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經(jīng)驗(yàn)交流

多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)的研究
時(shí)間:2011年03月29日   作者:佚名  點(diǎn)擊次數(shù): 【字體:

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)亟待解決的問題。通過對(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言完成評(píng)估系統(tǒng)的整體開發(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)的開發(fā)也就成為一個(gè)亟待解決的問題。

目前國內(nèi)外多家單位分別展開了對(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)開發(fā)。

以上開發(fā)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)各有優(yōu)勢, 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, 但均無法對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行深入研究, 開發(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)庫管理模塊[5] (見圖1)

多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)的研究

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(見圖2) 。

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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)DCPATCPA進(jìn)行加權(quán)求平方和來確定船舶的避碰危險(xiǎn)度, 具體公式如下:

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(1), a,b分別為加權(quán)值, 對(duì)于右舷來船通常取a=5,b=0.5, 對(duì)于左舷來船通常取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)勢較多且局面復(fù)雜, 僅以DCPATCPA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)遇局面下無論采取什么措施都無法使所有目標(biāo)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(duì)速度比[7] 作為衡量避讓措施有效性的標(biāo)準(zhǔn)。

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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, DCPATCPA和相對(duì)速度比Vr2/Vr1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:

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轉(zhuǎn)向后, 在三角形△OAB中有:

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(2)~(4),

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

Vr1: 轉(zhuǎn)向前本船對(duì)目標(biāo)船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

Vr2: 轉(zhuǎn)向后本船對(duì)目標(biāo)船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

Cm=0.5時(shí)的轉(zhuǎn)向角度。

展開得到:

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2. 2  評(píng)估數(shù)學(xué)模型

1) 評(píng)估要素及其權(quán)重

評(píng)估要素選取的合理與否直接影響評(píng)估系統(tǒng)的合理性和可用性, 根據(jù)國家海事局制定的《航海船員適任考試和評(píng)估大綱》和駕駛專業(yè)的指導(dǎo)性教學(xué)計(jì)劃, 通過對(duì)國內(nèi)各評(píng)估機(jī)構(gòu)的廣泛調(diào)研和咨詢相關(guān)專家以及經(jīng)驗(yàn)豐富的教練員, 并根據(jù)實(shí)際評(píng)估中學(xué)生整體成績情況, 不斷調(diào)整權(quán)重, 確定如下各評(píng)估要素及其權(quán)重(見表1) 。

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2) 誤差分布函數(shù)

通過隨機(jī)抽樣, 提取了160份獨(dú)立有效的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估成績單, 利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的非參數(shù)分布假設(shè)檢驗(yàn)的方法, 得到表2中各評(píng)估要素的誤差分布函數(shù)。

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3) 誤差分布點(diǎn)

對(duì)于單個(gè)評(píng)估要素成績的求取, 根據(jù)學(xué)員的計(jì)算值和系統(tǒng)求取的標(biāo)準(zhǔn)值的誤差程度來確定。其中誤差分布點(diǎn)的求取如下: X 表示誤差的總體, 且總體的概率密度函數(shù)為f0(X) , 分布函數(shù)為F0(X) , t1、t2t3、t4為誤差分布點(diǎn)的值。

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其中評(píng)估等級(jí)的理論概率p1p2、p3、p4p5是未知的且不可求的, 只能利用實(shí)踐中一般概率來代替理論概率, 結(jié)合誤差分布函數(shù)可求得各評(píng)估要素的誤差分布點(diǎn), 如表3列出了TCPA的誤差分布點(diǎn)。

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4) 評(píng)估成績的確定

根據(jù)已求出的各評(píng)估要素的誤差分布點(diǎn), 確定學(xué)員各評(píng)估要素的評(píng)估成績。各評(píng)估要素的成績可由式(9)求取:

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由于每個(gè)評(píng)估要素對(duì)于評(píng)估結(jié)果的重要性不盡相同, 因此對(duì)學(xué)生標(biāo)繪評(píng)估綜合成績的評(píng)定采取加權(quán)平均法確定。其中權(quán)系數(shù)見表1。利用式(10)對(duì)各評(píng)估要素成績進(jìn)行加權(quán)求取學(xué)員的綜合評(píng)估成績:

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3 評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果

3. 1  評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果

多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)以航海模擬器為測試平臺(tái), 對(duì)一組受訓(xùn)學(xué)員(12)的雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行了評(píng)估(見圖4,5)

本船OS1: 航向C0= 000o􀀁航速V0= 12. 19 kn

目標(biāo)T1: 航向Ct1= 239. 0o

航速Vt1 1= 16. 99 kn

目標(biāo)T2: 航向Ct2= 131. 8o

航速Vt2= 15. 99 kn

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3. 2 系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果分析

對(duì)于12名學(xué)員的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估, 教練員和評(píng)估系統(tǒng)分別給出了相應(yīng)的等級(jí)和成績。圖6為系統(tǒng)評(píng)估得到的成績, 4為教練員的評(píng)估等級(jí)和系統(tǒng)評(píng)估成績的比對(duì)。由表4可以看出, 該系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果和教練員的評(píng)估結(jié)果基本一致, 表明本系統(tǒng)可以在很大程度上代替教練員對(duì)學(xué)生的訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估, 完善航海模擬器的實(shí)訓(xùn)功能。

多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)的研究

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4  結(jié)語

通過對(duì)多物標(biāo)避讓決策數(shù)學(xué)模型的研究, Visual C++作為開發(fā)工具, 開發(fā)了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)評(píng)估模型的多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測試及驗(yàn)證, 該系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)果和教練員的評(píng)估結(jié)果基本一致, 能夠客觀、真實(shí)地反映雷達(dá)模擬器培訓(xùn)和評(píng)估的過程, 可以運(yùn)用到多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估中去。

參考文獻(xiàn)

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[7]王曉瑾. 多船避碰決策的新方法[J] .大連海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào), 1988, 11(1):40-48.

WANG Xiao-jin. A New Method of DecisionMaking for Multi-ship Collision Avoidance [J] . Journal of Dalian Marine College. 1988, 11(1):40-48.

作者:楊曉 ,尹勇, 廉靜靜

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