摘要: 在利用航海模擬器進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練中, 能否實(shí)現(xiàn)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪的自動(dòng)評(píng)估并保證評(píng)估結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行深入研究, 構(gòu)建了多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)的整體框架和流程圖, 確定各評(píng)估要素及其權(quán)重,建立了各評(píng)估要素的誤差分布函數(shù), 利用Visual C++面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言完成評(píng)估系統(tǒng)的整體開(kāi)發(fā)工作。

關(guān)鍵詞: 船舶、艦船工程；多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪；評(píng)估系統(tǒng)；避碰決策；非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)

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(jù)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(jìn)行雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練已經(jīng)成為一個(gè)重要的訓(xùn)練項(xiàng)目。目前對(duì)雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練的評(píng)估還主要依賴教練員, 雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估的客觀性和準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高。因此, 自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外多家單位分別展開(kāi)了對(duì)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)的研究。大連海事大學(xué)航海動(dòng)態(tài)仿真及控制交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了基于單物標(biāo)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)^[2], 該系統(tǒng)可以較好的完成單物標(biāo)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估。但該系統(tǒng)無(wú)法對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評(píng)估, 同時(shí)該系統(tǒng)缺乏主觀評(píng)估要素。武漢理工大學(xué)利用模塊化的設(shè)計(jì)方法也開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)^[3], 但該系統(tǒng)也無(wú)法對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評(píng)估, 且該系統(tǒng)并不能完全達(dá)到自動(dòng)水平, 學(xué)生輸入數(shù)據(jù)有誤時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)不到。日本神戶商船大學(xué)PEDERSENE, INOUE K 等學(xué)者提出了在真矢量顯示模式下利用環(huán)境壓力模型對(duì)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評(píng)估的方法^[4], 但未完成相應(yīng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

以上開(kāi)發(fā)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)各有優(yōu)勢(shì), 在利用雷達(dá)模擬器進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估中起到了一定的作用, 但均無(wú)法對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行深入研究, 開(kāi)發(fā)出了一套適用于多物標(biāo)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng), 該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單, 評(píng)估結(jié)果客觀合理, 可以很好地代替教練員完成對(duì)學(xué)員的雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估。

1  系統(tǒng)構(gòu)成及流程

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案, 將系統(tǒng)功能分解為如下4個(gè)功能模塊: 計(jì)算模塊、標(biāo)準(zhǔn)避讓決策模塊、評(píng)估模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊^[5] (見(jiàn)圖1) 。

為保證評(píng)估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向清晰合理, 設(shè)計(jì)了如下的評(píng)估系統(tǒng)流程圖(見(jiàn)圖2) 。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2. 1 船舶避讓決策模型

1) 避碰危險(xiǎn)度模型

采用Kearon^[6]的評(píng)價(jià)方法, 對(duì)DCPA和TCPA進(jìn)行加權(quán)求平方和來(lái)確定船舶的避碰危險(xiǎn)度, 具體公式如下:

式(1)中, a,b分別為加權(quán)值, 對(duì)于右舷來(lái)船通常取a=5,b=0.5, 對(duì)于左舷來(lái)船通常取a=5,b=1。(值越小, 表明該目標(biāo)船的碰撞危險(xiǎn)度越大、越危險(xiǎn)。

2) 多船避碰決策模型

在多船會(huì)遇中, 會(huì)遇態(tài)勢(shì)較多且局面復(fù)雜, 僅以DCPA和TCPA作為判定避讓措施有效性的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, 在有些會(huì)遇局面下無(wú)論采取什么措施都無(wú)法使所有目標(biāo)船均在安全DCPA和安全TCPA下通過(guò), 在這種情況下可以引入了相對(duì)速度比^[7] 作為衡量避讓措施有效性的標(biāo)準(zhǔn)。

以轉(zhuǎn)向避讓為例, 當(dāng)多船會(huì)遇時(shí), 根據(jù)避碰危險(xiǎn)度確定避讓重點(diǎn)船；根據(jù) 《1972 年國(guó)際海上避碰規(guī)則》, 確定針對(duì)重點(diǎn)船的航向改變角度；將擬轉(zhuǎn)向角度疊加到原航向上得到模擬新航向, 以DCPA、TCPA和相對(duì)速度比V_r2/V_r1為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn), 驗(yàn)證此航向?qū)ο乱荒繕?biāo)船是否構(gòu)成危險(xiǎn); 如果有危險(xiǎn), 則在模擬航向的基礎(chǔ)上, 求出使第2個(gè)危險(xiǎn)目標(biāo)獲得安全DCPA 的本船航向增量Cn , 以及使避讓前后相對(duì)速度之比>2 的本船航向增量Cm, 比較兩者取其小者為進(jìn)一步疊加值；如此對(duì)所有目標(biāo)做同樣的判斷, 循環(huán)直至求出最終值。轉(zhuǎn)向逐次疊加的方向是單方向的, 且為國(guó)際海上避碰規(guī)則中對(duì)重點(diǎn)船避讓要求的方向。其中Cm 的求取如下:

轉(zhuǎn)向前, 在三角形△OAB中有:

轉(zhuǎn)向后, 在三角形△OA＇B中有:

式(2)~式(4)中,

μ: 轉(zhuǎn)向后相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)向前相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度之比, 此處取0.5。