智能船舶海上試驗場建設現狀及發展趨勢

許凱瑋，張海華，顏 開，朱亞洲，劉家瑞

(1. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東 湛江 524006；2. 中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214081；3. 江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212018)

0 引 言

2019年，國際海事組織最近的一項研究表明，到2040年，無人自動航行的船舶將占全球航運業的11%～17%[1]。近年來，我國對智能船舶、無人艇、水下航行器、深遠海裝備等關鍵技術的研發和相關產業的發展給予了大量支持，但并未達到預期的效果。其中一個重要的原因是，裝備從概念設計到產品定型及產品化，必須經過大量海上試驗與測試，占用大量的科研時間和經費，這影響了國家在關鍵技術突破和產業培育方面的投入效果。建立功能完備、設施齊全、公益性與經濟性結合的海上試驗環境是英、美等發達國家用以降低本國海洋技術裝備試驗成本，推動技術突破和產業發展的有效手段。但此類海上試驗環境的建設工作在我國尚屬起步階段，相關測試技術、驗證方法和評價標準亦未統一且未形成體系。這嚴重影響了海洋技術裝備、智能船舶和海上試驗技術從實驗室試驗走向海上現場實際應用的進程，成為制約我國自主海洋裝備產業化發展的瓶頸。目前，建設集裝備技術、裝備試驗、方法研究、成果轉化、科學觀測等多種功能于一身的科學合理、功能齊全、體系完備、資源共享、軍民兼用的海上試驗場并建立與之配套的標準檢驗體系，已成為國家海洋裝備科技進步與產業發展的迫切需求，且已在相關各領域內形成了廣泛共識。

國家級海上試驗場可為海洋科學研究、海上技術裝備的研發、測試、評價，智能/無人船舶工程化應用等提供科學有效的試驗環境，并可獲取長期連續、要素完備的數據資料；可為智能/無人船海上試驗驗證、海洋技術裝備的現場試驗和定標檢驗、海洋環境立體化監測、水下通信和組網試驗、水下傳感器網絡試驗以及軍民融合技術驗證與應用等科學活動提供技術服務平臺；可為我國的船舶與海洋工程及其智能化應用達到國際領先水平打下堅實的基礎。

但如何構建一個國家級的海上綜合性試驗場，是一項復雜而浩大的工程，需要做好中長期規劃，穩步推進。既要對海上試驗場的總體功能進行定位，又要明確其研究方向，和國內外優勢單位形成互補與合力。同時，提出具有中國特色符合國情的試驗場運維管理模式。因此，急需開展試驗場建設的頂層論證和規劃設計，并對試驗場涉及的一些主要核心功能進行設計。本文將介紹國內外海上試驗場的發展現狀，為試驗場的規劃設計、技術研究和能力建設提供頂層框架支持。

1 國外主要海上試驗場的發展現狀

1.1 挪威Trondheimsfjorden試驗場

2016年9月，挪威海事部門同意在特隆赫姆峽灣進行自主船舶及智能航運的測試[2]。Trondheimsfjorden試驗場長29 km，寬3.2～24.1 km，是全球首個自主航船試驗區。這個項目將開發技術和概念的測試和驗證的基礎設施和方法。這將確保高水平的安全性和可操作性的驗證，并建立自主航運的可信度。自主運輸是由通信技術、定位技術、先進的傳感技術、機器學習、人工智能和改進的連接性技術（物聯網）等關鍵技術實現。這些技術的驗證對未來自主的貨物和人員運輸至關重要。

圖1 特隆赫姆峽灣測試場建設實施計劃Fig. 1 Implementation plan for construction of Trondheim fjord test site

Trondheimsfjorden的使命是，促進知識建設、刺激技術發展、推動創新、制定規章制度、測試和驗證概念和解決方案等。目前，NTNU，Kongsberg Seatex，Kongsberg Maritime，MARINTEK和Maritime Robotics等高校和公司與特隆赫姆港和挪威海事局合作，開展多項無人駕駛船舶技術的測試。試驗場建設將分3個階段進行[3]，第1階段2018?2020年（導航及技術支持），主要建設試驗場控制中心、GNSS監測站、DGNSS參考站、用于測試的AIS基站、移動寬帶無線電（MBR）、VDE衛星終端、數據中心等；第2階段2020?2022年，布置激光雷達、沿海雷達站、視頻監控網絡、氣象和環境浮標、水下裝置等；第3階段2022年以后，將建設成一個綜合性的海上試驗場，包括海洋空間中心和海洋實驗室。

1.2 芬蘭 Jaakonmeri試驗場

2017年8月，芬蘭埃烏拉約基一個用于自動駕駛船舶和自動駕駛技術測試的試驗海域對外開放[4]，該測試場是世界上第1個對外開放的海上無人船自主測試的區域。Jaakonmeri測試場由DIMECC管理和運維，旨在建立一個自動航運交易的共創生態系統。該試驗區是125 km2的開放海域，南北跨度為17.85 km，東西跨度為7.1 km，水深在20～60 m，離岸距離約10 n mile，如圖2所示。該海域的環境復雜，航道曲折，可以模擬多種復雜場景，對于自主航運技術測試來說是一個很好測試環境。

1.3 比利時智能航行測試區

比利時航道管理局De Vlaamse Waterweg nv在荷蘭水運管理局Rijkwaterstad的支持下，面向智能航運、智能船舶發展需求，在比利時北部水網地區開放了測試場[5]。自2018年5月18日起，該測試區域面向公眾開放。相關單位可以提出測試申請，以萊茵河航行管委會（Central Commission for the Navigation of the Rhine）制定的船舶智能等級為依據，在統一的規范標準下開展相應測試。

1.4 美國蒙特雷灣海上試驗場

美國蒙特雷灣海上試驗場[6]是軍民共用的試驗場，用于海洋裝備的試驗、觀測和采樣方法研究、模型試驗、海洋科學觀測和試驗研究。蒙特雷灣位于美國西部加利福尼亞州的太平洋沿岸，海岸巖石堆積，海岸線上森林茂密，灣內潮水澎湃，水深由淺至深，深水區是最大水深達4 000 m的大峽谷，也是美加合作東北太平洋觀測系統（“海王星”計劃）美國部分的所在海域。多年來，多家研究機構或高校在該試驗場開展了科學觀測和試驗研究。蒙特雷灣位于美國西部加利福尼亞州的太平洋沿岸，在蒙特雷灣開展的海洋科學觀測、研究和新裝備試驗（實驗）主要有蒙特雷海洋觀測系統（MOOS）、蒙特雷加速研究系統（MARS）、自主海洋采樣網（AOSN）、陸地/海洋生物地球化學觀測（LOBO）、海洋多學科獲取系統（OASIS）等[7]。

圖2 芬蘭Jaakonmeri海上測試場Fig. 2 Jaakonmeri offshore test site, Finland

1.5 美國密歇根理工大學海洋自主研究基地

美國密歇根理工大學大湖研究中心的定位是支持智能船舶聯盟和建立一個自主船舶試驗臺設施，即海洋自主研究站（MARS）[8]。MARS位于密歇根州，密歇根理工大學主校區30 n mile半徑范圍內，該區域目前由大學的高精度、實時、全球定位系統（GPS）測量系統提供服務。2018年8月10日，智能船舶聯盟（SmartShips Coalition）正式啟動，18名成員獲得確認。該試驗區將限于小型船舶（<10 m），預計重點放在研究和測量船上。這些船舶代表了具有近期商業潛力最大的船舶，比大型船舶風險小得多。

2 國內海上試驗場的發展現狀

我國在發展大型智能船舶技術過程中，亟需建立相應的測試環境與驗證能力。目前國內大多針對小型無人艇，建立海上智能航行能力驗證的測試系統，而大型化的智能船舶除了智能航行系統，還有貨物管理系統、能源與動力系統智能管理系統、輔機安全運行智能監控系統、全船安全監控系統、振動噪聲監控系統、節能環保監控系統以及一體化信息系統等智能系統，對這些智能系統的海上試驗驗證，國內外均未建立相應的測試技術體系。且多數試驗場目標圍繞的還是自身船艇產品的研發與驗證，而不是公共服務的試驗場。

2.1 七六〇海上試驗場

七六〇海上試驗場是國內建成較早、測試技術和方法都相對成熟的海上試驗場，是我國獨具特色的艦船目標特征信息中心，科研與裝備海上綜合試驗保障基地。該試驗場針對軍品開展測試，主要關注輻射噪聲、電磁以及流場等艦船作戰隱身性能方面的測試，下設海上試驗技術中心和試驗與鑒定（檢測）機構，包括實船噪聲檢測中心、艦艇回聲檢測中心和艦艇水下電磁場檢測中心，同時還擁有從事目標特性研究與測試的國家級重點實驗室。七六〇海上試驗場分為海上靜態試驗場、淺海動態試驗場、深海動態試驗場等三大主力試驗場，提供海區聲學、電磁、海雜波及尾流等各項科研測試試驗以及環境輔助試驗數據信息的獲取與處理等。

2.2 珠海萬山無人船海上測試場

2018年2月，南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海）啟動建設萬山無人船海上測試場[9]。該測試場是亞洲首個無人船海上測試場，并獲得了CCS首張測試場服務供應方認可證書。萬山無人船海上測試場分2期建設，一期規劃21.6 km2的海域作為調試測試場，二期規劃750 km2的海域作為性能測試場，岸基測試基地位于小萬山島占地5.7 km2。測試場針對不同的船型建設多維度、多功能、多場景的測試區域，岸基設置測試中心及測試碼頭等多個功能區可為整個測試海域提供服務，開展無人船單艇自主航行的感知系統、決策系統與控制系統的測試以及多艇協同控制控制能力的試驗，為無人艇的研發提供數據支撐。

2.3 日照無人艇測試場

上海交通大學海洋智能裝備與系統教育部重點實驗室在山東日照建設了一個無人艇測試場，測試場設有海上試驗區、岸基指揮站以及數據反演及態勢研判終端系統等功能模塊，可以為水面、水下各種無人裝備的系統樣機進行試驗及智能功能評估。該測試場可以針對不同噸位及功能的無人艇，分別針對無人艇的自主循跡、自主避障、目標識別跟蹤等功能進行考核，主要解決無人艇本身的總體設計、自主控制以及在實際海洋環境下的目標圖像識別、環境感知等人工智能算法等問題。

圖4 日照無人艇測試場和測試系統示意圖Fig. 4 Rizhao unmanned ship test site and test system

2.4 青島海上綜合試驗場

青島海上綜合試驗場為哈爾濱工程大學規劃建設的海上無人裝備及系統近淺海綜合試驗場，包括相應的陸域基地、通海港池試驗系統及試驗海區。其中，試驗場陸上基地總占地140畝，通海港池試驗系統的試驗海域面積為3.86萬平方米、靈山島海上綜合試驗區的試驗海域面積為20 km2[10]。

2.5 湛江灣實驗室智能船舶海上試驗場

湛江灣實驗室瞄準國家戰略和智能化發展需求，依托湛江、面向南海、服務全球，籌建智能船舶海上試驗場。海上試驗場建設的戰略定位是以智能船舶、水面無人船、水下無人航行器、深遠海裝備等為對象，進行裝備智能技術、智能系統、智能功能等的檢測、考核、評估；研究并建立各項智能船舶技術試驗考核的標準體系；形成我國智能船舶發證管理的技術支撐能力。

同時，圍繞國家海洋發展戰略，聚焦南海、經略深海。試驗場將瞄準深海裝備、大型浮式平臺、極地裝備、水下探測等國家戰略需求重點領域和新興交叉前沿領域，開展基礎測試理論、測評技術、海試驗證等技術研究。構建“軍民一體”、“空海潛一體”的綜合試驗場。建設成為國內領先、國際一流的智能與無人、深海裝備及探測技術試驗研究中心與海試信息數據中心，提升我國船舶和海洋裝備技術領域核心競爭力，引領和支撐船舶和海洋裝備的發展，創新驅動海洋強國建設。

圖5 湛江灣實驗室智能船舶海上試驗場規劃Fig. 5 Plan of intelligent ship test area of Zhanjiang Bay laboratory

3 智能船舶海上試驗場建設的發展機遇

3.1 響應國家大力發展智能船舶的需要

2018年12月，工業和信息化部、交通運輸部、國防科工局聯合印發了《智能船舶發展行動計劃（2019?2021年）》[11]。明確提出加強智能船舶測試與驗證能力建設。充分利用現有條件與基礎，突破半物理環境測試、跨域協同測試等技術，建立涵蓋智能器件、智能設備、智能系統以及整船的多層級綜合測試驗證平臺，建設滿足多場景實船測試要求的水上綜合試驗場，構建虛實結合、岸海一體的綜合測試與驗證能力，打造智能船舶試驗、驗證、評估、檢驗的服務體系。

3.2 維護海洋權益、建設世界一流海軍的需求

近年來，我國海上權益屢遭侵犯，海洋維權形勢嚴峻。海上試驗場將為無人巡航艇、近島礁超大型浮式保障平臺、深遠海裝備等海洋維權技術裝備提供研發及試驗平臺，也可以為海軍裝備、軍事海洋環境儀器設備提供試驗、測試及研發等技術支撐。

3.3 深遠海開發與探測裝備高質量發展的需要

當前“深海、極地、外空、互聯網”已經成為各國政治和經濟博弈的新疆域。在各國競相進軍新型戰略空間且競爭多于合作的嚴峻形勢下，爭奪深海與極地領域的戰略制高點是實現“海洋強國”的重要基石。世界海洋90%面積的海域水深超過1 000 m，當前人類認識與開發深海尚處于初級階段，未來深海安全保障、原位科學研究、資源掌控的水平與地位取決于深海探測和作業能力。深海裝備則是支撐任務的脊梁。

建立強大海洋裝備測試體系，是實現國家海洋強國戰略的重要途徑。智能船舶海上試驗場將為我國的海洋裝備配套產品提供一系列行之有效的測試體系和測試方法，形成有中國特色的久經考驗的海上全系統綜合測試平臺，為深遠海開發與探測裝備提供海試驗證、技術支撐與試驗保障。

4 智能船舶海上試驗場建設技術趨勢

4.1 理想試驗場海域選擇

雖然中國的海域面積寬廣，但選擇一處理想的試驗場海域需要充分考慮各方面因素。首先需要滿足國家海洋規劃、避開海洋生態紅線區（如海洋自然保護區、重要漁業海域等）；其次，海域條件優越，如氣象水文條件較好，水深、面積符合測試需求以及基礎的離岸通信保障等；最后，通航情況較好，來往船舶較少，或者來往船只不會對海上試驗場的設備進行破壞。海上試驗場的選址問題需要進行充分的調查、勘測和論證工作，這也是限制國內海上試驗場的建設規模、服務領域、功能定位的重要因素。我國目前的幾個海上試驗場主要是我國海軍和相關涉海科研院所等機構為進行儀器設備檢驗所選擇的某一試驗海區。這些試驗場區均為淺海場區，沒有深海試驗場區，且功能定位單一，與發達國家的綜合海上試驗場存在較大的差距。

4.2 試驗海域測試場景構建與環境重構

海上測試不同于水池模型試驗和數值模擬試驗，需要通過前期的海底地形地貌勘測，實時監測獲取真實的海洋環境（包括風浪流、氣象等參數），并通過布設浮標、礙航物、目標船等動靜態環境要素模擬實際船舶的通航環境，從而實現對被試船舶的智能功能、智能性能的測試。實際海域多物理量場景的構建是一個復雜的系統工程，將對智能船舶的性能測試產生較大影響。能否模擬并構建真實的通航環境，掌握測試場所處海洋環境變化特性和干擾特性，結合虛實融合技術對航行測試場景進行復現和重構，實現虛實融合的測試與驗證評估，將直接影響測試結果的可信度[12]。

4.3 測評指標體系與標準規范制定

針對不同的測試對象、不同的功能目標，需要最大程度地對目標性能進行參數化解耦、量化形成可對比分析的測試指標，并有針對性的進行測試科目設置，制定科學的測試流程[12]。通過大量的測試與驗證分析，構建形成不同測試對象、測試指標的評估體系，指導制定相應的標準與規范。

4.4 協同通信與時鐘同步

海上試驗場涉及到海、陸、空、水下等多域協同問題，智能船舶測試涉及船船通信、船岸通信，如何保證將試驗場海洋環境、通航環境要素、被試船舶的狀態等多場景參數的測試實現時鐘同步、信息協同，將是海上試驗場建設和測試能力構建的關鍵問題。

4.5 海上測試過程安全保障

縱觀國內外相關海上試驗場的測試現狀以及我國測試場當前的技術水平，海上測試相應的綜合保障能力、管理水平、管理經驗等都還不足。2019年在七五〇試驗場和七六〇試驗場舉行的2次無人艇競賽中，在實際的海上或湖上測試過程中，極易出現通信電磁干擾、無關船舶干擾、設備故障、漂浮漁網等各種問題。這中間除了智能船艇自身抗干擾能力不足、系統及設備缺少試驗驗證、系統可靠性和穩定性差等問題以外，也暴露出了試驗場的建設水平、管理能力、保障措施等基本能力的不足。

4.6 試驗場的創新運營模式

我國智能船的技術發展尚處于初級階段，航運船舶的智能化或無人化還受國際公約、法規等的限制，亟需海上試驗場及試驗驗證平臺，為智能設備、智能系統和智能技術提供試驗驗證和應用平臺。而一個設施完整的海上試驗場應包括岸基保障基地、碼頭、海域等場地資源，有條件的試驗場還將配套建設試驗保障船，以及相應的岸基、水面、水下測試設備與保障裝備，需要的投資與每年的維護成本較高。如何創新運維管理模式，通過拓展試驗場的測試服務對象，發揮試驗場基礎技術支撐作用，聯合行業科研優勢單位，共同開展智能船舶、海洋裝備、測試技術等科研攻關，成為我國相關裝備的工程化應用的橋梁和紐帶，將是海上試驗場運維管理的重要課題。

5 結 語

一個國家海洋裝備技術與產品的先進水平，與重視試驗驗證的技術手段和基礎設施建設的程度成正相關。總體來說，目前國外的海上試驗場都是集科學觀測、技術裝備試驗、方法研究、標準制定等多功能于一身的綜合性試驗場，其發展趨勢多是由單一功能向多功能且為大型系統和裝備提供試驗條件發展、向深遠海和海底發展。而國內海上試驗場共同的特點是建設規模相對較小、服務領域較窄、設備和功能比較單一、場址相對分散、共享程度低，而且大部分海洋試驗場缺乏業務化運行的能力，與國外海上試驗場差距較大。國家級智能船舶海上試驗場將極大程度地解決我國智能船舶、深遠海裝備在海上試驗的迫切需求，為智能船舶及海上裝備技術的研發、測試、評價等提供科學有效的試驗環境與條件，對提升我國智能船舶、深遠海裝備和海洋科學研究水平，實現海洋強國和科技興海戰略具有重要意義。