任鴻翔，余曹榮

(大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制交通部重點實驗室，遼寧 大連 116026)

JUE-75C Inmarsat-C船站系統(tǒng)仿真與智能評估

任鴻翔，余曹榮

(大連海事大學 航海動態(tài)仿真和控制交通部重點實驗室，遼寧 大連 116026)

在分析了Inmarsat-C船站的系統(tǒng)組成和工作流程的基礎上，構建了Inmarsat-C仿真系統(tǒng)整體框架。在Visual Studio 2010開發(fā)平臺上，利用C++程序設計語言，開發(fā)了JUE-75C Inmarsat-C船站仿真系統(tǒng)，主要包括終端顯示器的仿真，船站通信狀態(tài)調整的仿真，報文編輯業(yè)務的仿真，特殊效果的仿真，用戶操作步驟的記錄等，在此基礎上，建立了C船站的實操評估模型，并開發(fā)了評估系統(tǒng)。仿真結果表明：該系統(tǒng)具有仿真度高、人機交互友好等優(yōu)點。

船舶工程；GMDSS模擬器；系統(tǒng)仿真；智能評估

0 引 言

全球海上遇險和安全系統(tǒng)(global maritime distress and safety system, GMDSS)是國際海事組織(international maritime organization, IMO)利用現(xiàn)代化的通信技術改善海上遇險與安全通信而建立的一套龐大而高效的綜合性全球搜救通信系統(tǒng)[1]。Inmarsat-C系統(tǒng)是GMDSS的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要組成部分之一，它是全數字化的電文/數據通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用存儲轉發(fā)通信方式，抗干擾性強，通信可靠性高。Inmarsat-C系統(tǒng)在海上遇險與安全通信、目標監(jiān)控和數據采集與監(jiān)控控制(SCADA)等領域有著廣泛的應用[2]。根據海上人命安全公約(safety of life at sea, SOLAS)的相關要求以及IMO1995年締約國大會修正的1978年海員培訓、發(fā)證和值班標準公約(International Convention on Standards of Training, Certification and Watch keeping for Seafarers, 1978, amended in 1995, STCW78/95)的有關規(guī)定，必須對GMDSS無線電操作員進行培訓、適任評估和發(fā)證，所使用的設備可以是經過相關認證的真實設備，也可以是相應的GMDSS模擬器。STCW公約還特別強調了航海模擬器在航海教育中的作用以及采用模擬器獲取海上技能能力的必要性[3]。使用GMDSS真實設備進行實操培訓容易因為誤操作引起誤報警[4]，而使用GMDSS模擬器則可以避免這一可能性，同時可提高培訓效率，降低培訓成本，是一種安全、有效的手段，并且可以彌補船員培訓、實訓能力的不足。所以對Inmarsat-C站系統(tǒng)進行仿真具有較強的現(xiàn)實意義。國內學者在C站仿真方面雖做了一些工作，但仿真的設備型號較陳舊，逼真度也有待提高[5-6]，陳朝陽等[7]對C站的一些功能做了文字性介紹，無配圖加以說明?？紤]到目前由日本JRC(Japan Radio Co., Ltd.)公司生產的JUE-75C廣泛地應用在各類型船舶上，筆者對該型號設備進行高效、逼真模擬，對用戶的操作過程進行有針對性的記錄，在此基礎上，提出了C站的實操評估模型并開發(fā)了相應的評估系統(tǒng)。

1 Inmarsat-C系統(tǒng)組成

Inmarsat-C船站分為甲板上設備和甲板下設備，或分為室外設備(externally mounted equipment, EME)和室內設備(internally mounted equipment, IME)。甲板上設備(EME)包括天線、低噪聲放大器、功率放大器和雙工濾波器。它的主要功能是完成射頻信號的處理。甲板下設備(IME)包括頻率變換器、調制與解調器、頻率合成器、編譯碼器、信令控制和信息處理及相應的接口等單元。Inmarsat-C船站的外圍終端一般包括PC機、打印機、蜂鳴器、GPS設備、電源等，如圖1。甲板下設備是本仿真系統(tǒng)的核心仿真對象。

2 仿真系統(tǒng)整體架構

JUE-75C Inmarsat-C站的仿真重點是將多個組件(終端顯示器(date terminal equipment, DTE)、室內設備、外部電源提供單元(external power supply unit, EXT PSU)、快速報警面板(distress button, DB)等)有效的在一個顯示界面上組織起來，并且保證它們的數據流可以按照實際工作狀態(tài)進行流轉。首先，設備的開關以及緊急報警部分使用鼠標進行觸發(fā)操作；當系統(tǒng)啟動完畢后，絕大部分的操作只能使用鍵盤來進行，如報文的編輯與存儲、窗口的跳轉等；數據顯示終端是信息的集散地，它可以與報警組件和其他相關數據進行聯(lián)動。設計系統(tǒng)流程如圖2。

本仿真系統(tǒng)是在Windows環(huán)境下運行的，而基于PC端的軟件開發(fā)C++編程語言具有天然的優(yōu)勢，故實際開發(fā)過程中選擇Microsoft Visual Studio 2010作為開發(fā)平臺，C++作為開發(fā)語言?？紤]到Inmarsat-C船站仿真系統(tǒng)要集成到的GMDSS模擬器中，為了便于系統(tǒng)調試，這里采用動態(tài)鏈接庫(dynamic link library, DLL)方式編寫程序模塊，屆時與GMDSS模擬器集成時只需調用相應的DLL文件[8]。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 System flow chart

3 仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

考慮到JUE-75C Inmarsat-C船站由多個組件組成，故在系統(tǒng)仿真中將其統(tǒng)一在一個操作界面上，在符合實際情況的基礎上增加系統(tǒng)界面的友好性和用戶使用的方便性，如圖3。

圖3 Inmarsat-C站組件界面Fig.3 The interface of Inmarsat-C

3.1 終端顯示器的仿真

JUE-75C Inmarsat-C船站的終端顯示器的界面是類似于早期的"磁盤操作系統(tǒng)"(disk operating system, DOS)。設備界面模擬的逼真與否可從一定程度上體現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)劣[9]，所以需要在現(xiàn)行的桌面交互式操作系統(tǒng)環(huán)境中仿真出DOS操作界面和純鍵盤操作[10]，實現(xiàn)這個功能需要限制鼠標的活動范圍，即在模擬的終端顯示區(qū)域內鼠標無效，只能使用鍵盤進行操作，如圖4。

圖4 仿真數據終端DOS環(huán)境Fig.4 The simulation of DTE

在仿真實現(xiàn)上，JUE-75C船站菜單界面較多，且它們之間存在多層級的互相調用，同時在設置遇險報警參數的過程中存在“不必退出窗口，便可打開報警蓋進行快速報警的操作”這一跨窗口操作的情況，故采用非模式對話框，同時利用數據結構棧(Stack)將其串聯(lián)起來，每當系統(tǒng)彈出新的界面時便將其進行入棧操作(Stack.Push())，而當界面退出時即對其進行出棧操作(Stack.Pop())，由此可以做到不同界面有條不紊的相互跳轉。

3.2 船站通信狀態(tài)調整的仿真

當Inmarsat-C船站的使用者進入“NCS/LES INFO”菜單指令時，可以觸發(fā)衛(wèi)星的改變、洋區(qū)的設置以及岸站的查詢與登記。由于洋區(qū)的改變同時意味著衛(wèi)星的重新選擇，所以仿真系統(tǒng)要模擬洋區(qū)變化引起的各種情況。Inmarsat采用靜止衛(wèi)星中繼，其第三代工作衛(wèi)星共有4顆，分別位于大西洋東區(qū)(AOR-E)、大西洋西區(qū)(AOR-W)、印度洋區(qū)(IOR)和太平洋區(qū)(POR)上空約36 000 km的地球同步軌道上，無縫隙覆蓋了除南北兩極以外的全球區(qū)域。根據船位與上述4顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的關系，判斷船位是否在所選對的洋區(qū)范圍內。當船位不在欲選洋區(qū)時，系統(tǒng)將彈出選擇出錯提示框。反之，將彈出選擇成功提示框。

3.3 報文編輯業(yè)務的仿真

報文編輯有兩種模式：一種是美國信息交換標準代碼模式(ASCII Mode)，另一種是文本模式(Telex File Mode)。文本模式的編寫過程中有些特殊字符是不允許輸入的，為了對報文編輯環(huán)境進行仿真，并且對特殊字符進行處理，筆者在對話框中嵌入一個文本編輯控件，將編輯控件關聯(lián)一個變量，通過這一變量進行敏感數據的實時處理，屏蔽相關非法字符，技術上重載了MFC消息控制流中的CWnd類的虛函數PreTranslateMessage(MSG* pMsg)，當控件變量接收到了非法字符，該函數返回TRUE，將攔截消息的分發(fā)，實現(xiàn)了對非法字符的屏蔽目的。報文界面如圖5。

圖5 報文編輯界面Fig.5 The interface of message edition

3.4 特殊效果的仿真

JUE-75C Inmarsat-C船站設備的一個顯著特點是數據終端顯示屏絕大部分菜單具有閃爍效果，人機交互界面友好，用戶體驗良好。這一特點也給仿真帶來一定難度，仿真過程中若控制不佳容易引起系統(tǒng)資源(如畫刷、畫筆等)的耗盡，從而引發(fā)屏幕發(fā)白、程序崩潰等現(xiàn)象。筆者借鑒了哈希表(HASH TABLE)直接定值法(Direct Address)的算法思想，將JUE-75C終端顯示器所涉及到的菜單界面逐一編號，并以之為關鍵字(Key)，菜單所占的矩形大小為哈希值，由此建立起菜單和其位置的一一映射關系函數。該函數屬于一一對應的散列函數，當跳到某一菜單時，得到唯一對應的位置，調用MFC的局部刷新函數，僅對該位置的區(qū)域進行重繪。該算法的時間復雜度為O(1)。

3.5 操作步驟的記錄

一個良好的系統(tǒng)架構應該考慮到未來可能的需求并提供必要的接口支持。Inmarsat-C船站模擬系統(tǒng)預留了學員軟件操作的步驟記錄這一接口，為搭建Inmarsat-C船站評估系統(tǒng)做好基礎準備工作。JUE-75C Inmarsat-C船站需要記錄的變量眾多，針對各個功能將之分門別類，如表1。由于篇幅所限表1中僅列出部分變量。

表1 JUE-75C Inmarsat-C船站變量采集表

3.6 實操評估模型的設計與實現(xiàn)

GMDSS模擬訓練的評估應該減少以人為主導的定性評估，而力求以計算機自動評估為手段的客觀、公正的定量評估。為此有必要在所開發(fā)的Inmarsat-C站仿真軟件上建立相應的評估系統(tǒng)。根據海船船員適任評估規(guī)范，考慮船員操縱評估的合理性，主要從任務是否完成、操縱時間和操作步驟3大方面來設計評估模型。JUE-75C Inmarsat-C船站評估總成績的計算公式為：

(1)

WMTW+WMSW=1

(2)

式中：AER為評估總成績(evaluation result)；BMT為船站評估得到的關于操縱時間的分數(manipulation time)；BMS為評估得到的關于操縱步驟的分數(manipulation step)；Ta為評估操縱實際使用時間；f(t) 為判斷任務是否完成的函數；WMTW,WMSW分別為操縱時間和操縱步驟的權重。

對于評估得到的操縱時間分：

BMT=Bm·[1-(Ta-Tn)/Tn],0

(3)

式中：Bm為評估操縱時間基礎分；Tn為評估操縱時用戶使用的標準時間。

對于評估得到的操縱步驟分：

(4)

式中：xi為評估操縱時第i步基準分；Se為評估操縱時的錯誤步驟總數；Dj為評估操縱第j步失誤扣分。

對于判斷任務是否完成的函數f(t) 如下：

(5)

式中:Tm為評估時任務完成的最大時間限制。

JUE-75C Inmarsat-C船站實操評估算法的具體流程如圖6。

圖6 評估算法流程Fig. 6 The flow chart of evaluation algorithm

例如，某試題“開啟設備，待設備入網成功以后，執(zhí)行一次PV測試，編輯一份遇險優(yōu)先等級的電文并以AA作為文件名保存，然后通過北京地面站發(fā)送給中國海上搜救中心”的評估過程為學員按題目要求進行操作，系統(tǒng)將調用全局結構體JRC75CRecord對每一步驟進行實時的記錄，并且按照圖所示算法進行計算。學員的每一步操作得分與否保存在特定結構的XML文本文件中，在學員答題完畢后系統(tǒng)給出成績，如圖7。

圖7 評估結果Fig. 7 Evaluation result

4 結 語

所開發(fā)的仿真軟件模擬了JUE-75C型號的Inmarsat-C船站設備的主要功能，如基本菜單之間的調用與跳轉、DOS操作環(huán)境、報文的編輯與發(fā)送、數據的存儲與顯示、遇險報警等，并在C站仿真軟件的基礎上建立了實操評估模型，構建了相應的評估系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經集成到大連海事大學的GMDSS模擬器中。實踐證明，JUE-75C型號Inmarsat-C船站仿真系統(tǒng)界面逼真，人機交互操作體驗與真實設備接近，模擬效果良好。

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Simulation and Intelligent Assessment of Marine JUE-75C Inmarsat-C System

REN Hongxiang, YU Caorong

(Key Laboratory of Marine Simulation & Control for Ministry of Communications, Dalian Maritime University, Dalian 116026, Liaoning，P.R.China)

In order to solve the problems of high cost, inefficiency, and easy triggering of false alarms when using actual equipment to do GMDSS training, it is necessary to develop a GMDSS simulation equipment. After analyzing the system composition and work flow of Inmarsat-C ship station, the entire framework of Inmarsat-C simulation system was built. And then the Inmarsat-C ship station (JUE-75C) was developed by using the C++ programming language, on the platform of Visual Studio 2010, which included the simulations of the terminal display equipment, the adjustment of ship-shore communication states, the message editing, the special effects, the record of operating steps and so on. Based on this, an evaluation model for operating the Inmarsat-C ship station was developed, followed by the development of the evaluation system. Simulation results show that the system has the advantages of high simulation, friendly interface and other advantages.

ship engineering; GMDSS simulator; system simulation; intelligent assessment

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.28

2015-06-26；

2015-08-13

國家"973計劃"基金項目(2009CB320805)；遼寧省自然科學基金項目(201202018)

任鴻翔(1974—)，男, 黑龍江肇東人，教授，博士生導師，主要從事航海領域虛擬現(xiàn)實方面的研究。E-mail:dlmu_rhx@163.com。

余曹榮(1989—)，男, 福建永春人，碩士研究生，主要從事航海領域系統(tǒng)仿真方面的研究。E-mail:ycr.dlmu@gmail.com。

U665.13;TP391.9

A

1674-0696(2016)05-146-05