JUE-75C Inmarsat-C船站系統(tǒng)仿真與智能評(píng)估

任鴻翔，余曹榮

(大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116026)

JUE-75C Inmarsat-C船站系統(tǒng)仿真與智能評(píng)估

任鴻翔，余曹榮

(大連海事大學(xué) 航海動(dòng)態(tài)仿真和控制交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116026)

在分析了Inmarsat-C船站的系統(tǒng)組成和工作流程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了Inmarsat-C仿真系統(tǒng)整體框架。在Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，利用C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了JUE-75C Inmarsat-C船站仿真系統(tǒng)，主要包括終端顯示器的仿真，船站通信狀態(tài)調(diào)整的仿真，報(bào)文編輯業(yè)務(wù)的仿真，特殊效果的仿真，用戶操作步驟的記錄等，在此基礎(chǔ)上，建立了C船站的實(shí)操評(píng)估模型，并開(kāi)發(fā)了評(píng)估系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有仿真度高、人機(jī)交互友好等優(yōu)點(diǎn)。

船舶工程；GMDSS模擬器；系統(tǒng)仿真；智能評(píng)估

0 引 言

全球海上遇險(xiǎn)和安全系統(tǒng)(global maritime distress and safety system, GMDSS)是國(guó)際海事組織(international maritime organization, IMO)利用現(xiàn)代化的通信技術(shù)改善海上遇險(xiǎn)與安全通信而建立的一套龐大而高效的綜合性全球搜救通信系統(tǒng)[1]。Inmarsat-C系統(tǒng)是GMDSS的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要組成部分之一，它是全數(shù)字化的電文/數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信方式，抗干擾性強(qiáng)，通信可靠性高。Inmarsat-C系統(tǒng)在海上遇險(xiǎn)與安全通信、目標(biāo)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控控制(SCADA)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2]。根據(jù)海上人命安全公約(safety of life at sea, SOLAS)的相關(guān)要求以及IMO1995年締約國(guó)大會(huì)修正的1978年海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)公約(International Convention on Standards of Training, Certification and Watch keeping for Seafarers, 1978, amended in 1995, STCW78/95)的有關(guān)規(guī)定，必須對(duì)GMDSS無(wú)線電操作員進(jìn)行培訓(xùn)、適任評(píng)估和發(fā)證，所使用的設(shè)備可以是經(jīng)過(guò)相關(guān)認(rèn)證的真實(shí)設(shè)備，也可以是相應(yīng)的GMDSS模擬器。STCW公約還特別強(qiáng)調(diào)了航海模擬器在航海教育中的作用以及采用模擬器獲取海上技能能力的必要性[3]。使用GMDSS真實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)容易因?yàn)檎`操作引起誤報(bào)警[4]，而使用GMDSS模擬器則可以避免這一可能性，同時(shí)可提高培訓(xùn)效率，降低培訓(xùn)成本，是一種安全、有效的手段，并且可以彌補(bǔ)船員培訓(xùn)、實(shí)訓(xùn)能力的不足。所以對(duì)Inmarsat-C站系統(tǒng)進(jìn)行仿真具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者在C站仿真方面雖做了一些工作，但仿真的設(shè)備型號(hào)較陳舊，逼真度也有待提高[5-6]，陳朝陽(yáng)等[7]對(duì)C站的一些功能做了文字性介紹，無(wú)配圖加以說(shuō)明?？紤]到目前由日本JRC(Japan Radio Co., Ltd.)公司生產(chǎn)的JUE-75C廣泛地應(yīng)用在各類型船舶上，筆者對(duì)該型號(hào)設(shè)備進(jìn)行高效、逼真模擬，對(duì)用戶的操作過(guò)程進(jìn)行有針對(duì)性的記錄，在此基礎(chǔ)上，提出了C站的實(shí)操評(píng)估模型并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的評(píng)估系統(tǒng)。

1 Inmarsat-C系統(tǒng)組成

Inmarsat-C船站分為甲板上設(shè)備和甲板下設(shè)備，或分為室外設(shè)備(externally mounted equipment, EME)和室內(nèi)設(shè)備(internally mounted equipment, IME)。甲板上設(shè)備(EME)包括天線、低噪聲放大器、功率放大器和雙工濾波器。它的主要功能是完成射頻信號(hào)的處理。甲板下設(shè)備(IME)包括頻率變換器、調(diào)制與解調(diào)器、頻率合成器、編譯碼器、信令控制和信息處理及相應(yīng)的接口等單元。Inmarsat-C船站的外圍終端一般包括PC機(jī)、打印機(jī)、蜂鳴器、GPS設(shè)備、電源等，如圖1。甲板下設(shè)備是本仿真系統(tǒng)的核心仿真對(duì)象。

2 仿真系統(tǒng)整體架構(gòu)

JUE-75C Inmarsat-C站的仿真重點(diǎn)是將多個(gè)組件(終端顯示器(date terminal equipment, DTE)、室內(nèi)設(shè)備、外部電源提供單元(external power supply unit, EXT PSU)、快速報(bào)警面板(distress button, DB)等)有效的在一個(gè)顯示界面上組織起來(lái)，并且保證它們的數(shù)據(jù)流可以按照實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行流轉(zhuǎn)。首先，設(shè)備的開(kāi)關(guān)以及緊急報(bào)警部分使用鼠標(biāo)進(jìn)行觸發(fā)操作；當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)完畢后，絕大部分的操作只能使用鍵盤來(lái)進(jìn)行，如報(bào)文的編輯與存儲(chǔ)、窗口的跳轉(zhuǎn)等；數(shù)據(jù)顯示終端是信息的集散地，它可以與報(bào)警組件和其他相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖2。

本仿真系統(tǒng)是在Windows環(huán)境下運(yùn)行的，而基于PC端的軟件開(kāi)發(fā)C++編程語(yǔ)言具有天然的優(yōu)勢(shì)，故實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇Microsoft Visual Studio 2010作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，C++作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言?？紤]到Inmarsat-C船站仿真系統(tǒng)要集成到的GMDSS模擬器中，為了便于系統(tǒng)調(diào)試，這里采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dynamic link library, DLL)方式編寫程序模塊，屆時(shí)與GMDSS模擬器集成時(shí)只需調(diào)用相應(yīng)的DLL文件[8]。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 System flow chart

3 仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

考慮到JUE-75C Inmarsat-C船站由多個(gè)組件組成，故在系統(tǒng)仿真中將其統(tǒng)一在一個(gè)操作界面上，在符合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上增加系統(tǒng)界面的友好性和用戶使用的方便性，如圖3。

圖3 Inmarsat-C站組件界面Fig.3 The interface of Inmarsat-C

3.1 終端顯示器的仿真

JUE-75C Inmarsat-C船站的終端顯示器的界面是類似于早期的"磁盤操作系統(tǒng)"(disk operating system, DOS)。設(shè)備界面模擬的逼真與否可從一定程度上體現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)劣[9]，所以需要在現(xiàn)行的桌面交互式操作系統(tǒng)環(huán)境中仿真出DOS操作界面和純鍵盤操作[10]，實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要限制鼠標(biāo)的活動(dòng)范圍，即在模擬的終端顯示區(qū)域內(nèi)鼠標(biāo)無(wú)效，只能使用鍵盤進(jìn)行操作，如圖4。

圖4 仿真數(shù)據(jù)終端DOS環(huán)境Fig.4 The simulation of DTE

在仿真實(shí)現(xiàn)上，JUE-75C船站菜單界面較多，且它們之間存在多層級(jí)的互相調(diào)用，同時(shí)在設(shè)置遇險(xiǎn)報(bào)警參數(shù)的過(guò)程中存在“不必退出窗口，便可打開(kāi)報(bào)警蓋進(jìn)行快速報(bào)警的操作”這一跨窗口操作的情況，故采用非模式對(duì)話框，同時(shí)利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)棧(Stack)將其串聯(lián)起來(lái)，每當(dāng)系統(tǒng)彈出新的界面時(shí)便將其進(jìn)行入棧操作(Stack.Push())，而當(dāng)界面退出時(shí)即對(duì)其進(jìn)行出棧操作(Stack.Pop())，由此可以做到不同界面有條不紊的相互跳轉(zhuǎn)。

3.2 船站通信狀態(tài)調(diào)整的仿真

當(dāng)Inmarsat-C船站的使用者進(jìn)入“NCS/LES INFO”菜單指令時(shí)，可以觸發(fā)衛(wèi)星的改變、洋區(qū)的設(shè)置以及岸站的查詢與登記。由于洋區(qū)的改變同時(shí)意味著衛(wèi)星的重新選擇，所以仿真系統(tǒng)要模擬洋區(qū)變化引起的各種情況。Inmarsat采用靜止衛(wèi)星中繼，其第三代工作衛(wèi)星共有4顆，分別位于大西洋東區(qū)(AOR-E)、大西洋西區(qū)(AOR-W)、印度洋區(qū)(IOR)和太平洋區(qū)(POR)上空約36 000 km的地球同步軌道上，無(wú)縫隙覆蓋了除南北兩極以外的全球區(qū)域。根據(jù)船位與上述4顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的關(guān)系，判斷船位是否在所選對(duì)的洋區(qū)范圍內(nèi)。當(dāng)船位不在欲選洋區(qū)時(shí)，系統(tǒng)將彈出選擇出錯(cuò)提示框。反之，將彈出選擇成功提示框。

3.3 報(bào)文編輯業(yè)務(wù)的仿真

報(bào)文編輯有兩種模式：一種是美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼模式(ASCII Mode)，另一種是文本模式(Telex File Mode)。文本模式的編寫過(guò)程中有些特殊字符是不允許輸入的，為了對(duì)報(bào)文編輯環(huán)境進(jìn)行仿真，并且對(duì)特殊字符進(jìn)行處理，筆者在對(duì)話框中嵌入一個(gè)文本編輯控件，將編輯控件關(guān)聯(lián)一個(gè)變量，通過(guò)這一變量進(jìn)行敏感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，屏蔽相關(guān)非法字符，技術(shù)上重載了MFC消息控制流中的CWnd類的虛函數(shù)PreTranslateMessage(MSG* pMsg)，當(dāng)控件變量接收到了非法字符，該函數(shù)返回TRUE，將攔截消息的分發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非法字符的屏蔽目的。報(bào)文界面如圖5。

圖5 報(bào)文編輯界面Fig.5 The interface of message edition

3.4 特殊效果的仿真

JUE-75C Inmarsat-C船站設(shè)備的一個(gè)顯著特點(diǎn)是數(shù)據(jù)終端顯示屏絕大部分菜單具有閃爍效果，人機(jī)交互界面友好，用戶體驗(yàn)良好。這一特點(diǎn)也給仿真帶來(lái)一定難度，仿真過(guò)程中若控制不佳容易引起系統(tǒng)資源(如畫刷、畫筆等)的耗盡，從而引發(fā)屏幕發(fā)白、程序崩潰等現(xiàn)象。筆者借鑒了哈希表(HASH TABLE)直接定值法(Direct Address)的算法思想，將JUE-75C終端顯示器所涉及到的菜單界面逐一編號(hào)，并以之為關(guān)鍵字(Key)，菜單所占的矩形大小為哈希值，由此建立起菜單和其位置的一一映射關(guān)系函數(shù)。該函數(shù)屬于一一對(duì)應(yīng)的散列函數(shù)，當(dāng)跳到某一菜單時(shí)，得到唯一對(duì)應(yīng)的位置，調(diào)用MFC的局部刷新函數(shù)，僅對(duì)該位置的區(qū)域進(jìn)行重繪。該算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(1)。

3.5 操作步驟的記錄

一個(gè)良好的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該考慮到未來(lái)可能的需求并提供必要的接口支持。Inmarsat-C船站模擬系統(tǒng)預(yù)留了學(xué)員軟件操作的步驟記錄這一接口，為搭建Inmarsat-C船站評(píng)估系統(tǒng)做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。JUE-75C Inmarsat-C船站需要記錄的變量眾多，針對(duì)各個(gè)功能將之分門別類，如表1。由于篇幅所限表1中僅列出部分變量。

表1 JUE-75C Inmarsat-C船站變量采集表

3.6 實(shí)操評(píng)估模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

GMDSS模擬訓(xùn)練的評(píng)估應(yīng)該減少以人為主導(dǎo)的定性評(píng)估，而力求以計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)估為手段的客觀、公正的定量評(píng)估。為此有必要在所開(kāi)發(fā)的Inmarsat-C站仿真軟件上建立相應(yīng)的評(píng)估系統(tǒng)。根據(jù)海船船員適任評(píng)估規(guī)范，考慮船員操縱評(píng)估的合理性，主要從任務(wù)是否完成、操縱時(shí)間和操作步驟3大方面來(lái)設(shè)計(jì)評(píng)估模型。JUE-75C Inmarsat-C船站評(píng)估總成績(jī)的計(jì)算公式為：

(1)

WMTW+WMSW=1

(2)

式中：AER為評(píng)估總成績(jī)(evaluation result)；BMT為船站評(píng)估得到的關(guān)于操縱時(shí)間的分?jǐn)?shù)(manipulation time)；BMS為評(píng)估得到的關(guān)于操縱步驟的分?jǐn)?shù)(manipulation step)；Ta為評(píng)估操縱實(shí)際使用時(shí)間；f(t) 為判斷任務(wù)是否完成的函數(shù)；WMTW,WMSW分別為操縱時(shí)間和操縱步驟的權(quán)重。

對(duì)于評(píng)估得到的操縱時(shí)間分：

BMT=Bm·[1-(Ta-Tn)/Tn],0

(3)

式中：Bm為評(píng)估操縱時(shí)間基礎(chǔ)分；Tn為評(píng)估操縱時(shí)用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

對(duì)于評(píng)估得到的操縱步驟分：

(4)

式中：xi為評(píng)估操縱時(shí)第i步基準(zhǔn)分；Se為評(píng)估操縱時(shí)的錯(cuò)誤步驟總數(shù)；Dj為評(píng)估操縱第j步失誤扣分。

對(duì)于判斷任務(wù)是否完成的函數(shù)f(t) 如下：

(5)

式中:Tm為評(píng)估時(shí)任務(wù)完成的最大時(shí)間限制。

JUE-75C Inmarsat-C船站實(shí)操評(píng)估算法的具體流程如圖6。

圖6 評(píng)估算法流程Fig. 6 The flow chart of evaluation algorithm

例如，某試題“開(kāi)啟設(shè)備，待設(shè)備入網(wǎng)成功以后，執(zhí)行一次PV測(cè)試，編輯一份遇險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)的電文并以AA作為文件名保存，然后通過(guò)北京地面站發(fā)送給中國(guó)海上搜救中心”的評(píng)估過(guò)程為學(xué)員按題目要求進(jìn)行操作，系統(tǒng)將調(diào)用全局結(jié)構(gòu)體JRC75CRecord對(duì)每一步驟進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄，并且按照?qǐng)D所示算法進(jìn)行計(jì)算。學(xué)員的每一步操作得分與否保存在特定結(jié)構(gòu)的XML文本文件中，在學(xué)員答題完畢后系統(tǒng)給出成績(jī)，如圖7。

圖7 評(píng)估結(jié)果Fig. 7 Evaluation result

4 結(jié) 語(yǔ)

所開(kāi)發(fā)的仿真軟件模擬了JUE-75C型號(hào)的Inmarsat-C船站設(shè)備的主要功能，如基本菜單之間的調(diào)用與跳轉(zhuǎn)、DOS操作環(huán)境、報(bào)文的編輯與發(fā)送、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示、遇險(xiǎn)報(bào)警等，并在C站仿真軟件的基礎(chǔ)上建立了實(shí)操評(píng)估模型，構(gòu)建了相應(yīng)的評(píng)估系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)集成到大連海事大學(xué)的GMDSS模擬器中。實(shí)踐證明，JUE-75C型號(hào)Inmarsat-C船站仿真系統(tǒng)界面逼真，人機(jī)交互操作體驗(yàn)與真實(shí)設(shè)備接近，模擬效果良好。

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Simulation and Intelligent Assessment of Marine JUE-75C Inmarsat-C System

REN Hongxiang, YU Caorong

(Key Laboratory of Marine Simulation & Control for Ministry of Communications, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning，P.R.China)

In order to solve the problems of high cost, inefficiency, and easy triggering of false alarms when using actual equipment to do GMDSS training, it is necessary to develop a GMDSS simulation equipment. After analyzing the system composition and work flow of Inmarsat-C ship station, the entire framework of Inmarsat-C simulation system was built. And then the Inmarsat-C ship station (JUE-75C) was developed by using the C++ programming language, on the platform of Visual Studio 2010, which included the simulations of the terminal display equipment, the adjustment of ship-shore communication states, the message editing, the special effects, the record of operating steps and so on. Based on this, an evaluation model for operating the Inmarsat-C ship station was developed, followed by the development of the evaluation system. Simulation results show that the system has the advantages of high simulation, friendly interface and other advantages.

ship engineering; GMDSS simulator; system simulation; intelligent assessment

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.28

2015-06-26；

2015-08-13

國(guó)家"973計(jì)劃"基金項(xiàng)目(2009CB320805)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201202018)

任鴻翔(1974—)，男, 黑龍江肇東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事航海領(lǐng)域虛擬現(xiàn)實(shí)方面的研究。E-mail:dlmu_rhx@163.com。

余曹榮(1989—)，男, 福建永春人，碩士研究生，主要從事航海領(lǐng)域系統(tǒng)仿真方面的研究。E-mail:ycr.dlmu@gmail.com。

U665.13;TP391.9

A

1674-0696(2016)05-146-05