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)繪的自動評估并保證評估結(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)繪評估系統(tǒng)的整體框架和流程圖, 確定各評估要素及其權(quán)重,建立了各評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。目前對雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練的評估還主要依賴教練員, 雷達(dá)標(biāo)繪評估的客觀性和準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步提高。因此, 自動雷達(dá)標(biāo)繪評估系統(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雷達(dá)標(biāo)繪評估系統(tǒng)的研究。大連海事大學(xué)航海動態(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)繪評估。但該系統(tǒng)無法對多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評估, 同時(shí)該系統(tǒng)缺乏主觀評估要素。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)繪評估系統(tǒng)^[3], 但該系統(tǒng)也無法對多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評估, 且該系統(tǒng)并不能完全達(dá)到自動水平, 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)境壓力模型對雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評估的方法^[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)繪評估中起到了一定的作用, 但均無法對多物標(biāo)雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行評估。通過對多物標(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)繪評估系統(tǒng), 該系統(tǒng)具有操作簡單, 評估結(jié)果客觀合理, 可以很好地代替教練員完成對學(xué)員的雷達(dá)標(biāo)繪進(jìn)行自動評估。

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、評估模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊^[5] (見圖1) 。

為保證評估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向清晰合理, 設(shè)計(jì)了如下的評估系統(tǒng)流程圖(見圖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]的評價(jià)方法, 對DCPA和TCPA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:

式(1)中, a,b分別為加權(quán)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(biāo)船的碰撞危險(xiǎn)度越大、越危險(xiǎn)。

2) 多船避碰決策模型

在多船會遇中, 會遇態(tài)勢較多且局面復(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)向后相對運(yùn)動速度和轉(zhuǎn)向前相對運(yùn)動速度之比, 此處取0.5。