摘要: 在利用航海模擬器進行雷達標繪訓練中, 能否實現多物標雷達標繪的自動評估并保證評估結果的客觀性和準確性已成為一個亟待解決的問題。通過對多物標雷達標繪進行深入研究, 構建了多物標雷達標繪評估系統的整體框架和流程圖, 確定各評估要素及其權重,建立了各評估要素的誤差分布函數, 利用Visual C++面向對象的語言完成評估系統的整體開發工作。
關鍵詞: 船舶、艦船工程；多物標雷達標繪；評估系統；避碰決策；非參數假設檢驗
Abstract: It is a key problem to be solved in radar plotting training with nautical simulator that the multi-object radar plotting exercises are automatically assessed and the judgments are objective and accurate. Through the study of multi-object radar plotting in depth, a framework and flow chart of the assessment system is constructed, various assessment factors and their weights are determined, and the error distribution functions of all assessment factors are established. The total development work of the assessment system is completed with Visual C++ .
Key words: ship, naval engineering; multi-object radar plotting; assessment system; decision making of collision avoidance; non-parametric assumption check
根據STCW (International Convention on Standards of Training, Certification and Watch-keepting for Seafarers)公約[1]的要求, 利用航海模擬器進行雷達標繪訓練已經成為一個重要的訓練項目。目前對雷達標繪訓練的評估還主要依賴教練員, 雷達標繪評估的客觀性和準確性還有待進一步提高。因此, 自動雷達標繪評估系統的開發也就成為一個亟待解決的問題。
目前國內外多家單位分別展開了對雷達標繪評估系統的研究。大連海事大學航海動態仿真及控制交通部重點實驗室開發了基于單物標的雷達標繪評估系統[2], 該系統可以較好的完成單物標的雷達標繪評估。但該系統無法對多物標雷達標繪進行評估, 同時該系統缺乏主觀評估要素。武漢理工大學利用模塊化的設計方法也開發了相應的雷達標繪評估系統[3], 但該系統也無法對多物標雷達標繪進行評估, 且該系統并不能完全達到自動水平, 學生輸入數據有誤時系統檢測不到。日本神戶商船大學PEDERSENE, INOUE K 等學者提出了在真矢量顯示模式下利用環境壓力模型對雷達標繪進行評估的方法[4], 但未完成相應的系統開發。
以上開發的雷達標繪評估系統各有優勢, 在利用雷達模擬器進行雷達標繪評估中起到了一定的作用, 但均無法對多物標雷達標繪進行評估。通過對多物標雷達標繪進行深入研究, 開發出了一套適用于多物標的雷達標繪評估系統, 該系統具有操作簡單, 評估結果客觀合理, 可以很好地代替教練員完成對學員的雷達標繪進行自動評估。
1 系統構成及流程
系統采用模塊化的設計方案, 將系統功能分解為如下4個功能模塊: 計算模塊、標準避讓決策模塊、評估模塊和數據庫管理模塊[5] (見圖1) 。
為保證評估系統的數據流向清晰合理, 設計了如下的評估系統流程圖(見圖2) 。
2 系統數學模型
2. 1 船舶避讓決策模型
1) 避碰危險度模型
采用Kearon[6]的評價方法, 對DCPA和TCPA進行加權求平方和來確定船舶的避碰危險度, 具體公式如下:
式(1)中, a,b分別為加權值, 對于右舷來船通常取a=5,b=0.5, 對于左舷來船通常取a=5,b=1。(值越小, 表明該目標船的碰撞危險度越大、越危險。
2) 多船避碰決策模型
在多船會遇中, 會遇態勢較多且局面復雜, 僅以DCPA和TCPA作為判定避讓措施有效性的標準遠遠不夠, 在有些會遇局面下無論采取什么措施都無法使所有目標船均在安全DCPA和安全TCPA下通過, 在這種情況下可以引入了相對速度比[7] 作為衡量避讓措施有效性的標準。
以轉向避讓為例, 當多船會遇時, 根據避碰危險度確定避讓重點船；根據 《1972 年國際海上避碰規則》, 確定針對重點船的航向改變角度；將擬轉向角度疊加到原航向上得到模擬新航向, 以DCPA、TCPA和相對速度比Vr2/Vr1為檢驗標準, 驗證此航向對下一目標船是否構成危險; 如果有危險, 則在模擬航向的基礎上, 求出使第2個危險目標獲得安全DCPA 的本船航向增量Cn , 以及使避讓前后相對速度之比>2 的本船航向增量Cm, 比較兩者取其小者為進一步疊加值；如此對所有目標做同樣的判斷, 循環直至求出最終值。轉向逐次疊加的方向是單方向的, 且為國際海上避碰規則中對重點船避讓要求的方向。其中Cm 的求取如下:
轉向前, 在三角形△OAB中有:
轉向后, 在三角形△OA＇B中有:
式(2)~式(4)中,
μ: 轉向后相對運動速度和轉向前相對運動速度之比, 此處取0.5。
Vr1
: 轉向前本船對目標船的相對運動速度。Vr2: 轉向后本船對目標船的相對運動速度。
Cm:μ=0.5時的轉向角度。
展開得到:
2. 2 評估數學模型
1) 評估要素及其權重
評估要素選取的合理與否直接影響評估系統的合理性和可用性, 根據國家海事局制定的《航海船員適任考試和評估大綱》和駕駛專業的指導性教學計劃, 通過對國內各評估機構的廣泛調研和咨詢相關專家以及經驗豐富的教練員, 并根據實際評估中學生整體成績情況, 不斷調整權重, 確定如下各評估要素及其權重(見表1) 。
2) 誤差分布函數
通過隨機抽樣, 提取了160份獨立有效的雷達標繪評估成績單, 利用數理統計中的非參數分布假設檢驗的方法, 得到表2中各評估要素的誤差分布函數。
3) 誤差分布點
對于單個評估要素成績的求取, 根據學員的計算值和系統求取的標準值的誤差程度來確定。其中誤差分布點的求取如下: 以X 表示誤差的總體, 且總體的概率密度函數為f0(X) , 分布函數為F0(X) , t1、t2、t3、t4為誤差分布點的值。
其中評估等級的理論概率p1、p2、p3、p4、p5是未知的且不可求的, 只能利用實踐中一般概率來代替理論概率, 結合誤差分布函數可求得各評估要素的誤差分布點, 如表3列出了TCPA的誤差分布點。
4) 評估成績的確定
根據已求出的各評估要素的誤差分布點, 確定學員各評估要素的評估成績。各評估要素的成績可由式(9)求取:
由于每個評估要素對于評估結果的重要性不盡相同, 因此對學生標繪評估綜合成績的評定采取加權平均法確定。其中權系數見表1。利用式(10)對各評估要素成績進行加權求取學員的綜合評估成績:
3 評估系統的運行結果
3. 1 評估系統的運行結果
多物標雷達標繪評估系統以航海模擬器為測試平臺, 對一組受訓學員(12名)的雷達標繪進行了評估(見圖4,圖5) 。
本船OS1: 航向C0= 000o航速V0= 12. 19 kn
目標T1: 航向Ct1= 239. 0o
航速Vt1 1= 16. 99 kn
目標T2: 航向Ct2= 131. 8o
航速Vt2= 15. 99 kn
3. 2 系統評估結果分析
對于12名學員的雷達標繪評估, 教練員和評估系統分別給出了相應的等級和成績。圖6為系統評估得到的成績, 表4為教練員的評估等級和系統評估成績的比對。由表4可以看出, 該系統的評估結果和教練員的評估結果基本一致, 表明本系統可以在很大程度上代替教練員對學生的訓練效果進行評估, 完善航海模擬器的實訓功能。
4 結語
通過對多物標避讓決策數學模型的研究, 以Visual C++作為開發工具, 開發了基于數理統計評估模型的多物標雷達標繪評估系統。該系統經過反復測試及驗證, 該系統的評估結果和教練員的評估結果基本一致, 能夠客觀、真實地反映雷達模擬器培訓和評估的過程, 可以運用到多物標雷達標繪評估中去。
參考文獻
[1] 中華人民共和國港務監督局. 修正的1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約[M] . 北京: 中國科學技術出版社, 1997.
[2] 張飛成. 雷達ARPA 標繪訓練評估系統的設計與研究: (碩士學位論文) [D] . 大連: 大連海事大學, 2007.
[3] 劉成勇. 雷達模擬器評估系統的設計與分析[J] . 武漢理工大學學報交通科學與工程版, 2002, 26(1):134-137.
LIU Cheng-yong . Design and Analysis of Assessment System of Radar Simulator [J] . Journal of
[4]PEDERSEN E, INOUE K, TSUGANE M. Evaluation of a Radar Plot and Display Technique for Anti-collision Assessment of Multiple Target s in True Vector Representation by Application of the Environmental Stress Model [J] . Journal of Japan Institute of Navigation, 2002(106):1-12.
[5]楊曉. 航海模擬器中多物標雷達標繪評估系統的研究[D].大連:大連海事大學,2008.
[6] Kearon J. Computer Programs for Collision Avoidance and Traffic Keeping [C] . Conference on Mathematical Aspects on Marine Traffic,
[7]王曉瑾. 多船避碰決策的新方法[J] .大連海運學院學報, 1988, 11(1):40-48.
WANG Xiao-jin. A New Method of DecisionMaking for Multi-ship Collision Avoidance [J] . Journal of
作者：楊曉 ,尹勇, 廉靜靜
