廉靜靜,楊　曉

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

船用仿真導航儀智能評估系統(tǒng)開發(fā)與應用

廉靜靜,楊曉

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

摘要：為滿足學生船舶導航訓練和評估的需求，避免評估員在評估過程中存在標準統(tǒng)一性和客觀性問題，利用大圓航線算法和ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)開發(fā)了船用仿真導航儀設(shè)備，采用專家法與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方法建立評估模型，研發(fā)該仿真導航儀的智能評估系統(tǒng)。該智能評估系統(tǒng)仿真設(shè)備的操作界面與操作功能與真機相似，具有完全的視覺感，能夠滿足學生的實操培訓需求，且已應用于航海儀器智能評估系統(tǒng)中，效果良好。

關(guān)鍵詞：航線設(shè)計；數(shù)據(jù)庫訪問；評估模型；試題設(shè)計

為使船舶駕駛員能夠熟練操作使用船用GPS導航儀，從而保障船舶航行的安全，中華人民共和國海事局于2009年頒布實施了《中國人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范》。該規(guī)范對學員實際操作GPS導航儀[1]的考核內(nèi)容進行了明確說明和規(guī)定。目前，海事院校的學生培訓過程中，一般利用船用GPS導航儀真機訓練，受經(jīng)費、場地等因素制約，船用GPS導航儀設(shè)備配備數(shù)量不足，同時，實驗室里船用GPS導航儀接收天線固定不變，這就相當于船舶總是處于靜止狀態(tài)，沒有速度、航向，導致實驗室中的船用GPS導航儀的許多功能不能使用，也就無法讓學生練習相應功能的操作。雖然部分海事院校自己開發(fā)了船用GPS仿真導航儀展開訓練，但由于設(shè)備型號老舊，與實船裝備的船用GPS導航儀相去甚遠，因此，開發(fā)一套主流的船用GPS仿真導航儀用于實操訓練迫在眉睫。同時，船用GPS導航儀真機評估長期依賴于評估員，評估過程中存在著標準不統(tǒng)一和客觀性的問題，開發(fā)該仿真設(shè)備的智能評估系統(tǒng)可有效解決上述問題。

GPS可在全球范圍內(nèi)實時進行授時、定位和導航，是商船上最為重要的定位和導航設(shè)備，可為整個綜合駕駛臺系統(tǒng)(integrated bridge system,IBS)提供必要的航行相關(guān)數(shù)據(jù)。目前，船用GPS仿真導航儀的開發(fā)思路主要有兩種：硬件仿真和軟件仿真。采用硬件仿真時，利用單片機設(shè)計了GPS仿真接收機[2-3]，其缺點在于采用單片機設(shè)計船用GPS仿真接收機存在設(shè)備損壞率高、不通用、數(shù)量受限等。采用軟件仿真時，常選用不同的開發(fā)平臺對GPS導航儀進行界面仿真和功能模擬[4-6]。在智能評估系統(tǒng)方面，目前大連海事大學航海動態(tài)仿真與控制實驗室已開展了相關(guān)研究[7-8]，并已有一定研究成果。在上述研究的基礎(chǔ)上，首先對智能評估系統(tǒng)整體架構(gòu)進行設(shè)計，解決導航儀設(shè)備仿真中航路點設(shè)置和航線設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，對設(shè)計評估試題和建立評估模型提出了相應的解決方案。

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

船用GPS仿真導航儀智能評估系統(tǒng)整體的設(shè)計架構(gòu)主要包含兩大模塊：導航儀設(shè)備的仿真和智能評估系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)，其架構(gòu)見圖1。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)示意

設(shè)備仿真包含界面仿真和功能模塊模擬，界面仿真采用雙緩沖技術(shù)實現(xiàn)，使得仿真的導航儀面板與按鍵操作與真機一致；功能模塊模擬指航路點設(shè)置、航線設(shè)計、報警單元設(shè)置和天線高度設(shè)置等。智能評估包含評估模型建立和評估試題設(shè)計，評估模型采用專家法和隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)，評估試題的設(shè)計嚴格遵循《海船船員適任評估規(guī)范》的要求編制。

2設(shè)備仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1面板仿真

船用GPS仿真導航儀的面板和按鍵通常情況下并不是一個規(guī)則的窗體，為此，首先將真機的圖片利用Photoshop圖像處理軟件進行處理，獲得一幅按鍵按下的圖片，在程序運行過程中，交替使用按鍵按下和按鍵彈出兩張位圖，實現(xiàn)操作按鍵的效果。具體實現(xiàn)方法是：首先定義一個內(nèi)存顯示設(shè)備對象和位圖對象，通過相應的函數(shù)分別建立一個與屏幕顯示兼容的內(nèi)存顯示設(shè)備和一個與屏幕顯示兼容的位圖(位圖的大小可選用窗口客戶區(qū)的大小)，同時加載按鍵按下和按鍵彈出的兩張位圖資源，然后將位圖選入到內(nèi)存顯示設(shè)備中。只有選入了位圖的內(nèi)存顯示設(shè)備才有地方繪圖，畫到指定的位置上，最后將內(nèi)存中的位圖拷貝到屏幕上顯示。

2.2航路點計算

船用GPS仿真導航儀航路點經(jīng)緯度位置的計算是整個船用GPS仿真導航儀智能評估系統(tǒng)的精髓。船舶在海洋航行中從起點以最短距離航行到目的地必然是以大圓航行，GPS的航路點經(jīng)緯度的設(shè)置和航線計算均以大圓航線算法計算所得。目前，求算大圓航線的方法主要有3種方法[9]：大圓海圖法，大圓改正量法和公式計算法，由于公式計算法易于編程，本文優(yōu)先選用該方法。船舶GPS航路點設(shè)置是航線設(shè)計的基石。FURUNO GP-150導航儀可以根據(jù)兩個航路點相對距離和方位計算出下一個航路點經(jīng)緯度[10]，假定起始航路點的緯度φ1，經(jīng)度λ1，相對于該起始點的相對距離為S，航向為C的航路點的緯度φ2，經(jīng)度λ2的計算如下。

(1)

(2)

(3)

式中:

2.3航線設(shè)計

船用GPS仿真導航儀的航線設(shè)計模塊是實現(xiàn)船舶導航的前提。船用GPS航線設(shè)計仿真模塊中，可以采用大圓航線的公式計算法，可求得所有已經(jīng)選擇的相鄰兩個航路點間的某段航程，然后將得到所有某段航程累加，獲得整個航線的總航程。根據(jù)船舶的船速，求得完成該航線所需的航行時間(time to go,TTG)。假定已經(jīng)選擇的相鄰兩個航路點經(jīng)緯度分別為(φ1，λ1)和(φ2，λ2)，可求得該段航程S和航向C。

(4)

(5)

2.4數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)

船用GPS仿真導航儀智能評估系統(tǒng)的開發(fā)，采用ADO訪問技術(shù)管理航路點列表，實現(xiàn)航路點的訪問、保存、查詢和刪除等功能，用于記錄設(shè)置航路點整個操作過程。之所以優(yōu)先考慮采用ADO技術(shù)管理航路點，在于該方法可訪問多種數(shù)據(jù)源，具有編程技術(shù)接口豐富、易于使用，程序的通用性和靈活性好等優(yōu)點。在航路點整個設(shè)置過程中，均以ADO技術(shù)為支撐。以船用GPS仿真導航儀中航路點設(shè)置為例，采用ADO技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫的流程見圖2。圖中創(chuàng)建和執(zhí)行數(shù)據(jù)庫命令指保存、查詢和刪除航路點等操作指令。

圖2　航路點設(shè)置流程

3智能評估系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該船用GPS仿真導航儀除了應用于學員的實操培訓中外，將該設(shè)備應用于智能評估系統(tǒng)中，可以避免不同評估員在評估過程中存在評估標準不統(tǒng)一的問題，同時能夠有效減少評估員的工作負擔。智能評估系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包含兩部分內(nèi)容：評估試題的設(shè)計和評估模型的建立。

3.1評估試題設(shè)計

評估試題的設(shè)計是整個智能評估系統(tǒng)的重要部分，評估題目設(shè)計是否合理將直接影響評估成績的客觀性和有效性[7]。根據(jù)《海船船員適任評估規(guī)范》的要求，仿真設(shè)備的評估試題設(shè)計應包含兩種類型：仿真導航儀的定位操作、仿真導航儀的導航操作。

仿真導航儀的定位操作評估試題設(shè)計：①根據(jù)海域環(huán)境和衛(wèi)星接收狀態(tài)完成衛(wèi)星導航儀初始化輸入，主要讓考生完成坐標系設(shè)置，時區(qū)設(shè)置，緯度修正，經(jīng)度修正等相應的設(shè)置；②讀取經(jīng)緯度，并確認定位精度符合海域要求，主要讓考生讀取經(jīng)緯度并通過DOP去判斷精度是否達到要求；

仿真導航儀的導航操作評估試題設(shè)計包含：①轉(zhuǎn)向點的設(shè)置，讓考生通過仿真設(shè)備輸入預定的轉(zhuǎn)向點；②航線的設(shè)定，讓考生設(shè)計一條包含若干航路點的航線；③航行監(jiān)控報警信息設(shè)置，讓考生設(shè)置偏航警和到達警等警報功能。

3.2評估模型建立

系統(tǒng)的評估模型采用專家法與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)仿真導航儀設(shè)備使用的考核評估。即根據(jù)專家的經(jīng)驗細分題型，提取評估參數(shù)，設(shè)置合理的權(quán)重、門限值及隸屬度函數(shù)，形成完整的評估模型。在制定評估模型時，需要相關(guān)專家對評估試題進行細分，不同試題的評估目的、評估對象、評估參數(shù)、難易程度等可能各不相同。對相應試題題型進行使用過程細分時，可將整個答題過程分為若干步驟，每個步驟要提取若干個評估參數(shù)即評估項，通過劃分使用過程、提取評估參數(shù)，明確得分點，需要評估系統(tǒng)存儲和顯示的數(shù)據(jù)與狀態(tài)。權(quán)重可以定義為一個變量，由專家在出題時根據(jù)題目特點設(shè)置該變量，增加出題的靈活性。

通過門限值的調(diào)整還可以改變評估難度，從而影響評估通過率。例如，若想增加通過率，可以適當增大門限值寬度，如果想減少通過率，則可以適當減小門限值寬度。

評估的最終分數(shù)由操作正確分和熟練程度分2部分構(gòu)成，當操作正確分和熟練程度分均滿分時，總成績滿分。操作正確分權(quán)重和熟練程度分權(quán)重可根據(jù)不同情況可自行設(shè)置，但是操作正確分權(quán)重和熟練程度分權(quán)重之和為1。

操作正確分由若干個評估項得分之和構(gòu)成。例如，評估項目m的得分由操作正確分滿分、評估項m權(quán)重、評估項隸屬度函數(shù)3者乘積構(gòu)成。隸屬度函數(shù)的設(shè)定要視評估要素特點而定。例如，船用GPS導航儀進行評估時，按照評估題目的要求，需要設(shè)置偏航警XTE，其評估項偏航警隸屬度函數(shù)μ(x)為

(6)

式中：xXTE——偏航警的標準值；

x——偏航警的設(shè)置值。

熟練程度分由熟練程度權(quán)重、時間隸屬度、滿分3者的乘積構(gòu)成。熟練程度的評分標準由考生答題的總時間的長短決定。若該考生答題時間越短，說明該考生對考試的內(nèi)容熟練，相反，若該考生答題時間很長，說明該考生對相應的考試內(nèi)容陌生，由此思想構(gòu)造了一個時間隸屬度函數(shù)μ(t)。

式中：t——考生評估花費時間；

t1——標準評估時間(大部分考生可完成評估的時間)；

t2——結(jié)束評估時間(強制提交時間)。

但是，需要考慮特殊情況，即考題未完成的情況下提交時，熟練程度分為零。若答對題目≥滿分×60%，操作正確分(答對題目×操作正確分權(quán)重)+熟練程度分(滿分×熟練程度分權(quán)重)≤滿分×60%，操作正確分按滿分×60%。

4實現(xiàn)結(jié)果

船用GPS仿真導航儀智能評估系統(tǒng)的顯示模式包含標繪顯示模式、航路顯示模式、用戶顯示模式和導航信息模式，不同的顯示模式提供的信息各不相同。圖3為導航信息顯示模式，該顯示模式主要用于提供船舶的經(jīng)緯度，對地速度、對地航向等數(shù)據(jù)。

智能評估系統(tǒng)需要考生通過仿真設(shè)備輸入預定的轉(zhuǎn)向點，實現(xiàn)方式有2種：第1種是對現(xiàn)存航路點列表中的航路點進行修改，第2種是重新通過航路點設(shè)置方法設(shè)置新的航路點。如圖4采用第1種方式設(shè)置預定的航路點，需要將編號為001的航路點修改為考題所需要的轉(zhuǎn)向點，圖4a)為未設(shè)置預定轉(zhuǎn)向點前的界面，航路點編號為001的經(jīng)緯度(38°52.137′N，121°31.731′W)，圖4b)為設(shè)置預定轉(zhuǎn)向點后的界面，已將原有的航路點修改為考題所指定的轉(zhuǎn)向點(48°52.137′N，121°31.731′W)，同時將航路點的圖標MARK進行修改。實現(xiàn)方法首先對航路點的圖標MARK進行編號，在后臺中僅記住某條航路點圖標對應的編號，圖標采用位圖技術(shù)來實現(xiàn)，通過將位圖導入到資源文件中，然后創(chuàng)建兼容DC，將位圖選入兼容DC，最后將兼容DC中的位圖貼到當前DC中來實現(xiàn)，最后在顯示時調(diào)用相應的圖標即可。

智能評估系統(tǒng)需要考生設(shè)計航線即讓考生設(shè)計1條包含若干航路點的航線，倘若設(shè)計1條僅包含航路點編號為001、002、003、007的航線時，實現(xiàn)方法也有2種：第1種方法對現(xiàn)有的航線列表進行修改實現(xiàn)，第2方法重新編輯1條航線。圖5顯示的是第1種方法，對航線列表中現(xiàn)有的航路點進行編輯將其設(shè)置考題所需要的預定航線，如圖5a)為航線列表中現(xiàn)存的一條航線，包含航路點編號為001、002、003、004、007共5個航路點，可以對該航線進行編輯，將該航線中航路點編號為004刪除即可，見圖5b)，同時該界面還計算出新航線的累計航程和完成該航線花費的航行時間TTG。

圖5　航線設(shè)計中預定航線設(shè)置

智能評估系統(tǒng)試題設(shè)計中要求讓考生讀取經(jīng)緯度并通過DOP去判斷精度是否達到要求如圖6需要對啟動的仿真設(shè)備進行初始化設(shè)置，并讀取當前經(jīng)緯度，通過定位精度因子判斷當前船位精度，且給出來船位的修正量值。

圖6　智能評估試題

5結(jié)論

1) 系統(tǒng)評估模型采用專家法與隸屬度函數(shù)相結(jié)合的方法不僅可用于仿真導航儀的智能評估中，也可用于測深儀、磁羅經(jīng)和陀螺羅經(jīng)等其他仿真設(shè)備的評估系統(tǒng)中。

2) 從教學效果看，在學生未進入實驗室前，通過課堂演示該智能評估系統(tǒng)，可提高學生學習的興趣；學生進入實驗室后能夠快速的進入學習狀態(tài)，將教、學、練有機結(jié)合，可大大提高學生培訓質(zhì)量與培訓效率，同時也可降低航海院校經(jīng)費投入與培訓成本。

3)該智能系統(tǒng)為進一步研究基于Web的航海儀器智能評估系統(tǒng)奠定了初步基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 中華人民共和國海事局.中華人民共和國海船船員適任評估規(guī)范[M].大連:大連海事大學出版社,2012.

[2] 李柯.船用GPS仿真接收機的設(shè)計與開發(fā)[J].青島遠洋船員學院學報,1996,17(3):5-9.

[3] 張二靜.基于WinCE6_0的車載GPS導航儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[4] 周坤芳,徐志剛,林科.GPS仿真導航儀訓練軟件的設(shè)計與開發(fā)[J].中國慣例技術(shù)學報,2002,10(3):65-68.

[5] 紀元法,孫希延,施滸立.基于MATLAB的GPS衛(wèi)星預報軟件設(shè)計[J].計算機應用與軟件,2009,26(10):55-56.

[6] 陳懷民,馬龍,王亮,等.GPS仿真模擬器程控計算機控制臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2014,22(4):1102-1104.

[7] 楊曉,金一丞,任鴻翔,等.航海儀器操作智能評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國航海,2013,36(4):28-33.

[8] 楊曉,尹勇,廉靜靜.多物標雷達評估系統(tǒng)的研究[J].中國航海,2010,33(4):1-5.

[9] 郭禹,張吉平,戴冉.航海學[M].大連:大連海事大學出版社,2014.

[10] 王厚基.海洋航行中大圓航法的計算[J].導航,1999,16(2):35-42.

Development and Application of Intelligent Evaluation System for Ship-borne Simulation Navigator

LIAN Jing-jing, YANG Xiao

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Abstract:In order to meet the requirements of the training and evaluation of ship navigation, to make sure the unity and objective of evaluation results, the evaluation system based on the GPS simulator is developed by using the great circle track model and the ADO access technology. The model of intelligent evaluation system is built by expert consultation and membership function. The operation of simulator is same to the real equipment and the user interface is friendly. The intelligent evaluation system based on the simulator can meet the requirements of the training and evaluation, which has been sucessfully used in the intelligent evaluation system of navigational instruments

Key words:route planning; database access; evaluation model; test design

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.035

收稿日期：2015-10-20

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(3132014024,3132015005)，863課題(2015AA016404)

第一作者簡介：廉靜靜(1983—)，女，博士，實驗師 E-mail:ljj19830829@163.com

中圖分類號：U675.7；TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)03-0158-05

修回日期：2015-12-01

研究方向:航海儀器仿真與船舶操縱性