船用仿真导航仪智能评估系统开发与应用

廉静静,杨　晓

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

船用仿真导航仪智能评估系统开发与应用

廉静静,杨晓

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

摘要：为满足学生船舶导航训练和评估的需求，避免评估员在评估过程中存在标准统一性和客观性问题，利用大圆航线算法和ADO数据库访问技术开发了船用仿真导航仪设备，采用专家法与隶属度函数相结合的方法建立评估模型，研发该仿真导航仪的智能评估系统。该智能评估系统仿真设备的操作界面与操作功能与真机相似，具有完全的视觉感，能够满足学生的实操培训需求，且已应用于航海仪器智能评估系统中，效果良好。

关键词：航线设计；数据库访问；评估模型；试题设计

为使船舶驾驶员能够熟练操作使用船用GPS导航仪，从而保障船舶航行的安全，中华人民共和国海事局于2009年颁布实施了《中国人民共和国海船船员适任评估大纲和规范》。该规范对学员实际操作GPS导航仪[1]的考核内容进行了明确说明和规定。目前，海事院校的学生培训过程中，一般利用船用GPS导航仪真机训练，受经费、场地等因素制约，船用GPS导航仪设备配备数量不足，同时，实验室里船用GPS导航仪接收天线固定不变，这就相当于船舶总是处于静止状态，没有速度、航向，导致实验室中的船用GPS导航仪的许多功能不能使用，也就无法让学生练习相应功能的操作。虽然部分海事院校自己开发了船用GPS仿真导航仪展开训练，但由于设备型号老旧，与实船装备的船用GPS导航仪相去甚远，因此，开发一套主流的船用GPS仿真导航仪用于实操训练迫在眉睫。同时，船用GPS导航仪真机评估长期依赖于评估员，评估过程中存在着标准不统一和客观性的问题，开发该仿真设备的智能评估系统可有效解决上述问题。

GPS可在全球范围内实时进行授时、定位和导航，是商船上最为重要的定位和导航设备，可为整个综合驾驶台系统(integrated bridge system,IBS)提供必要的航行相关数据。目前，船用GPS仿真导航仪的开发思路主要有两种：硬件仿真和软件仿真。采用硬件仿真时，利用单片机设计了GPS仿真接收机[2-3]，其缺点在于采用单片机设计船用GPS仿真接收机存在设备损坏率高、不通用、数量受限等。采用软件仿真时，常选用不同的开发平台对GPS导航仪进行界面仿真和功能模拟[4-6]。在智能评估系统方面，目前大连海事大学航海动态仿真与控制实验室已开展了相关研究[7-8]，并已有一定研究成果。在上述研究的基础上，首先对智能评估系统整体架构进行设计，解决导航仪设备仿真中航路点设置和航线设计等关键技术，对设计评估试题和建立评估模型提出了相应的解决方案。

1系统架构设计

船用GPS仿真导航仪智能评估系统整体的设计架构主要包含两大模块：导航仪设备的仿真和智能评估系统设计实现，其架构见图1。

图1　系统架构示意

设备仿真包含界面仿真和功能模块模拟，界面仿真采用双缓冲技术实现，使得仿真的导航仪面板与按键操作与真机一致；功能模块模拟指航路点设置、航线设计、报警单元设置和天线高度设置等。智能评估包含评估模型建立和评估试题设计，评估模型采用专家法和隶属度函数相结合的方式实现，评估试题的设计严格遵循《海船船员适任评估规范》的要求编制。

2设备仿真关键技术

2.1面板仿真

船用GPS仿真导航仪的面板和按键通常情况下并不是一个规则的窗体，为此，首先将真机的图片利用Photoshop图像处理软件进行处理，获得一幅按键按下的图片，在程序运行过程中，交替使用按键按下和按键弹出两张位图，实现操作按键的效果。具体实现方法是：首先定义一个内存显示设备对象和位图对象，通过相应的函数分别建立一个与屏幕显示兼容的内存显示设备和一个与屏幕显示兼容的位图(位图的大小可选用窗口客户区的大小)，同时加载按键按下和按键弹出的两张位图资源，然后将位图选入到内存显示设备中。只有选入了位图的内存显示设备才有地方绘图，画到指定的位置上，最后将内存中的位图拷贝到屏幕上显示。

2.2航路点计算

船用GPS仿真导航仪航路点经纬度位置的计算是整个船用GPS仿真导航仪智能评估系统的精髓。船舶在海洋航行中从起点以最短距离航行到目的地必然是以大圆航行，GPS的航路点经纬度的设置和航线计算均以大圆航线算法计算所得。目前，求算大圆航线的方法主要有3种方法[9]：大圆海图法，大圆改正量法和公式计算法，由于公式计算法易于编程，本文优先选用该方法。船舶GPS航路点设置是航线设计的基石。FURUNO GP-150导航仪可以根据两个航路点相对距离和方位计算出下一个航路点经纬度[10]，假定起始航路点的纬度φ1，经度λ1，相对于该起始点的相对距离为S，航向为C的航路点的纬度φ2，经度λ2的计算如下。

(1)

(2)

(3)

式中:

2.3航线设计

船用GPS仿真导航仪的航线设计模块是实现船舶导航的前提。船用GPS航线设计仿真模块中，可以采用大圆航线的公式计算法，可求得所有已经选择的相邻两个航路点间的某段航程，然后将得到所有某段航程累加，获得整个航线的总航程。根据船舶的船速，求得完成该航线所需的航行时间(time to go,TTG)。假定已经选择的相邻两个航路点经纬度分别为(φ1，λ1)和(φ2，λ2)，可求得该段航程S和航向C。

(4)

(5)

2.4数据库访问技术

船用GPS仿真导航仪智能评估系统的开发，采用ADO访问技术管理航路点列表，实现航路点的访问、保存、查询和删除等功能，用于记录设置航路点整个操作过程。之所以优先考虑采用ADO技术管理航路点，在于该方法可访问多种数据源，具有编程技术接口丰富、易于使用，程序的通用性和灵活性好等优点。在航路点整个设置过程中，均以ADO技术为支撑。以船用GPS仿真导航仪中航路点设置为例，采用ADO技术访问数据库的流程见图2。图中创建和执行数据库命令指保存、查询和删除航路点等操作指令。

图2　航路点设置流程

3智能评估系统关键技术

该船用GPS仿真导航仪除了应用于学员的实操培训中外，将该设备应用于智能评估系统中，可以避免不同评估员在评估过程中存在评估标准不统一的问题，同时能够有效减少评估员的工作负担。智能评估系统的关键技术包含两部分内容：评估试题的设计和评估模型的建立。

3.1评估试题设计

评估试题的设计是整个智能评估系统的重要部分，评估题目设计是否合理将直接影响评估成绩的客观性和有效性[7]。根据《海船船员适任评估规范》的要求，仿真设备的评估试题设计应包含两种类型：仿真导航仪的定位操作、仿真导航仪的导航操作。

仿真导航仪的定位操作评估试题设计：①根据海域环境和卫星接收状态完成卫星导航仪初始化输入，主要让考生完成坐标系设置，时区设置，纬度修正，经度修正等相应的设置；②读取经纬度，并确认定位精度符合海域要求，主要让考生读取经纬度并通过DOP去判断精度是否达到要求；

仿真导航仪的导航操作评估试题设计包含：①转向点的设置，让考生通过仿真设备输入预定的转向点；②航线的设定，让考生设计一条包含若干航路点的航线；③航行监控报警信息设置，让考生设置偏航警和到达警等警报功能。

3.2评估模型建立

系统的评估模型采用专家法与隶属度函数相结合的方式实现仿真导航仪设备使用的考核评估。即根据专家的经验细分题型，提取评估参数，设置合理的权重、门限值及隶属度函数，形成完整的评估模型。在制定评估模型时，需要相关专家对评估试题进行细分，不同试题的评估目的、评估对象、评估参数、难易程度等可能各不相同。对相应试题题型进行使用过程细分时，可将整个答题过程分为若干步骤，每个步骤要提取若干个评估参数即评估项，通过划分使用过程、提取评估参数，明确得分点，需要评估系统存储和显示的数据与状态。权重可以定义为一个变量，由专家在出题时根据题目特点设置该变量，增加出题的灵活性。

通过门限值的调整还可以改变评估难度，从而影响评估通过率。例如，若想增加通过率，可以适当增大门限值宽度，如果想减少通过率，则可以适当减小门限值宽度。

评估的最终分数由操作正确分和熟练程度分2部分构成，当操作正确分和熟练程度分均满分时，总成绩满分。操作正确分权重和熟练程度分权重可根据不同情况可自行设置，但是操作正确分权重和熟练程度分权重之和为1。

操作正确分由若干个评估项得分之和构成。例如，评估项目m的得分由操作正确分满分、评估项m权重、评估项隶属度函数3者乘积构成。隶属度函数的设定要视评估要素特点而定。例如，船用GPS导航仪进行评估时，按照评估题目的要求，需要设置偏航警XTE，其评估项偏航警隶属度函数μ(x)为

(6)

式中：xXTE——偏航警的标准值；

x——偏航警的设置值。

熟练程度分由熟练程度权重、时间隶属度、满分3者的乘积构成。熟练程度的评分标准由考生答题的总时间的长短决定。若该考生答题时间越短，说明该考生对考试的内容熟练，相反，若该考生答题时间很长，说明该考生对相应的考试内容陌生，由此思想构造了一个时间隶属度函数μ(t)。

式中：t——考生评估花费时间；

t1——标准评估时间(大部分考生可完成评估的时间)；

t2——结束评估时间(强制提交时间)。

但是，需要考虑特殊情况，即考题未完成的情况下提交时，熟练程度分为零。若答对题目≥满分×60%，操作正确分(答对题目×操作正确分权重)+熟练程度分(满分×熟练程度分权重)≤满分×60%，操作正确分按满分×60%。

4实现结果

船用GPS仿真导航仪智能评估系统的显示模式包含标绘显示模式、航路显示模式、用户显示模式和导航信息模式，不同的显示模式提供的信息各不相同。图3为导航信息显示模式，该显示模式主要用于提供船舶的经纬度，对地速度、对地航向等数据。

智能评估系统需要考生通过仿真设备输入预定的转向点，实现方式有2种：第1种是对现存航路点列表中的航路点进行修改，第2种是重新通过航路点设置方法设置新的航路点。如图4采用第1种方式设置预定的航路点，需要将编号为001的航路点修改为考题所需要的转向点，图4a)为未设置预定转向点前的界面，航路点编号为001的经纬度(38°52.137′N，121°31.731′W)，图4b)为设置预定转向点后的界面，已将原有的航路点修改为考题所指定的转向点(48°52.137′N，121°31.731′W)，同时将航路点的图标MARK进行修改。实现方法首先对航路点的图标MARK进行编号，在后台中仅记住某条航路点图标对应的编号，图标采用位图技术来实现，通过将位图导入到资源文件中，然后创建兼容DC，将位图选入兼容DC，最后将兼容DC中的位图贴到当前DC中来实现，最后在显示时调用相应的图标即可。

智能评估系统需要考生设计航线即让考生设计1条包含若干航路点的航线，倘若设计1条仅包含航路点编号为001、002、003、007的航线时，实现方法也有2种：第1种方法对现有的航线列表进行修改实现，第2方法重新编辑1条航线。图5显示的是第1种方法，对航线列表中现有的航路点进行编辑将其设置考题所需要的预定航线，如图5a)为航线列表中现存的一条航线，包含航路点编号为001、002、003、004、007共5个航路点，可以对该航线进行编辑，将该航线中航路点编号为004删除即可，见图5b)，同时该界面还计算出新航线的累计航程和完成该航线花费的航行时间TTG。

图5　航线设计中预定航线设置

智能评估系统试题设计中要求让考生读取经纬度并通过DOP去判断精度是否达到要求如图6需要对启动的仿真设备进行初始化设置，并读取当前经纬度，通过定位精度因子判断当前船位精度，且给出来船位的修正量值。

图6　智能评估试题

5结论

1) 系统评估模型采用专家法与隶属度函数相结合的方法不仅可用于仿真导航仪的智能评估中，也可用于测深仪、磁罗经和陀螺罗经等其他仿真设备的评估系统中。

2) 从教学效果看，在学生未进入实验室前，通过课堂演示该智能评估系统，可提高学生学习的兴趣；学生进入实验室后能够快速的进入学习状态，将教、学、练有机结合，可大大提高学生培训质量与培训效率，同时也可降低航海院校经费投入与培训成本。

3)该智能系统为进一步研究基于Web的航海仪器智能评估系统奠定了初步基础。

参考文献

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[9] 郭禹,张吉平,戴冉.航海学[M].大连:大连海事大学出版社,2014.

[10] 王厚基.海洋航行中大圆航法的计算[J].导航,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

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(3132014024,3132015005)，863课题(2015AA016404)

第一作者简介：廉静静(1983—)，女，博士，实验师 E-mail:ljj19830829@163.com

中图分类号：U675.7；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0158-05

修回日期：2015-12-01

研究方向:航海仪器仿真与船舶操纵性