2. 自主航行系统需求分析与任务分解
自主航行系统的集成不是先选设备再找用途，而是从船舶真实运营场景反向推导出系统必须“做什么、做到什么程度、在什么边界内做”。需求分析的质量直接决定后续架构设计是否返工：一个在需求阶段被忽略的约束（例如狭窄水道内对横漂速度的估计精度要求），往往会在集成阶段演变成传感器选型、算力分配甚至船体布置的连锁问题。本节围绕“场景→功能需求→性能指标→约束条件→可集成任务清单”这条主线，说明如何把运营语言翻译成工程语言。
一、从运营场景提取功能需求
运营场景应按“航段类型 × 环境条件 × 交通态势”三个维度切分，而不是笼统地写“开阔水域航行”。以一艘拟加装自主航行系统的内河—沿海两用货船为例，可先列出典型场景：港内靠离泊、狭窄弯曲航道通过、开阔水域定线航行、进出闸室、能见度不良航行、避让密集渔船群。每个场景再追问三个问题：船舶在此场景中要完成哪些动作？这些动作依赖哪些外部信息？哪些环节目前依赖船员经验判断？
以“狭窄弯曲航道通过”为例，功能需求可提取为：航道边界与碍航物的实时感知、本船位置与姿态的高精度估计、计划航线与舵/桨指令的闭环控制、与来船的交会意图协商、以及超出能力边界时向远程操作员请求接管。注意这里的功能需求用“动词+对象”描述能力，而不绑定具体设备——感知航道边界可以由雷达、视觉或电子航道图融合实现，需求阶段不预设方案，才能给后续集成留出选择空间。
二、把功能需求转化为可验证的性能指标
功能需求只回答“做什么”，性能指标回答“做到什么程度才算合格”。指标必须可测量、有明确测试条件，否则无法在集成测试中判定通过与否。常用指标包括：感知作用距离与虚警率、目标跟踪的最小可分辨距离、定位与航向估计精度、航迹跟踪横向偏差、决策响应时延、系统可用率与失效切换时间。
以航迹跟踪为例，若仅写“保持航线”，无法验收；应写成“在流速不大于 1.5 m/s、风速不大于 6 级条件下，开阔水域直线段横向跟踪偏差不大于 3 m（95% 分位），弯曲段不大于 5 m”。再如避碰决策，可规定“对相对距离 1.5 km 内、相对速度大于 2 kn 的来船，系统应在 10 s 内给出会遇态势判定并输出避让建议”。这些数值是示例性教学假设，实际项目需依据船型操纵性、航道条件和船级社规范确定。
三、识别约束条件
约束条件分为四类，它们往往比功能需求更能决定集成方案。其一是法规与规范约束，例如船员配置、远程控制站的资质要求、船级社对自主等级符号的附加检验项。其二是物理与布置约束，包括传感器安装高度与视场遮挡、天线与雷达的电磁兼容间距、机柜的散热与供电余量。其三是信息与接口约束，如现有电罗经、计程仪、AIS 的输出协议与更新率，是否具备可用的 NMEA 2000 或以太网接口。其四是运行约束，如卫星链路带宽与中断概率、远程操作员的值守班次。
约束条件必须在需求阶段显式记录，因为它们会反向裁剪功能。例如某船 AIS 更新率在开阔水域为 2～10 s，若避碰功能要求对高速来船在 3 s 内完成态势更新，则单靠 AIS 不满足，必须引入雷达或视觉跟踪作为补充——这就是约束驱动出的新功能需求。
四、形成可集成的任务清单
任务清单是需求分析的最终交付物，也是后续架构设计与集成测试的输入。它的关键特征是“可分配、可接口、可验证”：每个任务能落到具体的子系统或设备，有明确的输入输出接口，并对应至少一条性能指标或约束。仍以上述货船为例，可将功能需求归并为七项集成任务：多源感知融合、组合定位与姿态估计、航迹跟踪控制、避碰决策、人机交接、安全兜底、数据记录与验证。
每项任务需进一步写明接口与验收方式。例如“T2 组合定位与姿态”可定义为：输入为 GNSS 位置/速度、光纤惯导角速度与加速度、计程仪对地速度、电子航道图匹配结果；输出为 10 Hz 的船舶位置、航向、对地速度与横漂速度估计；验收方式为在已知控制点上比对，要求位置误差不大于 1.5 m（95% 分位）、航向误差不大于 0.5°。这样一条任务描述，已经足以让负责定位的工程师开始选型，也让测试工程师能设计用例。
任务之间的依赖关系同样要在清单中体现。避碰决策依赖感知融合输出的目标航迹，人机交接依赖控制与感知的状态同步，安全兜底则横跨所有任务。建议在清单中增加“前置任务”和“失效影响”两列，前者用于排定集成顺序，后者用于识别单点故障。例如感知融合失效将同时影响避碰与航迹跟踪，因此安全兜底任务必须独立于融合链路，具备直接读取原始传感器数据并触发停船的能力。
五、需求闭环的检查要点
完成初稿后，用四个问题做闭环检查：每个运营场景是否至少对应一项功能需求？每项功能需求是否至少有一条可测量的性能指标？每条指标是否写明了测试条件？每项约束是否已经反映到任务清单的接口或验收方式中？若某条约束只停留在文档里而未影响任何任务，说明它尚未真正进入设计。需求分析的价值不在于文档厚度，而在于它能否让集成阶段的每一次接口协商都有据可依。