船舶智能航行测试场景生成方法.pdf
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1、第45卷第2 1 期2023年1 1 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.21Nov.,2023船舶智能航行测试场景生成方法滕其卯1 2 36,刘佳仑2.3,杨帆1 2.3.6,陈然1.2.3.6,关宏旭4.5(1.武汉理工大学交通与物流工程学院,湖北武汉430 0 6 3;2.武汉理工大学智能交通系统研究中心,湖北武汉430 0 6 3;3.武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心,湖北武汉430 0 6 3;4.武汉理工大学航运学院,湖北武汉430 0 6 3;5.武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室,湖北武汉430 0 6 3;6.南方
2、海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东珠海51 9 0 8 2)摘要:基于场景的虚拟测试技术对船舶智能化、自主化发展起着关键作用,相比于真实航行测试成本高、危险系数大、可重复性差等缺陷,它的试验场景配置灵活,效率高,可重复性强,安全性高,成本低,能够为船舶的自主化、智能化提供必要的技术支持。面向船舶虚拟测试场景生成领域,梳理国内外场景研究现状,明确船舶虚拟测试场景定义,解析测试场景关键要素,构建虚拟测试场景基本架构;根据船舶测试要素的来源对测试场景要素进行划分,阐述一系列场景生成关键技术。最后根据采集数据进行特征提取,提出一种船舶智能航行场景生成方法。该方法使得虚拟测试变得更加安全、高效、覆
3、盖面更广,是一种可靠的船舶场景生成方法。关键词:智能船舶;虚拟测试;场景生成中图分类号:U661.73文章编号:1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 1-0 0 9 3-0 4Research on generation method of intelligent navigation test scenarios for shipsTENG Qi-ao 23,IU Jja-lun,YANG Fan23,CHEN Ran 23,GUAN ong-xu*-(1.School of Transportation and Logistics Engineering,Wuhan Unive
4、rsity of Technology,Wuhan,430063;2.Intelligent Transporta-tion Systems Research Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;3.National Engineering Research Center Wa-ter Transport Safety,Wuhan 430063,China;4.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;5.Hubei
5、Provincial Key Laboratory of Inland Shipping Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;6.China and Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory(Zhuhai),Zhuhai 519000,China)Abstract:Virtual test based on scenario plays a key role in the development of ship intellige
6、nce and autonomy.Com-pared with the defects of navigation test,such as high cost,high risk factor and low repeatability,its test scenario configura-tion is flexible,high efficiency,strong repeatability,high safety,and low cost,which can provide necessary technical sup-port for ship autonomy and inte
7、lligence.For the field of ship virtual test scene generation,the research status at home andabroad is reported,the definition of ship virtual test scene is defined,the key elements of test scene are analyzed,and the ba-sic framework of virtual test scene is constructed.According to the source of shi
8、p test elements,the test scene elements aredivided.Expounding a series of key technologies for scene generation,and finally feature extraction is carried out accordingto the collected data and proposing a method for generating intelligent ship navigation scenes.This method makes virtualtesting safer
9、,more efficient,and has wider coverage.It is a reliable method of Ship scene generation.Key words:intelligent ships;virtual test;scenario generation0引言船舶智能航行测试验证从智能、安全、性能、能效等多方面推进自主航行研究,保证船舶自主航行安全性、可靠性,是推动智能船舶技术更新迭代不可或缺的手段。由于实船测试验证和模型船测试验证提供收稿日期:2 0 2 2-0 8 1 0;修回日期:2 0 2 2-0 9-2 8基金项目:南方海洋科学与工程广东省实
10、验室(珠海)资助项目(SML2021SP101)国家自然科学基金资助项目(52 2 7 2 42 5)作者简介:滕其卯(1 9 9 9 一),男,硕士研究生,研究方向为智能船舶测试场景解析生成。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.21.017测试场景有限,容易受限于测试模型或船型,实船测试过程中可能存在安全隐患,另一方面测试可重复性较差,对于研究船舶智能航行有一定影响。相比之下,虚拟测试能够提供丰富的测试场景,多种测试船型,可以安全高效进行反复测试。虚拟测试技术因其突出的优势,已经成为各行业测试阶段必不或缺的手94段。当前船舶智能航行研究已经进入发
11、展的关键时期,智能船舶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(测有无)、验证(验对错)与评估(评好坏),以检验其各项功能的合理性、可靠性和完整性。船舶智能测试过程中会遇到各种各样的场景,作为船舶智能航行测试的关键部分,场景生成可以通过获取船舶的通航环境和自然条件要素,分析智能船舶驾驶的测试场景需求,从而高精度准确生成智能船舶虚拟测试环境。场景生成是使场景尽可能地重现真实交通中自然驾驶场景、存在危险隐患的场景、事故场景等,场景生成为船舶智能航行虚拟测试提供了必要的测试条件1-3。结合当前研究状况,考虑船舶智能航行测试的需求,急需构建以安全关键场景为驱动的虚拟仿真测试,能够保障测试安全
12、、提高测试的可重复性和可比较性,从而减少测试时间,降低经济成本,大幅度提高测试效率。要想对船舶智能航行效果进行测试,需要先将其置于一个特定的测试场景下完成虚拟测试,构建船舶智能航行虚拟测试场景刻不容缓。另一方面智能船舶测试场景模型急需定义一个统一的仿真测试场景标准,航行场景库与测试场景标准需以分层结构组织,以统一文件格式序列化,通过仿真工具与编辑器验证、导入、编辑、导出,建立统一的数据格式与接口。针对如何构建船舶智能驾驶系统的安全性测试需求设计场景运行域,实现测试场景的自解析、自重构、自生成,定向构建高容错率、高需求度的安全关键场景,解决真实环境随机性强、模式重复度高、边界场景覆盖性差等导致的
13、测试长尾效应,在有限次数测试中最大化覆盖测试场景,是当前虚拟测试的核心问题之一 4-7 。1船舶智能航行虚拟测试场景1.1虚拟测试场景定义测试场景是船舶智能航行虚拟测试开展的关键,测试场景的普适性定义和通用性结构框架是船舶智能航行测试研究的基础。然而在船舶领域目前尚未形成统一的测试场景定义,相关的研究目前也没有深人进行,函须确立统一的智能船舶虚拟测试场景定义,为船舶智能航行测试验证提供基础。面向船舶智能航行虚拟测试的需求,考虑船舶智能航行测试的具体参与者,定义船舶智能航行场景是对系统的使用方式、使用要求、使用环境的描述。一个船舶智能航行测试场景需优先明确被测船舶环境属性,包含被测船舶基本要素、
14、通航环境要素、自然环境要素、具体航行任务等。用于船舶智能航行系统测试的“场景”包括数字李生船舶要素与其周围航道环境要素在一段时间内的总体动态描述,这些要素组成由所期望测试的船舶智能航行系统功能决定。1.2虚拟测试场景架构明确虚拟测试场景架构对于测试场景的构建拆分舰船科学技术以及测试要素的分类都具有重要的意义,在自动驾驶领域,许多学者开展了大量的研究。Ulbrich等 8 针对场景的术语一致性定义需求,分析了面向自动驾驶及测试的“scene”、“s i t u a t i o n”和“scenario”的相关研究、属性及异同点,三者的具体关系如图1 所示,场景描述多个情景之间的时间发展,每个场景
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