疆域。在各国竞相进军新型战略空间且竞争多于合作的严峻形势下，争夺深海与极地领域的战略制高点是实现“海洋强国”的重要基石。世界海洋90%面积的海域水深超过1 000 m，当前人类认识与开发深海尚处于初级阶段，未来深海安全保障、原位科学研究、资源掌控的水平与地位取决于深海探测和作业能力。深海装备则是支撑任务的脊梁。

建立强大海洋装备测试体系，是实现国家海洋强国战略的重要途径。智能船舶海上试验场将为我国的海洋装备配套产品提供一系列行之有效的测试体系和测试方法，形成有中国特色的久经考验的海上全系统综合测试平台，为深远海开发与探测装备提供海试验证、技术支撑与试验保障。

4 智能船舶海上试验场建设技术趋势

4.1 理想试验场海域选择

虽然中国的海域面积宽广，但选择一处理想的试验场海域需要充分考虑各方面因素。首先需要满足国家海洋规划、避开海洋生态红线区（如海洋自然保护区、重要渔业海域等）；其次，海域条件优越，如气象水文条件较好，水深、面积符合测试需求以及基础的离岸通信保障等；最后，通航情况较好，来往船舶较少，或者来往船只不会对海上试验场的设备进行破坏。海上试验场的选址问题需要进行充分的调查、勘测和论证工作，这也是限制国内海上试验场的建设规模、服务领域、功能定位的重要因素。我国目前的几个海上试验场主要是我国海军和相关涉海科研院所等机构为进行仪器设备检验所选择的某一试验海区。这些试验场区均为浅海场区，没有深海试验场区，且功能定位单一，与发达国家的综合海上试验场存在较大的差距。

4.2 试验海域测试场景构建与环境重构

海上测试不同于水池模型试验和数值模拟试验，需要通过前期的海底地形地貌勘测，实时监测获取真实的海洋环境（包括风浪流、气象等参数），并通过布设浮标、碍航物、目标船等动静态环境要素模拟实际船舶的通航环境，从而实现对被试船舶的智能功能、智能性能的测试。实际海域多物理量场景的构建是一个复杂的系统工程，将对智能船舶的性能测试产生较大影响。能否模拟并构建真实的通航环境，掌握测试场所处海洋环境变化特性和干扰特性，结合虚实融合技术对航行测试场景进行复现和重构，实现虚实融合的测试与验证评估，将直接影响测试结果的可信度[12]。

4.3 测评指标体系与标准规范制定

针对不同的测试对象、不同的功能目标，需要最大程度地对目标性能进行参数化解耦、量化形成可对比分析的测试指标，并有针对性的进行测试科目设置，制定科学的测试流程[12]。通过大量的测试与验证分析，构建形成不同测试对象、测试指标的评估体系，指导制定相应的标准与规范。

4.4 协同通信与时钟同步

海上试验场涉及到海、陆、空、水下等多域协同问题，智能船舶测试涉及船船通信、船岸通信，如何保证将试验场海洋环境、通航环境要素、被试船舶的状态等多场景参数的测试实现时钟同步、信息协同，将是海上试验场建设和测试能力构建的关键问题。

4.5 海上测试过程安全保障

纵观国内外相关海上试验场的测试现状以及我国测试场当前的技术水平，海上测试相应的综合保障能力、管理水平、管理经验等都还不足。2019年在七五〇试验场和七六〇试验场举行的2次无人艇竞赛中，在实际的海上或湖上测试过程中，极易出现通信电磁干扰、无关船舶干扰、设备故障、漂浮渔网等各种问题。这中间除了智能船艇自身抗干扰能力不足、系统及设备缺少试验验证、系统可靠性和稳定性差等问题以外，也暴露出了试验场的建设水平、管理能力、保障措施等基本能力的不足。

4.6 试验场的创新运营模式

我国智能船的技术发展尚处于初级阶段，航运船舶的智能化或无人化还受国际公约、法规等的限制，亟需海上试验场及试验验证平台，为智能设备、智能系统和智能技术提供试验验证和应用平台。而一个设施完整的海上试验场应包括岸基保障基地、码头、海域等场地资源，有条件的试验场还将配套建设试验保障船，以及相应的岸基、水面、水下测试设备与保障装备，需要的投资与每年的维护成本较高。如何创新运维管理模式，通过拓展试验场的测试服务对象，发挥试验场基础技术支撑作用，联合行业科研优势单位，共同开展智能船舶、海洋装备、测试技术等科研攻关，成为我国相关装备的工程化应用的桥梁和纽带，将是海上试验场运维管理的重要课题。

5 结 语

一个国家海洋装备技术与产品的先进水平，与重视试验验证的技术手段和基础设施建设的程度成正相关。总体来说，目前国外的海上试验场都是集科学观测、技术装备试验、方法研究、标准制定等多功能于一身的综合性试验场，其发展趋势多是由单一功能向多功能且为大型系统和装备提供试验条件发展、向深远海和海底发展。而国内海上试验场共同的特点是建设规模相对较小、服务领域较窄、设备和功能比较单一、场址相对分散、共享程度低，而且大部分海洋试验场缺乏业务化运行的能力，与国外海上试验场差距较大。国家级智能船舶海上试验场将极大程度地解决我国智能船舶、深远海装备在海上试验的迫切需求，为智能船舶及海上装备技术的研发、测试、评价等提供科学有效的试验环境与条件，对提升我国智能船舶、深远海装备和海洋科学研究水平，实现海洋强国和科技兴海战略具有重要意义。