智能船舶航行系统测试的方法与体系 附智能船舶航行功能测试验证的方法体系(综述).docx
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1、智能船削I航行系统冽试的方法与体系时智能册舶航行功能测试验证的方法体系(综述)摘要:如何时智能助的航行系统诳行测试,是世界各国及相关国际祖班在智能船舶发展过程中面临的一个重大挑战。在机器学习(MaChine1.earning.M1.)、人工智能(Artificia1.inte1.1.igence.AI)等技术大盘脚川的背景下,传统的导航系统测试方法已难以疗效置孟智能航行技术的新特征.本文在概述与分析了智能船船航行系统的功能特征和测试掰求基础上,总结了现有智能系统测试方法的优决点,提出了智能船的航行系统测试思路和方法,并构建了一种以场景为中心,多种测试方法协同的智能船船航行系统测试体系,行在提高
2、系统研发测试效率,促进智能船舶产业发展.关堆字:智能船舶;肮行系统;人工智能;测试场景;测试体系智能船舶航行系统测试的方法与体系O1.智能船舶航行系统的测试研究现状与技术发展均势1.1.智能船舶肮行系统测试研究现状如“上试场2012年欧盟开展了以海运郁船无人驾驶为目标的vMUNIN(MritimeUnmannedNavigat1.onthrough1.nte1.1.igence1.Networks)J目研究,提出了无人驾驶技术的新慨念和梅架,并对这的概念和框架进行了关键场景卜的测试1,之后,世界上的主要航运强国和造船大国纷纷认识到在其实的海况下开展测试对干确保系统功能以及保证未来智能船舶的安全
3、性与可靠性至关曳要,陆续建立了各自的海上测试场.挪威是世界上最早成立海上测试场的国家,总共建立.了特隆赫姆(TrOndheimSfJOrden)、在尔然(Horten)、斯图尔映沏Storfjorden)三个测试场,大体位置分布如图1所示.其中2016年9J1.建立的特隆衲姆测试场是世界上公开报道的第一个测试场.芬兰于2017年8月建立了第一个面向全球企业、研究机构等组织开放的Jaakonmeri测试场,提供强大的数据连接眼芬和冬季冰雪场景下的测试机会,比利时于2018年5月开放了法兰使斯(FIandeA2姿”仅0不网通盘艇aM位内一向中心船鲁台,食一内,衲2好HOn3Kq岸的M粒岸网的角收J
4、MIaei构软舄4;“瓶假FIt(0(211一*号11号祭,鱼信等“曲1启)、,皮f1.9.4MJnttAH4tFtt三*i.rtMK.M1.JTttffTff.ifk.三*A.ARW.3MiHH547场卜展南春unhe,Iteut力H11山,力”能京东人员*6MiKftt不只均及下浮法Ui1况以及Utt.MitX三1.*行敷*的R?nettHttit岸“星由信冷n代条。纥次件多.网*ttHtMtt.H4ftbi1.HtrMWW-Itm(IV72年D1.k*ESKM)ffr)1.jr三*HHW.通过表1总结的基本测试需求.我们可以看出,对干智能肮行系统的目标检测和识别、航行风险评估、避障路径规
5、划和决策等主要功鲍,需要在足膨多的不同场景下进行充分测试.这样才能提高测试结果的议信度。03智能船舶航行系统的测试方法从测试任务和测试环境两个方面分析智能系统现有的测试技术与方法的优缺点,结合智能后轮航行系统的功能特征、测试需求及技术发展趋势.提出相应的智能始加航行系统测试思路与方法。3.1 面向测试任务的测试方法对智能船的航行系统的刈试任务如何设定通常有两种形式:按照功能测试和按照场景刈试.功能测试的除含假i殳是,如果系统通过某种功能的一次或几次测试,那么,以后衢要使用该功能时也可以顺利执行,针对传统船舶的导航设备或系统的性能测试,可以理解是一种按瓶功能的测试方法,一般是由国际电工委员(In
6、ternationa1.E1.ectrotechn1.caicommIssIon.IEC)分别制定相应的测试技术标准,例如IEC62388T船载雷达-性能要求、测试方法和要求的测试结果、EC61174-电了海图显示与信息系统-性能要求、刈试方法和要求的测试结果3等标准,在这些标准中提供了几种典型的测氐用例,用来保证设备或系统的性能与安全。但是,在机涔学习、A1.等技术大量应用于智能航行系统的目标检测与识别、谿径规划与决策等功能实现的背景下,单纯基于功能的测试评价方法存在较大漏洞.与以往可以相对轻松地预测传统机械和电气系统(或常规程序软件)的确定性行为相反,在闺中算法不仅仅是代码.而是“代码+训
7、练数据“,基于A1.的整个算法本J贞就是一个非确定性的系统,单纯携于功能的测试手段己难自饮抱而智能航行系统与技术的新特征,基于场景的智能船加航行系统溯试方法.将航行系统视为“黑盒通过观刈测试场景与航行系统之间的交互情况.可以从第三方的角度来客观评估测试对象的行为能力.根据彳智能铅的规范3中对智能肮行的定义,我们认识到智能航行的本质就是智能船帕通过与动态航行环境之间不断交互,取终安全、高效完成航行任务的过程,在本文中,测试场景可以理斛为检测和验证智能明船航行行为能力的一系列要素的组合.但是,基于场景测试的方法也存在测试场景如何定义、如何完全覆盅等雄点.基于功能的测试方法与基于场景的测试方法疔各自
8、的优缺点,jf不是矛盾对立的.因此,从测试任务角.度,木文提出功能和场景相结合的智能船帕航行系统测试思路和方法,在功能测试中可以采用不同场景进行测试,在不同场景中也Ur以测试与粉证单项功能,我们可以将复杂的航行系统功能分解为感知、决策及执行等子功能或更低层次的元功旎,对这些单一的功能或确定性功能,使用基于功能的测试方法;在对多个单一功能进行综合集成形成复杂功能或使用了不确定性A1.技术实现功能时,可以考虑狭于场景的测试方法,3.2 面向测试环境的测试方法从船舶、航行环境的虚实性来看.可招船舶航行系统测试方法分为仿真测试、铁拟零测试、测试场受控测试、开放水域测试四大类,如我2所示.表2泅试方法比
9、较测试方法种类船航行环境仿*测试虚拟虚拟模拟器测试部分虚拟虚拟测试场受控测试真实部分受控开放水域测试真实真实仍比测试包括模型在环、软件在环等测H形式,,般用在研发的早中期阶段测试能法和验证代码,只能提供技术有效性的评价结果,无法评价用户层面的相关性能(如主观接受程度、可用性、可控性等).模拟器测试也可以算成仿典测试中的一种,但是它的集成度更高是软件在环、硬件在环及人在环测试的一种结合.模拟器测试-彼处在研发的中期阶段,适合人机交互功能测试,例如操作人员接管自主航行船的控制权时,操作人M与航行系统之间的交互。测试场受控场地测试是真实的船舶,在口实受控水域环境卜开展测试(例如与陪浏船艇测试各种典型
10、工况下航行系统的避碰功能),一般处在研发阶段的后期,主要是面响整个系统的验证测试.最高层次是开放水域测试,它是真实的船舶与我实航行环境发生1机交互,因此评价的结果圾为准确,但是成本最高、耗时以长,适合于验证统计指标.总体而言,评价结果的有效性随着口实无本的增多而提高.从测试环境角度看,综合考虑6种测试方法的优缺点,本文认为需要通过结合仿式测试、模拟渊测试、海上测试场受控测试及开放水域刈试等众多维度来测试评价智能铅伯航行系统.贯穿整个研发周期.进而提高系统刈试结果的置信程度。【探述】智能船舶砒行功能测试验证的方法体系智能船舶航行技术发展的核心在于构建从辅助决策到自主驾控的完整软硬件系统.实现人工
11、驾驶到智能驾驶的演化,而核心技术的突候与软硬件系统的研发离不开完善的刈试验证体系和健全的规范标准.对目前国内外智能船加测试场现状进行综述,对以性能、健效、信息、/能为对象的哲能船舶航行功旎测试构想进行解析.最终提出以虚拟仿真为初试、模型测试为中试和实船5金证为终试的智能船舶航行功能测试聆证方法体系.。引言智能船舶是传统船舶工业与新兴科学技术的集成做合体,智能船加从概念设计到实际运营需经过功能性和系统性的逐步测试及验证,以检验其各项功能的合理性、可辨性和完整性.因此,智能婚船功能刈试与验证技术的研发及测试验证体系的构建,是保障智能铅的从理论走向现实的电要因素,而哲能船舶航行功能是智能船的最为取要
12、的功能,智能船舶航行功能测试与脸证方法体系应用虚拟仿真、模型测试、实船脸证3个部分组成.本文将以性能、能效、信忠、智能4大类功能为测试对软,通过初试、中试、终试3个阶段对智能船舲软硬件系统进行全方位、多工况的测试验证,为智能朋的的设计、优化、制造、检脸与运营提供技术支持与评价依据,1智能船的航行功能测试脸证现状自2012年起国内外船船蒯域的企业、高校、科研院所对货运朋伯的智能化、自主化、无人化发展的关注度持续提高口-2卜2018年海上安全委员会(M$C)在第99届会议上提出了海事自主水面船的柢念与定了明确了发展自主式货物运输船3卜针对智能船舶技术研发与实践应用的需求,各国在智能船削I航行的测试
13、验证方面积极开展研究,主要体现在测试场的建设方面,而在具体测试与验证技术方法和体系方面仍有欠缺.尚未形成系统化的测试规程与标准。与其他智能/无人系统(如智能网联汽车)的测试骁证方法研究相比(46),存在明显的滞后。博威已于2016年9月、2017年S月和2018年10月相维开启Trondheimsfjorden.Storfjorden和Horten3个测试场,主要也以康斯伯格和摄成科技大学等掘成企业与而校为主开展有关建设工作,并得到了摞成海任等相关政府部IJ的支持,芬兰于2017年设置了JaakOnmeri测试场.英国面向尺度在25m以内的无人船艇在本国沿海设置C多个测试区域.美国在大湖区面为
14、尺度在IOm以内的无人船艇设置广冽试区.2018年9月,荷兰在管辖的主要航道内也设置了测试场.2018年5月,比利时在内河主要航段启用了智能船舶测试区。荔于本国测试场建设的经芬兰、搏威和韩国分别于第99届和第100届MSC会议上提出了海事力主水面船测试相关提案(8-10).面向智能航运、智能船船发屣需求.比利时航道管理局在荷兰水运管埋局的支持下,在比利时北部水网地区开放了测试场,自2018年5月1811起,该测试区域面向公众开放,主要面向内河船舶开展泅试。相关单位可以以莱茵河航行管委会制定的智能船舶等级为依据(图1),提出冽试中请.在统一的规范标准下开展测试.目前,相关测试质证的标准及技术细节
15、尚未对外公布.图1架D河航行管委会提出的内河船的智能等级划分2018年2月,中国阴级社(CCS),武汉理工大学、珠海云洲智能科技有限公司在珠海巾政府支持下,共同启动了珠海万山无人船海上测试场建设,并于2018年11月30日投入运营,目前测试场是由CCS认证的全琼最大、亚洲首个、中国唯一的智能船海上测试场,可面向军用、民用智能船(艇)开展自主感知、自主避隙、远程控制、协同控制等自主船舶核心功能测试.2017年6月.智您航海研发基地项目维约仪式在百岛蓝谷管理局举行.基培将建设5大板块:智慧航海技术笠备研发中心、智意航海技术装备综合试脸场、智慈航海技术袋备产业化中心、无人化运输船舶管控中心和“水运中
16、心”卫星地面站”1。2018年5月,中国智卷航运发展研讨会在青岛举行,由交通运输部水运科学院和智慧航海(百岛)科技有限公司共同也设的智能航运技术创新和粽合实物基地在百岛正式启动.2智能铅船航行功能测试验证对象2015年12月111,CeS在中国国际海事会展期间正式发布了智能船舶规范乳该规范综合考虑了当施智能船船的应用现状和未来智能船舶的发展方向,介绍了智能船船包括智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台6大功能模块.并对每个模块进行了具体说明,其已于2016年3月1日正式生效12”本文就智能航行功能展开论述。智能船舶航行功能测试与脂证涉及不同层级、不同领域软件和硬
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