船舶雷達/ARPA 智能考試系統(tǒng)的研究

陳麗寧，任鴻翔，金一丞

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院航海動態(tài)仿真與控制交通行業(yè)重點實驗室，遼寧大連116026)

船舶雷達/ARPA模擬器是航海模擬器的重要組成部分［1］。聯(lián)合國國際海事組織 (International Maritime Organization，IMO)一直強調(diào)在航海教學(xué)、培訓(xùn)中使用模擬器，并在STCW78/95中對模擬器的使用、性能標(biāo)準(zhǔn)提出了相應(yīng)要求［2］。我國交通部在《中華人民共和國船員培訓(xùn)管理規(guī)則》［3］中將雷達觀測與標(biāo)繪和模擬器、ARPA列入海船船員專業(yè)技能培訓(xùn)項目?？梢?，船舶雷達/ARPA模擬器在航海教學(xué)、培訓(xùn)中起著重要的作用，是航海類院校及培訓(xùn)機構(gòu)必備的設(shè)備。目前國內(nèi)雷達兩證考試的雷達標(biāo)繪評估一直采用人工打分，該方式主觀性強且增加了考官的勞動強度，因此有必要開發(fā)一套考試系統(tǒng)來解決這些問題。要建立這樣的考試系統(tǒng)，需要從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、雷達圖像的仿真、考試評估模型等幾個主要方面進行研究，其中考試評估模型的建立相對比較困難。國內(nèi)一些學(xué)者對評估模型進行了研究。劉成勇［4］通過計算受訓(xùn)人與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值之間的離散程度，得出成績。鄭彭軍［5］運用基于模糊集的評估模型，通過比較受訓(xùn)人實際操作與決策之間的離散度，從而給出評分。張飛成［6］運用基于數(shù)理統(tǒng)計的評估模型，通過計算觀測值與真值的偏離程度進行評分。薛滿福［7］的評估模型運用了隸屬度函數(shù)，結(jié)合操船避碰進行評分。

上述學(xué)者的研究主要集中在雷達標(biāo)繪的評估模型研究，并沒有和實際模擬器有機結(jié)合起來，更沒有建立完整的考試系統(tǒng)。筆者在大連海事大學(xué)航海動態(tài)仿真與控制實驗室研制的V.Dragon 3 000船舶雷達/ARPA模擬器基礎(chǔ)上，對船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能等進行了分析，并提出了將專家法和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的評估模型。由專家操作該系統(tǒng)出題，根據(jù)題目特點設(shè)置評估要素的權(quán)重及允許的誤差范圍絕對值。系統(tǒng)根據(jù)專家設(shè)定的權(quán)重和誤差范圍絕對值生成隸屬度函數(shù)，以此計算受訓(xùn)人操作的隸屬度值及考試分?jǐn)?shù)。

1 考試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 V.Dragon 3000船舶雷達/ARPA模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)是以V.Dragon 3 000船舶雷達/ARPA模擬器為基礎(chǔ)開發(fā)。該模擬器是由一個教練員站和多個本船構(gòu)成的仿真系統(tǒng)［8］，各單元通過網(wǎng)絡(luò)連接，如圖1(a)。系統(tǒng)中每個本船主要由計算機、車舵操縱臺等組成，如圖1(b)。在模擬器中，教練員可以在教練員站設(shè)置練習(xí)，然后將設(shè)置好的練習(xí)發(fā)送給各本船，受訓(xùn)人操縱本船，完成練習(xí)。

圖1 V.Dragon 3 000模擬器Fig.1 V.Dragon 3 000 simulator

1.2 船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)應(yīng)由服務(wù)器和考試終端兩部分組成，系統(tǒng)的主要功能包括3大部分:①出題:進行出題操作，將考試題目(包括內(nèi)容、考試時間、注意事項等)下傳到考試終端;②考試:考試終端根據(jù)下載的考試題目、內(nèi)容和考試時間進行考試，并上傳考試記錄到服務(wù)器;③自動評估:考試終端對受訓(xùn)人操作進行評估，給出考試成績。

結(jié)合V.Dragon 3 000船舶雷達/ARPA模擬器的特點，需對其進行相應(yīng)的改進以實現(xiàn)考試系統(tǒng)的各項功能。教練員站適合作為考試系統(tǒng)的服務(wù)器，本船已具備考試終端的部分功能，可以將教練員站改造成服務(wù)器，將本船改造成考試終端。圖2為考試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 考試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of examination system

服務(wù)器的主要功能包括:①選擇基本題型;②參數(shù)初始化:主要是出題人設(shè)置題目和初始化雷達面板部分參數(shù);③試題文件傳輸;④數(shù)據(jù)管理:主要是建立數(shù)據(jù)庫管理受訓(xùn)人考試成績和操作記錄。

考試終端的主要功能包括:①答題功能:受訓(xùn)人登陸、考試計時及存儲答題過程;②評估功能:考試完畢后考試終端立即對受訓(xùn)人操作進行自動評估并顯示考試結(jié)果;③試題文件傳輸。

2 考試系統(tǒng)評估模型的建立

本考試系統(tǒng)約有8種基本題型，并根據(jù)不同題型設(shè)置了不同的評估模型。下面以雷達開機和目標(biāo)船的人工捕捉題型及雷達標(biāo)繪題型為例加以介紹。

2.1 雷達開機和目標(biāo)船的人工捕捉題型及其評估模型

雷達開機和目標(biāo)船的人工捕捉題型主要考察受訓(xùn)人對雷達面板上按鈕、開關(guān)的操作。由出題人在服務(wù)器設(shè)置雷達面板開關(guān)和按鈕的值，受訓(xùn)人在考試終端操作雷達正常開機，并調(diào)節(jié)回波清晰飽滿，然后操作ARPA對目標(biāo)船進行人工捕捉。根據(jù)V.Dragon 3 000模擬器特點和考試要求，采用專家評估法進行評估，具體評估模型的變量、評分標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重如表1。其中權(quán)重為專家在出題時根據(jù)經(jīng)驗和題目特點設(shè)定。

2.2 雷達標(biāo)繪題型及其評估模型

雷達標(biāo)繪題型要求受訓(xùn)人首先進行雷達標(biāo)繪，然后根據(jù)標(biāo)繪所得的避讓措施操縱車、舵進行避碰，避碰完畢后復(fù)航。本題型采用專家法和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的評估方法［9］，即通過隸屬度函數(shù)獲得評價指標(biāo)的隸屬度，利用綜合評估法加權(quán)后獲得受訓(xùn)人的評估成績。評估要素及權(quán)重如表2。選擇評估參數(shù)的依據(jù)是雷達標(biāo)繪主要目的［10］及《1972年國際海上避碰規(guī)則》中能見度不良時行動規(guī)則的僅憑雷達測到他船條款及條款解釋［11］。隸屬度函數(shù)的選擇主要依據(jù)大連海事大學(xué)、集美大學(xué)雷達標(biāo)繪實際操作評估標(biāo)準(zhǔn)。不同評估要素，其重要程度也不同，因此權(quán)重由專家在出題時根據(jù)評估要素的重要程度定。

表1 雷達開機和目標(biāo)船的人工捕捉題型評估權(quán)重及得分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Assessment weight and scoring standards of radar starting and ARPA manual acquisition

表2 雷達標(biāo)繪題型評估要素權(quán)重及隸屬度Tab.2 Weights and membership of radar plotting evaluation factor

受訓(xùn)人總成績計算采用權(quán)重和隸屬度值加權(quán)平均，按照式(1):

式中:Ki為評估要素編號，見表2;μi為Ki對應(yīng)評估要素的隸屬度值;s為總分。如果有3項評估要素的隸屬度為0，則受訓(xùn)人的成績?yōu)?，就為不合格。

在表2中的9個評估要素中，這里僅選擇其中2個要素進行詳細(xì)說明。

1)觀測目標(biāo)船的航向評估:要求受訓(xùn)人用雷達/ARPA模擬器觀測目標(biāo)船航向，目標(biāo)船航向誤差標(biāo)繪結(jié)果的隸屬度函數(shù)如式(2):

式中:μ1(Ct)為目標(biāo)船航向差值隸屬度函數(shù)值;Ct為雷達標(biāo)繪觀測目標(biāo)船航向與目標(biāo)船實際航向的差值;Cmax，Cmin分別為專家在出題時設(shè)定的允許誤差范圍絕對值的最大值和最小值;ΔC=Cmax-Cmin;∑C=Cmax+Cmin。

2)采取變速避讓的避讓幅度評估:隸屬度函數(shù)如公式(3):

式中:μ6(Vt)為采取變速避讓幅度的隸屬度函數(shù)值為受訓(xùn)人操船變速避讓后本船實際航速;Vp為計劃航速)］;Vmax，Vmin分別為專家出題時設(shè)定的Vp允許誤差絕對值的最大值和最小值;

3 考試系統(tǒng)的軟件設(shè)計和實現(xiàn)

3.1 出 題

出題共分為5個步驟，如圖3。其中，第3步為設(shè)置雷達面板按鈕和開關(guān)的初始狀態(tài)，并寫明題目要求。出題人可以初始化的雷達面板數(shù)據(jù)包括:雷達顯示方式、調(diào)諧、增益、同頻干擾抑制、雨雪干擾抑制、固定局標(biāo)圈亮度、量程、雷達顯示方式等。第4步設(shè)置海圖、本船及目標(biāo)船界面如圖4。專家在第5步根據(jù)經(jīng)驗和題目特點，設(shè)置評估要素權(quán)重和評估參數(shù)誤差范圍的絕對值。

3.2 答 題

以雷達開機和ARPA人工捕捉題型題型為例，在進行該題考試時，只需操作雷達面板，其操作狀態(tài)會被系統(tǒng)記錄。雷達標(biāo)繪題型總時間為70分鐘，具體時間分配如下:0～10分鐘，受訓(xùn)人將車調(diào)整為全速，舵角為0，并調(diào)整雷達面板狀態(tài)，使雷達回波清晰，并閱讀題目要求。11～22分鐘，操作雷達的電子方位線和活動距標(biāo)圈，每隔6分鐘進行一次觀測，圖5為受訓(xùn)人操作雷達電子方位線和活動距標(biāo)圈進行觀測界面。23～30分鐘，進行雷達標(biāo)繪，根據(jù)觀測值求取目標(biāo)船航向、航速、DCPA和TCPA，根據(jù)避碰規(guī)則確定避讓方式，求取相應(yīng)的航向/航速恢復(fù)時機，并在考試終端進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的輸入，輸入界面如圖6。

考試結(jié)束后，受訓(xùn)人可以在考試終端立即看到自己的考試成績。雷達標(biāo)繪題型的得分界面如圖7。圖7所示的界面中，考核指標(biāo)的觀測值、真值、指標(biāo)權(quán)重、隸屬度、總分等信息都顯示出來。

3.3 服務(wù)器數(shù)據(jù)庫的建立

數(shù)據(jù)庫主要包括2類信息:受訓(xùn)人基本信息和操作記錄，因此可主要分為2個表:受訓(xùn)人基本信息表和操作記錄表。受訓(xùn)人基本信息表包括:身份證號碼、考試時間、學(xué)號、考試分?jǐn)?shù)、考試類型、人工捕捉的目標(biāo)船數(shù)量、實際目標(biāo)船數(shù)量;操作記錄表包括:準(zhǔn)考證號碼、考試時間、操作時間、調(diào)諧、增益量程、雨雪干擾抑制、海浪干擾抑制、同頻干擾抑制、雷達顯示方式等。數(shù)據(jù)庫訪問采用ADO技術(shù)［12］?？荚囅到y(tǒng)以文本傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)實現(xiàn)考試文件在考試終端與服務(wù)器間的傳輸。

3.4 軟件測試

考試系統(tǒng)軟件編寫完畢后，筆者邀請大連海事大學(xué)航海學(xué)院老師和同學(xué)進行了軟件測試，比較了人工評判分?jǐn)?shù)和考試系統(tǒng)分?jǐn)?shù)。共進行了50個抽樣。令ΔS為人工評判分?jǐn)?shù)和考試系統(tǒng)分?jǐn)?shù)差值的絕對值，抽樣中ΔS≤5占總數(shù)28%，5＜ΔS≤10占總數(shù)58%，ΔS＞10占總數(shù)14%?？梢娙斯ぴu判和考試系統(tǒng)評判分?jǐn)?shù)基本一致。

4 結(jié)語

筆者在V.Dragon 3 000船舶雷達/ARPA模擬器基礎(chǔ)上開發(fā)了船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)(如圖8)主要工作有:

1)研究了船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能。

2)對原模擬器進行改進，增加新功能，將原模擬器的教練員站改造成考試系統(tǒng)的服務(wù)器，將原模擬器本船改造為考試系統(tǒng)的考試終端。

3)提出了將專家法和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的評估模型。

建成的船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)已在船員實際考試中得以應(yīng)用，取得了較好的效果。在今后的工作中，考慮對船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)做進一步的改進，如完善評估數(shù)學(xué)模型以及提高考試系統(tǒng)的安全性等。

圖8 已安裝考試系統(tǒng)的雷達模擬器Fig.8 Radar simulator installed with the examination system

［1］金一丞，尹勇.STCW公約與航海模擬器發(fā)展［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報，2002，28(3):53-56.JIN Yi-cheng，YIN Yong.STCW convention and the development of marine simulator［J］.Journal of Dalian Maritime University，2002，28(3):53-56.

［2］聯(lián)合國國際海事組織.經(jīng)1995年締約國大會通過修正的1978年海員培訓(xùn)，發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約［M］.中華人民共和國港務(wù)監(jiān)督局，譯.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1997:65-66，151-157，163-181.

［3］中華人名共和國交通運輸部.中華人民共和國船員培訓(xùn)管理規(guī)則［DB/0L.］.http://gov.cn/flfg/2009-08/14/content_1391833.html.

［4］劉成勇.雷達模擬器評估系統(tǒng)的設(shè)計與分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2002，26(1):134-137.LIU Cheng-yong.Design and analysis of assessment system of radar simulator［J］.Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science＆ Technology，2002，26(1):134-137.

［5］鄭彭軍.航海模擬器客觀評分系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國航海，1997，33(1):54-57.ZHENG Peng-jun.Design of objective grading system of nautical simulator［J］.Navigation of China，1997，33(1):54-57.

［6］張飛成.雷達/ARPA模擬器訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2007.

［7］薛滿福.基于模擬器的雷達標(biāo)繪評估方法研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2008.

［8］尹勇，金一丞，李志華.分布式航海仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通訊［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2000，12(6):622-624.YIN Yong，JIN Yi-cheng，LI Zhi-hua.Network communication in distributed marine simulation system［J］.Journal of System Simulation，2000，12(6):622-624.

［9］陳麗寧.船舶雷達/ARPA智能考試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.大連:大連海事大學(xué)，2010.

［10］Burger W.Radar Observer’s Handbook for Merchant Navy Officers［M］.sixth edition.Glasgow:Brown，Son ＆ Ferguson Nautical Publishers，1976:148-150.

［11］吳兆麟.船舶避碰與值班［M］.3版.大連:大連海事大學(xué)出版社，2008:44-46，75-77，132-136.

［12］Iseminger D.SQL Server 2000 Architecture and XML/Internet Support［M］.Peking:Peking University Press，2000:324-325.