李業(yè)，任鴻翔，王鵬志

(1.大連海事大學(xué) 航海動態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點實驗室，遼寧 大連 116026;2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266000)

雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與自動評估系統(tǒng)設(shè)計

李業(yè)1，任鴻翔1，王鵬志2

(1.大連海事大學(xué) 航海動態(tài)仿真和控制交通行業(yè)重點實驗室，遼寧 大連 116026;2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266000)

針對現(xiàn)有雷達(dá)標(biāo)繪評估不能完全做到無紙化、全自動化的問題，利用WPF開發(fā)框架及C#語言設(shè)計一種新型雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與自動評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括設(shè)備仿真子系統(tǒng)、試題子系統(tǒng)、評估子系統(tǒng)。設(shè)備仿真子系統(tǒng)提出雷達(dá)標(biāo)繪作業(yè)元素化技術(shù)，可實現(xiàn)對雷達(dá)設(shè)備和雷達(dá)標(biāo)繪作業(yè)的仿真；試題子系統(tǒng)制定評估試題，題型做到了對雷達(dá)標(biāo)繪評估綱要全覆蓋；評估子系統(tǒng)借助于標(biāo)繪作業(yè)元素化技術(shù)提出了一種對雷達(dá)標(biāo)繪過程評估的自動評估算法。測試表明，該系統(tǒng)完全滿足雷達(dá)標(biāo)繪的訓(xùn)練與自動評估需求，可實現(xiàn)雷達(dá)標(biāo)繪評估的全自動化、無紙化。

雷達(dá)標(biāo)繪；仿真；自動評估

雷達(dá)是船舶必不可少的重要導(dǎo)航設(shè)備之一，主要應(yīng)用于船舶定位、避碰與導(dǎo)航。隨著導(dǎo)航儀器的發(fā)展，雷達(dá)完成了由普通雷達(dá)到新一代雷達(dá)自動標(biāo)繪儀(ARPA)的轉(zhuǎn)變，另外船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)的應(yīng)用也為判斷會遇局面和碰撞危險以及船舶避碰的協(xié)調(diào)提供了極大的方便[1]。但這并不意味著雷達(dá)標(biāo)繪的重要性降低了，相反為了更好地了解ARPA和應(yīng)對ARPA無法使用的局面，熟練掌握雷達(dá)標(biāo)繪仍然很有必要。國際海事組織(IMO)A.482(XII)及A.483(XII)號決議建議締約國政府應(yīng)保證在進(jìn)行ARPA培訓(xùn)之前進(jìn)行雷達(dá)觀測與標(biāo)繪的培訓(xùn)，并指出駕駛員經(jīng)過適當(dāng)培訓(xùn)并勝任人工標(biāo)繪的重要性，鼓勵該項培訓(xùn)使用模擬器[2]。目前對于雷達(dá)標(biāo)繪評估采用的是受訓(xùn)人操作雷達(dá)真機或模擬器的同時，利用作圖工具在雷達(dá)標(biāo)繪紙上進(jìn)行標(biāo)繪作業(yè)，最后由評估員對受訓(xùn)人進(jìn)行評估打分。這種方式主觀性強，評估員勞動強度大，同時又受限于雷達(dá)標(biāo)繪作業(yè)，無法擺脫對航海作圖工具和作圖空間的依賴，訓(xùn)練評估成本高。近些年來，一些學(xué)者雖然對雷達(dá)標(biāo)繪自動評估系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但都局限于對雷達(dá)/ARPA模擬器和雷達(dá)標(biāo)繪評估模型的研究[3-8]，忽略了對雷達(dá)標(biāo)繪過程的模擬與評估，這使得雷達(dá)標(biāo)繪評估還不能完全做到無紙化、全自動化。本設(shè)計針對現(xiàn)有雷達(dá)標(biāo)繪自動評估系統(tǒng)的不足，利用Windows Presentation Foundation(WPF)開發(fā)框架及C#語言[9]，研發(fā)了一種新型雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與自動評估系統(tǒng)，可實現(xiàn)雷達(dá)標(biāo)繪全過程仿真與自動評估，真正做到雷達(dá)標(biāo)繪評估無紙化和全自動化。

1 系統(tǒng)組成

以功能區(qū)分，雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與自動評估系統(tǒng)主要由3部分組成，見圖1。

1)設(shè)備仿真子系統(tǒng)。包括雷達(dá)模擬器、雷達(dá)標(biāo)繪模擬器，主要實現(xiàn)對雷達(dá)真機和雷達(dá)標(biāo)繪作業(yè)的仿真，并記錄受訓(xùn)人員相關(guān)的操作步驟及結(jié)果數(shù)據(jù)。該子系統(tǒng)面向受訓(xùn)人，是整個訓(xùn)練和評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)與平臺。

2)試題子系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)試題庫的構(gòu)建與維護(hù)，實現(xiàn)出題功能，同時作為系統(tǒng)的教練員站，可在日常訓(xùn)練中編輯練習(xí)并發(fā)送至設(shè)備仿真子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)主要面向評估員和考務(wù)人員，是整個訓(xùn)練和評估系統(tǒng)的后臺。

3)評估子系統(tǒng)。完成評估試題的讀取與顯示，受訓(xùn)人員根據(jù)評估試題的要求，操作相應(yīng)的仿真設(shè)備，系統(tǒng)讀取受訓(xùn)人操作步驟及結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合后臺的評估標(biāo)準(zhǔn)和評估模型，給出受訓(xùn)人評估成績。該子系統(tǒng)面向受訓(xùn)人，是整個訓(xùn)練和評估系統(tǒng)的核心。

2 仿真關(guān)鍵技術(shù)與自動評估算法

2.1 仿真關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)于系統(tǒng)的仿真，主要包括雷達(dá)設(shè)備的仿真和雷達(dá)標(biāo)繪的仿真。由于雷達(dá)設(shè)備仿真技術(shù)已較為成熟，其關(guān)鍵技術(shù)雷達(dá)模擬器岸線回波的生成算法可參考文獻(xiàn)[10-11]。本文主要介紹雷達(dá)標(biāo)繪仿真中的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1.1 雷達(dá)標(biāo)繪工具的仿真

在實際雷達(dá)標(biāo)繪過程中，駕駛員主要借助于三角板、分規(guī)、平行尺、量角器等輔助工具，在雷達(dá)標(biāo)繪紙上用鉛筆來完成[12]。因此，雷達(dá)標(biāo)繪的仿真主要是對雷達(dá)標(biāo)繪工具外觀和功能的模擬。為方便日后維護(hù)與更新，本設(shè)計采用控件的形式對標(biāo)繪工具進(jìn)行開發(fā)。其中關(guān)鍵技術(shù)有：

1)標(biāo)繪工具外觀的仿真。雷達(dá)各標(biāo)繪工具因功能不同而形狀各異，而平行尺、分規(guī)等工具在操作過程中還可能發(fā)生外觀的改變。為解決這一問題，本設(shè)計采用二維圖形裁剪與幾何變換的方式來實現(xiàn)[13]。首先每個標(biāo)繪工具都有一個初始形狀，將其轉(zhuǎn)化為畫布控件上對應(yīng)的二維圖形，再根據(jù)所得的二維圖形，對畫布控件進(jìn)行裁剪，從而得到標(biāo)繪工具控件的最初外觀模型。然后根據(jù)標(biāo)繪工具的實際外觀，在控件模型上進(jìn)行刻度、標(biāo)志的繪制。但是諸如分規(guī)、平行尺等工具，外觀形狀并不是一直不變的，這時我們需要利用圖形的幾何變換來實現(xiàn)。當(dāng)控件因操作而形狀發(fā)生變化時，會產(chǎn)生相對于初始狀態(tài)坐標(biāo)、角度的變化，利用其坐標(biāo)、角度變化結(jié)合圖形的位移、旋轉(zhuǎn)、縮放等方法對最初二維圖形進(jìn)行幾何變換。將轉(zhuǎn)換后的二維圖形作為裁剪形狀對畫布進(jìn)行重新裁剪，對原有刻度、標(biāo)志信息進(jìn)行清除，依據(jù)相對位置關(guān)系對刻度、標(biāo)志進(jìn)行重新繪制，進(jìn)而完成整個控件形狀外觀的仿真。

開發(fā)過程中，對于二維圖形的裁剪和幾何變換，一般情況下可借助于WPF開發(fā)框架來完成，但有時一些特殊圖形的裁剪和特殊點幾何變換后位置點的計算，WPF開發(fā)框架無法直接提供，需要另行計算完成。其中關(guān)于二維圖形點的幾何變換可通過式(1)實現(xiàn)。

(1)

2)標(biāo)繪工具功能的仿真。如果說標(biāo)繪工具外觀的仿真是制造工具，那么標(biāo)繪工具功能的仿真就是使用工具。使用三角板畫線，操作者可以通過感受筆觸的阻力變化輕易畫出一條直線，但計算機很難做到這一點。為解決這一問題，本設(shè)計在每個標(biāo)繪工具控件上添加了鼠標(biāo)吸附功能，當(dāng)開啟這一功能，在一定距離范圍內(nèi)，鼠標(biāo)被吸附，隨后限定鼠標(biāo)移動范圍，使其只能按照控件輪廓移動，從而實現(xiàn)直線或圓弧的繪制。對于標(biāo)繪工具的操作使用，除去某些工具的特有操作，一般操作為旋轉(zhuǎn)、平移。對此本設(shè)計采用整體思想，對控件本身進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，平移操作，這樣既保證了功能的實現(xiàn)，又簡化了仿真。

2.1.2 標(biāo)繪作業(yè)元素化

為了方便標(biāo)繪的后續(xù)處理，將標(biāo)繪作業(yè)元素化，即標(biāo)繪過程中產(chǎn)生的每一個圖形，每一個文字都是一個獨立元素，可對這一元素進(jìn)行標(biāo)記、調(diào)整、刪除處理。例如，如果某一元素出現(xiàn)問題，可以通過對這一元素進(jìn)行調(diào)整或刪除處理，實現(xiàn)橡皮的局部擦除模擬。有時因評估需要，需要查找某一特定元素，可以預(yù)先對這一元素進(jìn)行標(biāo)記(即給元素賦予別名)，然后通過標(biāo)記對元素進(jìn)行查找。另外，通過標(biāo)繪作業(yè)元素化可實現(xiàn)標(biāo)繪作業(yè)的撤銷和重做與標(biāo)繪過程的記錄及回放。具體實現(xiàn)為：M為存放標(biāo)繪元素的容器類型，N為存放M類元素的容器類型，A為M類的實例，B、C為N類的實例。D為與艦操圖同樣的大小的畫布容器，置于艦操圖上方，背景色設(shè)為透明，用于標(biāo)繪作業(yè)使用，所有標(biāo)繪作業(yè)將在D上完成。每次標(biāo)繪作業(yè)完畢后，將A中元素清空，將D中元素復(fù)制到容器A，對A進(jìn)行復(fù)制并將A的復(fù)制對象添加到容器B的頂部，對容器C做清空處理。當(dāng)需要實現(xiàn)撤銷功能時，移除容器B的頂部對象，并將移除對象添加到容器C，清空D，然后將目前容器B頂部對象復(fù)制，將復(fù)制對象中標(biāo)繪元素全部添加到D中進(jìn)行呈現(xiàn)，進(jìn)而實現(xiàn)撤銷功能。如果撤銷操作不當(dāng)，需要實現(xiàn)重做功能時，清空D，將容器C頂部對象復(fù)制，并將復(fù)制對象中元素全部添加到D中呈現(xiàn)，最后移除C的頂部對象，并添加移除對象到容器B的頂部，進(jìn)而實現(xiàn)重做功能。關(guān)于標(biāo)繪作業(yè)過程的記錄與回放功能的實現(xiàn)，只需設(shè)置定時器，將撤銷或重做功能按順序觸發(fā)即可。

2.2 自動評估算法

采用專家法和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方式對雷達(dá)標(biāo)繪過程及結(jié)果進(jìn)行評估，即根據(jù)專家經(jīng)驗細(xì)分題型、標(biāo)繪過程，提取評估要素，設(shè)定合理的權(quán)重、門限值及隸屬度函數(shù)，形成完整評估模型，利用綜合評估法加權(quán)獲得受訓(xùn)人評估成績[14]。

雷達(dá)標(biāo)繪評估是對雷達(dá)標(biāo)繪過程和標(biāo)繪結(jié)果的評估。以往對于雷達(dá)標(biāo)繪的自動評估，由于缺乏雷達(dá)標(biāo)繪模擬器，無法對雷達(dá)標(biāo)繪過程進(jìn)行自動評估，只能對標(biāo)繪結(jié)果進(jìn)行自動評估。借助于新型雷達(dá)標(biāo)繪模擬系統(tǒng)，本設(shè)計提出了對雷達(dá)標(biāo)繪過程的自動評估算法：

雷達(dá)標(biāo)繪過程中，因受訓(xùn)人員標(biāo)繪水平和個人作圖習(xí)慣不同，會產(chǎn)生不同的標(biāo)繪過程。如果不加處理，直接對標(biāo)繪過程進(jìn)行評估，即使一個經(jīng)驗豐富的評估員也可能會出現(xiàn)誤判。

為實現(xiàn)雷達(dá)標(biāo)繪過程的自動評估，采取標(biāo)記要素思想對標(biāo)繪過程進(jìn)行處理。具體做法是：受訓(xùn)人員在進(jìn)行標(biāo)繪作業(yè)時，應(yīng)對其作圖要素進(jìn)行標(biāo)記，比如我船速度矢量，目標(biāo)船相對運動線等，不同要素對應(yīng)不同標(biāo)記，標(biāo)記規(guī)則由系統(tǒng)制定。這種做法既可以評判受訓(xùn)人是否進(jìn)行了相應(yīng)標(biāo)繪作業(yè)，也可評判受訓(xùn)人對雷達(dá)標(biāo)繪知識的了解程度，同時也為后續(xù)評估工作提供可能。這樣，對于雷達(dá)標(biāo)繪過程的評估就轉(zhuǎn)換為對雷達(dá)標(biāo)繪要素的評估。設(shè)某一試題標(biāo)繪要素集為VK={vk1,vk2,…,vkn},受訓(xùn)人標(biāo)繪作業(yè)產(chǎn)生的標(biāo)繪元素集為VT={vt1,vt2,…,vtn}。首先判斷VT是否為空，為空則標(biāo)繪過程得分為零，雷達(dá)標(biāo)繪過程的評估結(jié)束；若不為空則進(jìn)行下一步。比對標(biāo)繪要素集VK并查找VT中相應(yīng)標(biāo)記，得到篩選要素集VS={vs1,vs2,…,vsn}，判斷VS是否為空，為空則雷達(dá)標(biāo)繪過程的評估結(jié)束；若不為空則進(jìn)行下一步對標(biāo)繪過程準(zhǔn)確度的評估。系統(tǒng)根據(jù)篩選要素集VS中要素的標(biāo)記自動計算此要素對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)隸屬度函數(shù)與要素實際值比對，得到此要素的得分系數(shù)，進(jìn)而得到篩選要素集VS的要素得分系數(shù)集CS={cs1,cs2,…,csn}。根據(jù)標(biāo)繪要素集VK中要素權(quán)重值得到篩選要素集VS的權(quán)重集WS={ws1,ws2,…,wsn}。篩選要素集VS中每個元素的得分為元素權(quán)重值乘以得分系數(shù)，VS的總得分GS為各元素得分總和，即雷達(dá)標(biāo)繪過程得分為G=GS=WS·CS=w1·c1+w2·c2+…+wn·cn，進(jìn)而完成雷達(dá)標(biāo)繪過程的評估。雷達(dá)標(biāo)繪過程的評估整個流程如圖2所示。

雷達(dá)標(biāo)繪結(jié)果的評估是對評估要素的評估，評估算法與雷達(dá)標(biāo)繪過程中標(biāo)繪要素的評估一致。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 設(shè)備仿真子系統(tǒng)的實現(xiàn)

以VisualStudio2013為開發(fā)平臺，采用WPF開發(fā)框架，結(jié)合C#語言對仿真系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。其中WPF是微軟推出的新一代用戶界面框架，屬于.NETFramework3.0的一部分。它提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設(shè)計人員與開發(fā)人員的工作。

關(guān)于雷達(dá)設(shè)備的仿真，本設(shè)計采用目前實船使用較為廣泛的JRC-JMA-9100系列雷達(dá)作為仿真對象，雷達(dá)真機與仿真設(shè)備見圖3a)和3b)。

對于雷達(dá)標(biāo)繪中航海作圖工具的仿真，選取艦操繪算圖、TJ-1型量角器、IMPA-371001型航海分拉平行尺、IMPA-371007型航海三角尺、TFG-180型海圖分規(guī)作為仿真對象，見圖3c)，仿真結(jié)果見圖3d)，通過與實物比對發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計模擬的航海作圖工具，外觀和操作方式上均與實物一致。另外，為方便操作，作圖界面可隨意縮放，在標(biāo)繪界面右側(cè)添加了撤銷、刪除、線型選擇等快捷功能鍵。值得一提的是，本系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與評估，亦可進(jìn)行航跡繪算、雷達(dá)定位等海圖作業(yè)的模擬與訓(xùn)練。

3.2 試題子系統(tǒng)的實現(xiàn)

試題子系統(tǒng)集成了教練員站的部分功能。在日常訓(xùn)練中，評估員可根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)置航行環(huán)境向仿真子系統(tǒng)發(fā)送練習(xí)，例如設(shè)置本船初始位置、航速、航向、風(fēng)浪流影響以及目標(biāo)船位置、航向、航速等信息。

試題子系統(tǒng)根據(jù)《雷達(dá)操作與應(yīng)用評估綱要-雷達(dá)標(biāo)繪》制定評估題型，評估題型做到對評估綱要全覆蓋，包括轉(zhuǎn)向避讓措施、變速避讓措施、停船避讓措施三大類，然后在各大類中根據(jù)具體題目要求不同制定每道小題。出題人員可選擇題目的數(shù)量種類，設(shè)置具體參數(shù)值、權(quán)重值、考試時間等。出題界面下方有[試題預(yù)覽]按鈕，可供出題人員預(yù)覽試卷。出題人員確認(rèn)無誤后，點擊[生成試卷]，試卷將以XML文件形式保存，以供后續(xù)調(diào)閱及使用。圖4為試題子系統(tǒng)的實現(xiàn)。

3.3 評估子系統(tǒng)的實現(xiàn)

評估子系統(tǒng)即考試終端可完成評估試題的讀取與顯示，前臺僅顯示題干信息，試題評估參數(shù)和權(quán)重值在后臺存儲。受訓(xùn)人點擊[加載試題]進(jìn)入考試，考試環(huán)境會因試題不同而不同，且隨機產(chǎn)生，這樣既能保證考試的合理性，且能最大程度保證公平，避免發(fā)生雷同卷、抄襲等。受訓(xùn)人根據(jù)評估試題的要求進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)繪，考試終端讀取考生雷達(dá)標(biāo)繪過程及結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合受訓(xùn)人輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)后臺的評估標(biāo)準(zhǔn)和評估模型，給出受訓(xùn)人的評估成績。評估子系統(tǒng)實現(xiàn)如圖5所示。

圖6為雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與自動評估系統(tǒng)PC端運行界面，其中受訓(xùn)人可根據(jù)個人習(xí)慣選擇單屏或者雙屏模式。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有雷達(dá)標(biāo)繪評估不能完全做到無紙化、全自動化的問題，設(shè)計了一種新型雷達(dá)標(biāo)繪訓(xùn)練與自動評估系統(tǒng)。實現(xiàn)了對雷達(dá)標(biāo)繪的全過程、全功能仿真，提出基于標(biāo)繪作業(yè)元素化技術(shù)的雷達(dá)標(biāo)繪過程自動評估算法，實現(xiàn)了雷達(dá)標(biāo)繪評估的全自動化、無紙化。有效解決了雷達(dá)標(biāo)繪評估中存在的統(tǒng)一性和客觀性的問題，使得雷達(dá)標(biāo)繪評估不再完全依賴評估員，提高了評估效率，有效解決航海院校普遍存在的設(shè)備、作圖空間不足的問題。

本文介紹的評估系統(tǒng)對雷達(dá)標(biāo)繪模擬為二維模擬，存在操作不夠直觀、效果不夠逼真等問題。所使用的評估算法較為簡單，目前只能做到自動化評估，評估結(jié)果也不盡合理。未來主要工作包括將雷達(dá)標(biāo)繪二維模擬轉(zhuǎn)為更加形象逼真的三維模擬，并對評估算法進(jìn)行改進(jìn)，將自動化評估完善為智能化評估，使評估結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。

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Design of Radar Plotting Training and Automatic Assessment System

LI Ye1, REN Hong-xiang1, WANG Peng-zhi2

(1.Marine Dynamic Simulation & Control Laboratory, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao Shandong 266000, China)

In order to solve the problem of the assessment of radar plotting cannot completely achieve the paperless and automation, the WPF development framework and C# language were used to design a novel radar plotting training and the automatic assessment system. The system includes the subsystems of equipment simulation, questions and assessment. The equipment simulation subsystem achieves the simulation of radar equipment and radar plotting, proposes and uses the element technique of radar plotting operation; the questions subsystem makes the assessment questions, question types realize complete coverage of the outline to the radar plotting assessment; the assessment subsystem proposes an automatic evaluation algorithm for the radar plotting process by using the element technique. The testing results show that the system can meet the requirements of the training and automatic assessment of radar plotting, realize the full automation and paperless of the assessment.

radar plotting; simulation; automatic assessment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.042

2016-08-15

國家863課題(2015AA016404);交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2015329225240);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(3132016324)

李業(yè)(1989—)，男，碩士生

U665.22;TP391.9

A

1671-7953(2017)02-0180-05

修回日期：2016-09-08

研究方向:系統(tǒng)仿真、智能評估