团 体 标 准
T/CSNAME 154—2025
沿海内河船舶智能航行系统虚实融合测试
方法
Virtual-real fusion testing method for intelligent navigation system of coastal and
inland waterway vessels
2025-12-31 发布 2026-03-31 实施
中国造船工程学会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国造船工程学会船舶标准化专业委员会提出。
本文件由中国造船工程学会归口。
本文件起草单位：武汉理工大学、湖北东湖实验室、上海交通大学、中国船级社、山东省青岛船舶技术服务中心。
本文件主要起草人：刘佳仑、马吉林、孙宁、刘东豪、欧阳子路、汤敏、朱晓卉、杨帆、王翌铭、赵岩、赵轩、董胜节、律建辉、王鸿东、李诗杰、胡欣珏、王腾飞、关宏旭、吕雅琼、张松、宋荣鑫。
沿海内河船舶智能航行系统虚实融合测试方法
1 范围
本文件规定了沿海内河船舶智能航行系统的虚实融合测试方法的测试基本要求与框架，以及测试流程与要求等内容。
本文件适用于沿海及内河航行船舶所搭载的智能航行系统的虚实融合测试验证。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 10113-2003 分类与编码通用术语
3 术语和定义
GB/T 10113-2003界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
沿海内河船舶 coastal and inland waterway vessels
主要在沿海水域和内河(如江河、湖泊等)航行，通常用于货物运输、旅客运输、工程作业等的船舶。
3.2
被测系统 the evaluated system
由软件、硬件、模型或其组合构成，采用虚实融合测试方法，接受测试与评价的对象。
3.3
虚实融合测试 virtual-real fusion testing
通过真实物理设备与虚拟仿真环境交互，验证系统性能、可靠性和安全性的测试方法，包含全数字仿真测试、实景注入仿真测试、物理耦合仿真测试等方法。
3.4
全数字仿真测试 fully digital simulation testing
基于仿真的船舶运动数学模型和航行测试场景，验证沿海内河智能航行系统功能完备性与算法逻辑正确性的测试方法。
3.5
实景注入仿真测试 real scenario injection simulation testing
基于仿真的船舶运动数学模型，并注入真实的航道数据以构建航行测试场景，对沿海内河智能航行系统进行测试，从而验证被测系统与真实环境数据的交互与融合能力，评估其在逼近现实场景中的功能适应性、决策合理性和行为合规性。
3.6
物理耦合仿真测试 physical coupling simulation testing
基于物理真实的缩比模型船，并在仿真或注入真实航道数据构建的航行测试场景下，对沿海内河智能航行系统进行测试，以验证被测系统在控制指令、物理响应、环境扰动全要素闭环下的动态运行能力、稳定性和可靠性。
3.7
模型 model
实体、现象或过程系统的数学或逻辑表示。
3.8
协同仿真 co-simulation
一种仿真技术，不同子模型的计算彼此独立执行，仅在离散时间点交换输出值。
4 缩略语
下列缩略语适用于本文件：
AIS：船舶自动识别系统(Automatic Identification System)
FMI：功能模型接口(Functional Mockup Interface)
HIL：硬件在环(Hardware-in-the-Loop)
LiDAR：激光雷达(Light Detection and Ranging)
SCADA：数据采集与监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition)
SIL：软件在环(Software-in-the-Loop)
5 测试目的
利用物理测试资源，结合虚拟仿真技术，构建虚实融合测试环境，针对智能航行系统核心功能与性能进行验证与评估，为实船测试与系统认证提供依据。
6 测试对象
应用于沿海、内河船舶的智能航行系统， 即由环境感知、通信导航、智能决策、路径规划、运动控制等子系统集成而成的综合系统，以及有虚实融合测试需求的系统功能模块。
7 测试体系架构
7.1 体系架构图
智能航行系统虚实融合测试体系架构如图1所示。
图1 虚实融合测试体系架构
7.2 硬件层
7.2.1 通用硬件要求
应配备满足仿真测试基本需求的计算与显示资源，如个人计算机、工作站、云计算服务器及显示设备等，构成测试环境的基础支撑平台。
7.2.2 专用硬件要求
针对不同层级的测试需求，专用硬件配置应满足要求如下：
a) 全数字仿真测试，主要依托上述通用计算平台运行全数字模型，通常无需额外专用硬件;
b) 实景注入仿真测试，需增配实时仿真机、上位机(含被测系统与操作台)、交换机等专用设备。所开发的模型可在主机仿真环境中进行离线非实时仿真，并通过相应通信协议实现模型的编译、下载、节点分配、仿真运行与停止等控制操作;
c) 物理耦合仿真测试，需增配备缩比模型陪试船、传感器、数据采集器、网络通信设备(如以太网及无线通信装置)、专用计算机及可视化设备等。其中， 缩比模型陪试船作为测试的核心载
体，能大幅度还原实尺度船舶的运动特征和性能，降低测试的风险与成本，并为实船测试与系统认证提供依据。
7.3 软件层
7.3.1 虚拟模型库
虚拟模型库中需满足以下要求：
a) 模型广度，应覆盖散货船、集装箱船、油轮等沿海内河主流船型的船舶操纵运动数学模型;
b) 模型精度，应至少具备三自由度的船舶操纵运动数学模型，能够支持船舶运动状态的准确解算，反应真实船舶的动力学特性。
7.3.2 虚拟场景库
虚拟场景库应具备构建高保真沿海、内河航行环境的能力， 以支持智能航行系统的测试验证，具体要求如下：
a) 环境要素，应能具备沿海、内河船舶航行环境的典型气象与水文条件的模拟能力。沿海场景应包含波浪、风、洋流等要素;内河场景应体现风、岸壁效应、浅水效应等要素;
b) 通航要素，应能模拟复杂的通航环境，包括桥梁、码头、岸线、浮标、弯曲航道等静态要素，以及密集船舶交通流等动态要素，其中密集船舶交通流量至少满足每 6 海里半径内的船舶≥
20 艘;
c) 导航要素，应能模拟电子海图、AIS 信号等关键导航信息。
7.3.3 虚拟测试管理系统
对虚拟测试过程进行管理和控制，包括测试用例的创建、执行、结果记录等功能。
7.4 工具与环境层
包含了虚实融合测试需求的具体专业建模与仿真软件，能够按照特定流程进行模型构建、虚拟试验流程搭建、数据分析及优化等，具体如下：
a) 对于单一功能模块的虚拟测试，支持智能航行系统各核心功能模块(如感知、决策、规划、控制)的算法模型导入、独立仿真与性能评估;
b) 对于系统级的集成仿真测试，支持多模块间的信息交互与协同仿真，实现从感知融合到运动控制的闭环测试;
c) 对于接入半物理环境的虚实融合测试，建模与仿真工具能够支持船舶运动、水面环境等高保真模型在实时仿真机中的部署与调度;
d) 对于数字孪生环境，仿真平台能够满足测试场景的可视化渲染、虚实数据实时同步与交互的需求。
7.5 接口层
虚实融合测试的接口层需根据不同的测试需求和系统特性进行定义，确保仿真环境、物理设备与智能航行系统之间的可靠互联与数据交互。接口类型应包括但不限于以下三类：
a) 硬件接口，应具备连接实时仿真平台与物理硬件的能力，确保控制指令与传感器数据能准确、低延迟地双向传输。接口须明确硬件连接方式、通信协议及数据格式，满足高实时性要求;
b) 软件接口，应具备连接仿真平台、被测系统及第三方仿真软件的能力， 支持不同软件组件间的数据实时交互。接口设计宜遵循 FMI 等国际标准，规范软件模块间的通信机制、数据格式与调用方法，保证模块的互操作性;
c) 模型接口，应支持船舶、环境等仿真模型的参数化配置、动态加载以及与硬件、软件间的数据交互。为支撑分布式联合仿真， 系统接口应兼容 DIS/HLA 等标准协议，且端到端的通信延迟应不大于 50 ms，以确保仿真系统的时空一致性。
7.6 平台层
智能航行系统虚实融合测试平台应具备完整的测试管理、仿真执行、数据分析与系统集成能力， 具体要求如下：
a) 测试管理功能，平台应集成测试用例设计、执行监控与结果评估工具。测试用例设计工具应提供图形化界面，支持多种测试场景的快速构建;测试执行工具应能实时监控系统状态与参数，并记录全过程数据;评估工具应能对测试结果进行自动分析并生成报告;
b) 仿真核心能力，平台应支持集成高保真船舶与环境模型，具备 FMI 标准兼容性，并能够实现多模型联合仿真与多船协同测试。平台宜具备三维航道建模与场景可视化能力;
c) 实时性与性能，平台数据通信应满足低延迟要求，确保仿真系统的实时性，关键数据的更新频率不低于 10 Hz。
8 测试流程
8.1 测试流程图
虚实融合测试流程如图2所示。
图2 虚实融合测试流程图
8.2 明确测试目标
确认智能航行系统各项设计功能的正确实现，并评估其在全工况条件下的综合性能表现。
8.3 测试前准备
测试实施前应完成系统联调与准备工作，具体要求如下：
a) 模型及场景构建：
1) 构建船舶操纵运动数学模型，其运动轨迹预报误差应不大于 20%;
2) 构建仿真航行测试场景，应至少包含对真实水文环境、航道数据、风浪流、岸线的时空特征模拟，同时须包含不同船型的运动轨迹，模拟典型两船或多船的交互逻辑。沿海场景需重点模拟动态风浪流，内河场景需模拟周期性水位变化与岸线效应;
3) 构建真实的航行测试场景，注入真实航道数据，包括 AIS 数据、雷达数据、CCTV 视频流等数据，注入真实的传感器信息、岸线等环境信息。
b) 系统对接验证：
1) 时空基准统一，所有子系统应采用 UTC 时间同步，坐标系统一为 WGS-84;
2) 接口测试，完成至少 24 小时的连续通信压力测试，丢包率小于 0.1%;
3) 数据一致性校验，虚拟与物理系统的初始状态参数偏差应小于 10%。
c) 测试前检查：
1) 核查传感器校准证书(有效期内的检定报告);
2) 虚拟系统需通过 3 次以上全工况预演测试;
3) 物理系统完成后勤保障检查;
4) 建立完备的应急预案(包括系统故障处置流程);
5) 可信度验证，仿真模型需通过验证与确认，测试误差不大于目标误差 10%(与物理基准对比)，验证方法包括测试用例验证、工况覆盖率分析、接口测试、回归测试和性能测试等。
8.4 工况参数输入
根据试验工况，在虚实融合测试平台中输入相应的工况参数，包括试验类型、模型选择、场景参数等。
8.5 全数字仿真测试
全数字仿真测试具体步骤如下：
a) 系统与环境初始化，导入预设的船舶运动数学模型与虚拟航行场景数据，启动智能航行系统，检查系统自检、模块加载与数据接收是否正常，确保初始连接无误;
b) 基本功能与性能测试，在简单场景下，验证系统的基本航行功能，如路径跟踪精度、航速保持、航向稳定性等，确认其核心控制逻辑运行正常，并验证系统的核心性能指标，包括但不限于：测试感知模块对虚拟障碍物的识别距离与精度、评估决策规划模块的实时性、测量系统在路径跟踪任务中的控制误差;
c) 智能决策测试，在场景中设置虚拟的静态障碍物和动态障碍物，验证系统的障碍物识别、碰撞危险判断及自主避碰决策路径规划的合理性与有效性;
d) 复杂场景压力与性能测试，在包含密集交通流、复杂会遇局面的仿真场景， 验证系统在多目标环境下决策的实时性、协调性、行为的合规性，并复核在压力工况下路径跟踪误差、决策延迟等性能指标是否仍满足要求。
8.6 实景注入仿真测试
实景注入仿真测试具体步骤如下：
a) 真实数据接入与系统校验，导入预设的船舶运动数学模型与真实航行场景数据，启动智能航行系统，检查系统接口通信状态，验证其对真实数据的接收、解析与融合能力;
b) 虚实交互与功能测试，在注入真实数据的场景中运行智能航行系统，测试其基于真实航道、交通态势和气象条件进行感知、决策与控制的能力，重点评估系统在真实不确定性下的路径跟踪误差、决策规划实时性，以及感知精度在复杂真实数据下的表现;
c) 决策一致性比对与分析，将系统在注入真实数据的场景中的输出结果(如规划路径、避碰动作、控制指令)与预期行为、历史合规数据或专家经验进行比对， 分析其决策过程的合理性与行为
的安全性，同时，量化分析在真实数据驱动下，系统各项性能指标(如规划实时性、跟踪误差)与全数字仿真阶段的差异及原因。
8.7 物理耦合仿真测试
物理耦合仿真测试具体步骤如下：
a) 物理系统集成与闭环检查，将被测系统与缩比模型船及其导航、控制系统连接， 验证从指令下发到船体运动，再到传感器数据回传的整个闭环的实时性与稳定性，并初步测量控制指令的响应延迟;
b) 动态工况测试，在试验水域中，通过被测系统控制模型船执行航向改变、避让、循迹等典型机动，测试系统在真实物理动力学响应、通信延迟和环境扰动下的路径跟踪误差、控制响应延迟及感知系统的实测精度，全面评估其控制性能与系统鲁棒性;
c) 长时间连续运行测试，进行持续数小时以上的测试，验证系统在连续作业条件下的稳定性、可靠性、控制响应延迟、路径跟踪误差等关键性能指标是否保持稳定， 以及对设备性能退化的耐受能力。
8.8 测试结果评估
8.8.1 功能符合性评估
针对全数字仿真、实景注入仿真、物理耦合仿真三个测试阶段， 分别检查其环境感知与融合、智能避碰决策、路径规划与跟踪、自主靠离泊等核心功能是否按预期工作。
8.8.2 工况覆盖性评估
工况覆盖率η用于衡量测试的完备性，验证是否覆盖了预期的各种航行场景，计算见公式(1)。
η = ················································································ (1)
式中：
NF ——已完成的虚实融合测试工况数;
Np——计划的总测试工况数。
8.8.3 性能符合性评估
将测试中测得的感知距离与精度、决策规划实时性、路径跟踪误差、控制响应延迟等关键性能指标测试结果VT 与设计阈值VS 进行比对，测试精度P计算见公式(2)。
P = 1 __ ········································································ (2)
式中：
Vs——关键性能指标设计阈值;
VT ——关键性能指标测试结果。
8.8.4 测试结果有效性条件
虚实融合测试通过条件可根据任务需求在前期指定，建议包含但不限于以下条件：
a) 所有关键功能测试用例必须 100%通过，非关键功能的未通过项需有明确说明并经评审接受;
b) 工况覆盖率应达到预定目标(如 98%以上)，确保测试充分性;
c) 关键性能指标的测试结果偏差应在设计最大阈值范围内，且偏差不大于 2%。
8.9 测试数据管理
针对智能航行系统的虚实融合测试全流程数据进行管理，应包括以下内容：
a) 试验数据、工况参数、场景参数;
b) 各工况下的模型文件，包含建模参数、数据接口说明等;
c) 各工况虚拟试验原始计算数据;
d) 测试分析报告，包含测试对象描述、测试工况说明、物理试验内容、虚实融合测试流程、测试精度分析、测试结果等;
e) 设置数据查阅权限，保证数据存储的安全性和访问控制。
8.10 测试报告
测试活动和测试结果应汇总在测试报告中。测试报告应包括以下内容：
a) 测试报告名称。
b) 概述：
1) 简述测试活功;
2) 被测试项及其版本/修订级别;
3) 测试环境;
4) 所参照的技术规范书或设计说明书及其版本。
c) 测试活动描述：
1) 测试日期和时间;
2) 测试数据;
3) 预期结果;
4) 测试记录、实际结果;
5) 异常现象;
6) 测试人员。
9 测试评价
1) 测试评价，以测试结果和测试项的通过准则为依据,对每个测试项进行判定和评价;
2) 差异评价，报告测试项与技术规范书或技术说明之间的差别,指出测试活动与测试计划之间的差别，并说明原因;
3) 测试结论。
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