摘要: 在利用航海模擬器進(jìn)行雷達標繪訓練中, 能否實(shí)現多物標雷達標繪的自動(dòng)評估并保證評估結果的客觀(guān)性和準確性已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)對多物標雷達標繪進(jìn)行深入研究, 構建了多物標雷達標繪評估系統的整體框架和流程圖, 確定各評估要素及其權重,建立了各評估要素的誤差分布函數, 利用Visual C++面向對象的語(yǔ)言完成評估系統的整體開(kāi)發(fā)工作。

關(guān)鍵詞: 船舶、艦船工程；多物標雷達標繪；評估系統；避碰決策；非參數假設檢驗

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)行雷達標繪訓練已經(jīng)成為一個(gè)重要的訓練項目。目前對雷達標繪訓練的評估還主要依賴(lài)教練員, 雷達標繪評估的客觀(guān)性和準確性還有待進(jìn)一步提高。因此, 自動(dòng)雷達標繪評估系統的開(kāi)發(fā)也就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前國內外多家單位分別展開(kāi)了對雷達標繪評估系統的研究。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)驗室開(kāi)發(fā)了基于單物標的雷達標繪評估系統^[2], 該系統可以較好的完成單物標的雷達標繪評估。但該系統無(wú)法對多物標雷達標繪進(jìn)行評估, 同時(shí)該系統缺乏主觀(guān)評估要素。武漢理工大學(xué)利用模塊化的設計方法也開(kāi)發(fā)了相應的雷達標繪評估系統^[3], 但該系統也無(wú)法對多物標雷達標繪進(jìn)行評估, 且該系統并不能完全達到自動(dòng)水平, 學(xué)生輸入數據有誤時(shí)系統檢測不到。日本神戶(hù)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)境壓力模型對雷達標繪進(jìn)行評估的方法^[4], 但未完成相應的系統開(kāi)發(fā)。

以上開(kāi)發(fā)的雷達標繪評估系統各有優(yōu)勢, 在利用雷達模擬器進(jìn)行雷達標繪評估中起到了一定的作用, 但均無(wú)法對多物標雷達標繪進(jìn)行評估。通過(guò)對多物標雷達標繪進(jìn)行深入研究, 開(kāi)發(fā)出了一套適用于多物標的雷達標繪評估系統, 該系統具有操作簡(jiǎn)單, 評估結果客觀(guān)合理, 可以很好地代替教練員完成對學(xué)員的雷達標繪進(jìn)行自動(dòng)評估。

1  系統構成及流程

系統采用模塊化的設計方案, 將系統功能分解為如下4個(gè)功能模塊: 計算模塊、標準避讓決策模塊、評估模塊和數據庫管理模塊^[5] (見(jiàn)圖1) 。

為保證評估系統的數據流向清晰合理, 設計了如下的評估系統流程圖(見(jiàn)圖2) 。

2 系統數學(xué)模型

2. 1 船舶避讓決策模型

1) 避碰危險度模型

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

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

2) 多船避碰決策模型

在多船會(huì )遇中, 會(huì )遇態(tài)勢較多且局面復雜, 僅以DCPA和TCPA作為判定避讓措施有效性的標準遠遠不夠, 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速度比^[7] 作為衡量避讓措施有效性的標準。

以轉向避讓為例, 當多船會(huì )遇時(shí), 根據避碰危險度確定避讓重點(diǎn)船；根據 《1972 年國際海上避碰規則》, 確定針對重點(diǎn)船的航向改變角度；將擬轉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為檢驗標準, 驗證此航向對下一目標船是否構成危險; 如果有危險, 則在模擬航向的基礎上, 求出使第2個(gè)危險目標獲得安全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；如此對所有目標做同樣的判斷, 循環(huán)直至求出最終值。轉向逐次疊加的方向是單方向的, 且為國際海上避碰規則中對重點(diǎn)船避讓要求的方向。其中Cm 的求取如下:

轉向前, 在三角形△OAB中有:

轉向后, 在三角形△OA＇B中有:

式(2)~式(4)中,

μ: 轉向后相對運動(dòng)速度和轉向前相對運動(dòng)速度之比, 此處取0.5。