摘要: 在利用航海模拟器进行雷达标绘训练中, 能否实现多物标雷达标绘的自动评估并保证评估结果的客观性和准确性已成为一个亟待解决的问题。通过对多物标雷达标绘进行深入研究, 构建了多物标雷达标绘评估系统的整体框架和流程图, 确定各评估要素及其权重,建立了各评估要素的误差分布函数, 利用Visual C++面向对象的语言完成评估系统的整体开发工作。

关键词: 船舶、舰船工程；多物标雷达标绘；评估系统；避碰决策；非参数假设检验

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

根据STCW (International Convention on Standards of Training, Certification and Watch-keepting for Seafarers)公约^[1]的要求, 利用航海模拟器进行雷达标绘训练已经成为一个重要的训练项目。目前对雷达标绘训练的评估还主要依赖教练员, 雷达标绘评估的客观性和准确性还有待进一步提高。因此, 自动雷达标绘评估系统的开发也就成为一个亟待解决的问题。

目前国内外多家单位分别展开了对雷达标绘评估系统的研究。大连海事大学航海动态仿真及控制交通部重点实验室开发了基于单物标的雷达标绘评估系统^[2], 该系统可以较好的完成单物标的雷达标绘评估。但该系统无法对多物标雷达标绘进行评估, 同时该系统缺乏主观评估要素。武汉理工大学利用模块化的设计方法也开发了相应的雷达标绘评估系统^[3], 但该系统也无法对多物标雷达标绘进行评估, 且该系统并不能完全达到自动水平, 学生输入数据有误时系统检测不到。日本神户商船大学PEDERSENE, INOUE K 等学者提出了在真矢量显示模式下利用环境压力模型对雷达标绘进行评估的方法^[4], 但未完成相应的系统开发。

以上开发的雷达标绘评估系统各有优势, 在利用雷达模拟器进行雷达标绘评估中起到了一定的作用, 但均无法对多物标雷达标绘进行评估。通过对多物标雷达标绘进行深入研究, 开发出了一套适用于多物标的雷达标绘评估系统, 该系统具有操作简单, 评估结果客观合理, 可以很好地代替教练员完成对学员的雷达标绘进行自动评估。

1  系统构成及流程

系统采用模块化的设计方案, 将系统功能分解为如下4个功能模块: 计算模块、标准避让决策模块、评估模块和数据库管理模块^[5] (见图1) 。

为保证评估系统的数据流向清晰合理, 设计了如下的评估系统流程图(见图2) 。

2 系统数学模型

2. 1 船舶避让决策模型

1) 避碰危险度模型

采用Kearon^[6]的评价方法, 对DCPA和TCPA进行加权求平方和来确定船舶的避碰危险度, 具体公式如下:

式(1)中, a,b分别为加权值, 对于右舷来船通常取a=5,b=0.5, 对于左舷来船通常取a=5,b=1。(值越小, 表明该目标船的碰撞危险度越大、越危险。

2) 多船避碰决策模型

在多船会遇中, 会遇态势较多且局面复杂, 仅以DCPA和TCPA作为判定避让措施有效性的标准远远不够, 在有些会遇局面下无论采取什么措施都无法使所有目标船均在安全DCPA和安全TCPA下通过, 在这种情况下可以引入了相对速度比^[7] 作为衡量避让措施有效性的标准。

以转向避让为例, 当多船会遇时, 根据避碰危险度确定避让重点船；根据 《1972 年国际海上避碰规则》, 确定针对重点船的航向改变角度；将拟转向角度叠加到原航向上得到模拟新航向, 以DCPA、TCPA和相对速度比V_r2/V_r1为检验标准, 验证此航向对下一目标船是否构成危险; 如果有危险, 则在模拟航向的基础上, 求出使第2个危险目标获得安全DCPA 的本船航向增量Cn , 以及使避让前后相对速度之比>2 的本船航向增量Cm, 比较两者取其小者为进一步叠加值；如此对所有目标做同样的判断, 循环直至求出最终值。转向逐次叠加的方向是单方向的, 且为国际海上避碰规则中对重点船避让要求的方向。其中Cm 的求取如下:

转向前, 在三角形△OAB中有:

转向后, 在三角形△OA＇B中有:

式(2)~式(4)中,

μ: 转向后相对运动速度和转向前相对运动速度之比, 此处取0.5。