船用仿真導航儀智能評估系統開發(fā)與應用

廉靜靜,楊　曉

(大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

船用仿真導航儀智能評估系統開發(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一性和客觀性問題，利用大圓航線算法和ADO數據庫訪問技術開發(fā)了船用仿真導航儀設備，采用專家法與隸屬度函數相結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。該智能評估系統仿真設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中，效果良好。

關鍵詞：航線設計；數據庫訪問；評估模型；試題設計

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，受經費、場地等因素制約，船用GPS導航儀設備配備數量不足，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一和客觀性的問題，開發(fā)該仿真設備的智能評估系統可有效解決上述問題。

GPS可在全球范圍內實時進行授時、定位和導航，是商船上最為重要的定位和導航設備，可為整個綜合駕駛臺系統(integrated bridge system,IBS)提供必要的航行相關數據。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，利用單片機設計了GPS仿真接收機[2-3]，其缺點在于采用單片機設計船用GPS仿真接收機存在設備損壞率高、不通用、數量受限等。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研究[7-8]，并已有一定研究成果。在上述研究的基礎上，首先對智能評估系統整體架構進行設計，解決導航儀設備仿真中航路點設置和航線設計等關鍵技術，對設計評估試題和建立評估模型提出了相應的解決方案。

1系統架構設計

船用GPS仿真導航儀智能評估系統整體的設計架構主要包含兩大模塊：導航儀設備的仿真和智能評估系統設計實現，其架構見圖1。

圖1　系統架構示意

設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實現，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置、航線設計、報警單元設置和天線高度設置等。智能評估包含評估模型建立和評估試題設計，評估模型采用專家法和隸屬度函數相結合的方式實現，評估試題的設計嚴格遵循《海船船員適任評估規(guī)范》的要求編制。

2設備仿真關鍵技術

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，實現操作按鍵的效果。具體實現方法是：首先定義一個內存顯示設備對象和位圖對象，通過相應的函數分別建立一個與屏幕顯示兼容的內存顯示設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存顯示設備中。只有選入了位圖的內存顯示設備才有地方繪圖，畫到指定的位置上，最后將內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緯度位置的計算是整個船用GPS仿真導航儀智能評估系統的精髓。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的航路點經緯度的設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航路點設置是航線設計的基石。FURUNO GP-150導航儀可以根據兩個航路點相對距離和方位計算出下一個航路點經緯度[10]，假定起始航路點的緯度φ1，經度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，經度λ2的計算如下。

(1)

(2)

(3)

式中:

2.3航線設計

船用GPS仿真導航儀的航線設計模塊是實現船舶導航的前提。船用GPS航線設計仿真模塊中，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)。假定已經選擇的相鄰兩個航路點經緯度分別為(φ1，λ1)和(φ2，λ2)，可求得該段航程S和航向C。

(4)

(5)

2.4數據庫訪問技術

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

圖2　航路點設置流程

3智能評估系統關鍵技術

該船用GPS仿真導航儀除了應用于學員的實操培訓中外，將該設備應用于智能評估系統中，可以避免不同評估員在評估過程中存在評估標準不統一的問題，同時能夠有效減少評估員的工作負擔。智能評估系統的關鍵技術包含兩部分內容：評估試題的設計和評估模型的建立。

3.1評估試題設計

評估試題的設計是整個智能評估系統的重要部分，評估題目設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《海船船員適任評估規(guī)范》的要求，仿真設備的評估試題設計應包含兩種類型：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計：①根據海域環(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置，時區(qū)設置，緯度修正，經度修正等相應的設置；②讀取經緯度，并確認定位精度符合海域要求，主要讓考生讀取經緯度并通過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計包含：①轉向點的設置，讓考生通過仿真設備輸入預定的轉向點；②航線的設定，讓考生設計一條包含若干航路點的航線；③航行監(jiān)控報警信息設置，讓考生設置偏航警和到達警等警報功能。

3.2評估模型建立

系統的評估模型采用專家法與隸屬度函數相結合的方式實現仿真導航儀設備使用的考核評估。即根據專家的經驗細分題型，提取評估參數，設置合理的權重、門限值及隸屬度函數，形成完整的評估模型。在制定評估模型時，需要相關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、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即評估項，通過劃分使用過程、提取評估參數，明確得分點，需要評估系統存儲和顯示的數據與狀態(tài)。權重可以定義為一個變量，由專家在出題時根據題目特點設置該變量，增加出題的靈活性。

通過門限值的調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。

評估的最終分數由操作正確分和熟練程度分2部分構成，當操作正確分和熟練程度分均滿分時，總成績滿分。操作正確分權重和熟練程度分權重可根據不同情況可自行設置，但是操作正確分權重和熟練程度分權重之和為1。

操作正確分由若干個評估項得分之和構成。例如，評估項目m的得分由操作正確分滿分、評估項m權重、評估項隸屬度函數3者乘積構成。隸屬度函數的設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，需要設置偏航警XTE，其評估項偏航警隸屬度函數μ(x)為

(6)

式中：xXTE——偏航警的標準值；

x——偏航警的設置值。

熟練程度分由熟練程度權重、時間隸屬度、滿分3者的乘積構成。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容陌生，由此思想構造了一個時間隸屬度函數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×操作正確分權重)+熟練程度分(滿分×熟練程度分權重)≤滿分×60%，操作正確分按滿分×60%。

4實現結果

船用GPS仿真導航儀智能評估系統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緯度，對地速度、對地航向等數據。

智能評估系統需要考生通過仿真設備輸入預定的轉向點，實現方式有2種：第1種是對現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置方法設置新的航路點。如圖4采用第1種方式設置預定的航路點，需要將編號為001的航路點修改為考題所需要的轉向點，圖4a)為未設置預定轉向點前的界面，航路點編號為001的經緯度(38°52.137′N，121°31.731′W)，圖4b)為設置預定轉向點后的界面，已將原有的航路點修改為考題所指定的轉向點(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，圖標采用位圖技術來實現，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，最后在顯示時調用相應的圖標即可。

智能評估系統需要考生設計航線即讓考生設計1條包含若干航路點的航線，倘若設計1條僅包含航路點編號為001、002、003、007的航線時，實現方法也有2種：第1種方法對現有的航線列表進行修改實現，第2方法重新編輯1條航線。圖5顯示的是第1種方法，對航線列表中現有的航路點進行編輯將其設置考題所需要的預定航線，如圖5a)為航線列表中現存的一條航線，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　航線設計中預定航線設置

智能評估系統試題設計中要求讓考生讀取經緯度并通過DOP去判斷精度是否達到要求如圖6需要對啟動的仿真設備進行初始化設置，并讀取當前經緯度，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結論

1) 系統評估模型采用專家法與隸屬度函數相結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、磁羅經和陀螺羅經等其他仿真設備的評估系統中。

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，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、練有機結合，可大大提高學生培訓質量與培訓效率，同時也可降低航海院校經費投入與培訓成本。

3)該智能系統為進一步研究基于Web的航海儀器智能評估系統奠定了初步基礎。

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導航儀的設計與實現[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計與開發(fā)[J].中國慣例技術學報,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計與實現[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的設計與實現[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：中央高校基本科研業(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