船舶雷达/ARPA 智能考试系统的研究

陈丽宁，任鸿翔，金一丞

(大连海事大学航海学院航海动态仿真与控制交通行业重点实验室，辽宁大连116026)

船舶雷达/ARPA模拟器是航海模拟器的重要组成部分［1］。联合国国际海事组织 (International Maritime Organization，IMO)一直强调在航海教学、培训中使用模拟器，并在STCW78/95中对模拟器的使用、性能标准提出了相应要求［2］。我国交通部在《中华人民共和国船员培训管理规则》［3］中将雷达观测与标绘和模拟器、ARPA列入海船船员专业技能培训项目。可见，船舶雷达/ARPA模拟器在航海教学、培训中起着重要的作用，是航海类院校及培训机构必备的设备。目前国内雷达两证考试的雷达标绘评估一直采用人工打分，该方式主观性强且增加了考官的劳动强度，因此有必要开发一套考试系统来解决这些问题。要建立这样的考试系统，需要从系统结构、雷达图像的仿真、考试评估模型等几个主要方面进行研究，其中考试评估模型的建立相对比较困难。国内一些学者对评估模型进行了研究。刘成勇［4］通过计算受训人与系统标准值之间的离散程度，得出成绩。郑彭军［5］运用基于模糊集的评估模型，通过比较受训人实际操作与决策之间的离散度，从而给出评分。张飞成［6］运用基于数理统计的评估模型，通过计算观测值与真值的偏离程度进行评分。薛满福［7］的评估模型运用了隶属度函数，结合操船避碰进行评分。

上述学者的研究主要集中在雷达标绘的评估模型研究，并没有和实际模拟器有机结合起来，更没有建立完整的考试系统。笔者在大连海事大学航海动态仿真与控制实验室研制的V.Dragon 3 000船舶雷达/ARPA模拟器基础上，对船舶雷达/ARPA智能考试系统的结构、功能等进行了分析，并提出了将专家法和隶属度函数相结合的评估模型。由专家操作该系统出题，根据题目特点设置评估要素的权重及允许的误差范围绝对值。系统根据专家设定的权重和误差范围绝对值生成隶属度函数，以此计算受训人操作的隶属度值及考试分数。

1 考试系统的结构设计

1.1 V.Dragon 3000船舶雷达/ARPA模拟器的系统结构与功能

船舶雷达/ARPA智能考试系统是以V.Dragon 3 000船舶雷达/ARPA模拟器为基础开发。该模拟器是由一个教练员站和多个本船构成的仿真系统［8］，各单元通过网络连接，如图1(a)。系统中每个本船主要由计算机、车舵操纵台等组成，如图1(b)。在模拟器中，教练员可以在教练员站设置练习，然后将设置好的练习发送给各本船，受训人操纵本船，完成练习。

图1 V.Dragon 3 000模拟器Fig.1 V.Dragon 3 000 simulator

1.2 船舶雷达/ARPA智能考试系统的结构与功能

船舶雷达/ARPA智能考试系统应由服务器和考试终端两部分组成，系统的主要功能包括3大部分:①出题:进行出题操作，将考试题目(包括内容、考试时间、注意事项等)下传到考试终端;②考试:考试终端根据下载的考试题目、内容和考试时间进行考试，并上传考试记录到服务器;③自动评估:考试终端对受训人操作进行评估，给出考试成绩。

结合V.Dragon 3 000船舶雷达/ARPA模拟器的特点，需对其进行相应的改进以实现考试系统的各项功能。教练员站适合作为考试系统的服务器，本船已具备考试终端的部分功能，可以将教练员站改造成服务器，将本船改造成考试终端。图2为考试系统的结构图。

图2 考试系统的结构Fig.2 Structure of examination system

服务器的主要功能包括:①选择基本题型;②参数初始化:主要是出题人设置题目和初始化雷达面板部分参数;③试题文件传输;④数据管理:主要是建立数据库管理受训人考试成绩和操作记录。

考试终端的主要功能包括:①答题功能:受训人登陆、考试计时及存储答题过程;②评估功能:考试完毕后考试终端立即对受训人操作进行自动评估并显示考试结果;③试题文件传输。

2 考试系统评估模型的建立

本考试系统约有8种基本题型，并根据不同题型设置了不同的评估模型。下面以雷达开机和目标船的人工捕捉题型及雷达标绘题型为例加以介绍。

2.1 雷达开机和目标船的人工捕捉题型及其评估模型

雷达开机和目标船的人工捕捉题型主要考察受训人对雷达面板上按钮、开关的操作。由出题人在服务器设置雷达面板开关和按钮的值，受训人在考试终端操作雷达正常开机，并调节回波清晰饱满，然后操作ARPA对目标船进行人工捕捉。根据V.Dragon 3 000模拟器特点和考试要求，采用专家评估法进行评估，具体评估模型的变量、评分标准及权重如表1。其中权重为专家在出题时根据经验和题目特点设定。

2.2 雷达标绘题型及其评估模型

雷达标绘题型要求受训人首先进行雷达标绘，然后根据标绘所得的避让措施操纵车、舵进行避碰，避碰完毕后复航。本题型采用专家法和隶属度函数相结合的评估方法［9］，即通过隶属度函数获得评价指标的隶属度，利用综合评估法加权后获得受训人的评估成绩。评估要素及权重如表2。选择评估参数的依据是雷达标绘主要目的［10］及《1972年国际海上避碰规则》中能见度不良时行动规则的仅凭雷达测到他船条款及条款解释［11］。隶属度函数的选择主要依据大连海事大学、集美大学雷达标绘实际操作评估标准。不同评估要素，其重要程度也不同，因此权重由专家在出题时根据评估要素的重要程度定。

表1 雷达开机和目标船的人工捕捉题型评估权重及得分标准Tab.1 Assessment weight and scoring standards of radar starting and ARPA manual acquisition

表2 雷达标绘题型评估要素权重及隶属度Tab.2 Weights and membership of radar plotting evaluation factor

受训人总成绩计算采用权重和隶属度值加权平均，按照式(1):

式中:Ki为评估要素编号，见表2;μi为Ki对应评估要素的隶属度值;s为总分。如果有3项评估要素的隶属度为0，则受训人的成绩为0，就为不合格。

在表2中的9个评估要素中，这里仅选择其中2个要素进行详细说明。

1)观测目标船的航向评估:要求受训人用雷达/ARPA模拟器观测目标船航向，目标船航向误差标绘结果的隶属度函数如式(2):

式中:μ1(Ct)为目标船航向差值隶属度函数值;Ct为雷达标绘观测目标船航向与目标船实际航向的差值;Cmax，Cmin分别为专家在出题时设定的允许误差范围绝对值的最大值和最小值;ΔC=Cmax-Cmin;∑C=Cmax+Cmin。

2)采取变速避让的避让幅度评估:隶属度函数如公式(3):

式中:μ6(Vt)为采取变速避让幅度的隶属度函数值为受训人操船变速避让后本船实际航速;Vp为计划航速)］;Vmax，Vmin分别为专家出题时设定的Vp允许误差绝对值的最大值和最小值;

3 考试系统的软件设计和实现

3.1 出 题

出题共分为5个步骤，如图3。其中，第3步为设置雷达面板按钮和开关的初始状态，并写明题目要求。出题人可以初始化的雷达面板数据包括:雷达显示方式、调谐、增益、同频干扰抑制、雨雪干扰抑制、固定局标圈亮度、量程、雷达显示方式等。第4步设置海图、本船及目标船界面如图4。专家在第5步根据经验和题目特点，设置评估要素权重和评估参数误差范围的绝对值。

3.2 答 题

以雷达开机和ARPA人工捕捉题型题型为例，在进行该题考试时，只需操作雷达面板，其操作状态会被系统记录。雷达标绘题型总时间为70分钟，具体时间分配如下:0～10分钟，受训人将车调整为全速，舵角为0，并调整雷达面板状态，使雷达回波清晰，并阅读题目要求。11～22分钟，操作雷达的电子方位线和活动距标圈，每隔6分钟进行一次观测，图5为受训人操作雷达电子方位线和活动距标圈进行观测界面。23～30分钟，进行雷达标绘，根据观测值求取目标船航向、航速、DCPA和TCPA，根据避碰规则确定避让方式，求取相应的航向/航速恢复时机，并在考试终端进行相应数据的输入，输入界面如图6。

考试结束后，受训人可以在考试终端立即看到自己的考试成绩。雷达标绘题型的得分界面如图7。图7所示的界面中，考核指标的观测值、真值、指标权重、隶属度、总分等信息都显示出来。

3.3 服务器数据库的建立

数据库主要包括2类信息:受训人基本信息和操作记录，因此可主要分为2个表:受训人基本信息表和操作记录表。受训人基本信息表包括:身份证号码、考试时间、学号、考试分数、考试类型、人工捕捉的目标船数量、实际目标船数量;操作记录表包括:准考证号码、考试时间、操作时间、调谐、增益量程、雨雪干扰抑制、海浪干扰抑制、同频干扰抑制、雷达显示方式等。数据库访问采用ADO技术［12］。考试系统以文本传输协议(File Transfer Protocol，FTP)实现考试文件在考试终端与服务器间的传输。

3.4 软件测试

考试系统软件编写完毕后，笔者邀请大连海事大学航海学院老师和同学进行了软件测试，比较了人工评判分数和考试系统分数。共进行了50个抽样。令ΔS为人工评判分数和考试系统分数差值的绝对值，抽样中ΔS≤5占总数28%，5＜ΔS≤10占总数58%，ΔS＞10占总数14%。可见人工评判和考试系统评判分数基本一致。

4 结语

笔者在V.Dragon 3 000船舶雷达/ARPA模拟器基础上开发了船舶雷达/ARPA智能考试系统(如图8)主要工作有:

1)研究了船舶雷达/ARPA智能考试系统的总体结构和功能。

2)对原模拟器进行改进，增加新功能，将原模拟器的教练员站改造成考试系统的服务器，将原模拟器本船改造为考试系统的考试终端。

3)提出了将专家法和隶属度函数相结合的评估模型。

建成的船舶雷达/ARPA智能考试系统已在船员实际考试中得以应用，取得了较好的效果。在今后的工作中，考虑对船舶雷达/ARPA智能考试系统做进一步的改进，如完善评估数学模型以及提高考试系统的安全性等。

图8 已安装考试系统的雷达模拟器Fig.8 Radar simulator installed with the examination system

［1］金一丞，尹勇.STCW公约与航海模拟器发展［J］.大连海事大学学报，2002，28(3):53-56.JIN Yi-cheng，YIN Yong.STCW convention and the development of marine simulator［J］.Journal of Dalian Maritime University，2002，28(3):53-56.

［2］联合国国际海事组织.经1995年缔约国大会通过修正的1978年海员培训，发证和值班标准国际公约［M］.中华人民共和国港务监督局，译.北京:中国科学技术出版社，1997:65-66，151-157，163-181.

［3］中华人名共和国交通运输部.中华人民共和国船员培训管理规则［DB/0L.］.http://gov.cn/flfg/2009-08/14/content_1391833.html.

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［6］张飞成.雷达/ARPA模拟器训练系统的设计与研究［D］.大连:大连海事大学，2007.

［7］薛满福.基于模拟器的雷达标绘评估方法研究［D］.大连:大连海事大学，2008.

［8］尹勇，金一丞，李志华.分布式航海仿真系统中的网络通讯［J］.系统仿真学报，2000，12(6):622-624.YIN Yong，JIN Yi-cheng，LI Zhi-hua.Network communication in distributed marine simulation system［J］.Journal of System Simulation，2000，12(6):622-624.

［9］陈丽宁.船舶雷达/ARPA智能考试系统的设计与实现［D］.大连:大连海事大学，2010.

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［11］吴兆麟.船舶避碰与值班［M］.3版.大连:大连海事大学出版社，2008:44-46，75-77，132-136.

［12］Iseminger D.SQL Server 2000 Architecture and XML/Internet Support［M］.Peking:Peking University Press，2000:324-325.