JUE-75C Inmarsat-C船站系统仿真与智能评估

任鸿翔，余曹荣

(大连海事大学 航海动态仿真和控制交通部重点实验室，辽宁 大连 116026)

JUE-75C Inmarsat-C船站系统仿真与智能评估

任鸿翔，余曹荣

(大连海事大学 航海动态仿真和控制交通部重点实验室，辽宁 大连 116026)

在分析了Inmarsat-C船站的系统组成和工作流程的基础上，构建了Inmarsat-C仿真系统整体框架。在Visual Studio 2010开发平台上，利用C++程序设计语言，开发了JUE-75C Inmarsat-C船站仿真系统，主要包括终端显示器的仿真，船站通信状态调整的仿真，报文编辑业务的仿真，特殊效果的仿真，用户操作步骤的记录等，在此基础上，建立了C船站的实操评估模型，并开发了评估系统。仿真结果表明：该系统具有仿真度高、人机交互友好等优点。

船舶工程；GMDSS模拟器；系统仿真；智能评估

0 引 言

全球海上遇险和安全系统(global maritime distress and safety system, GMDSS)是国际海事组织(international maritime organization, IMO)利用现代化的通信技术改善海上遇险与安全通信而建立的一套庞大而高效的综合性全球搜救通信系统[1]。Inmarsat-C系统是GMDSS的卫星通信系统的主要组成部分之一，它是全数字化的电文/数据通信系统。该系统采用存储转发通信方式，抗干扰性强，通信可靠性高。Inmarsat-C系统在海上遇险与安全通信、目标监控和数据采集与监控控制(SCADA)等领域有着广泛的应用[2]。根据海上人命安全公约(safety of life at sea, SOLAS)的相关要求以及IMO1995年缔约国大会修正的1978年海员培训、发证和值班标准公约(International Convention on Standards of Training, Certification and Watch keeping for Seafarers, 1978, amended in 1995, STCW78/95)的有关规定，必须对GMDSS无线电操作员进行培训、适任评估和发证，所使用的设备可以是经过相关认证的真实设备，也可以是相应的GMDSS模拟器。STCW公约还特别强调了航海模拟器在航海教育中的作用以及采用模拟器获取海上技能能力的必要性[3]。使用GMDSS真实设备进行实操培训容易因为误操作引起误报警[4]，而使用GMDSS模拟器则可以避免这一可能性，同时可提高培训效率，降低培训成本，是一种安全、有效的手段，并且可以弥补船员培训、实训能力的不足。所以对Inmarsat-C站系统进行仿真具有较强的现实意义。国内学者在C站仿真方面虽做了一些工作，但仿真的设备型号较陈旧，逼真度也有待提高[5-6]，陈朝阳等[7]对C站的一些功能做了文字性介绍，无配图加以说明。考虑到目前由日本JRC(Japan Radio Co., Ltd.)公司生产的JUE-75C广泛地应用在各类型船舶上，笔者对该型号设备进行高效、逼真模拟，对用户的操作过程进行有针对性的记录，在此基础上，提出了C站的实操评估模型并开发了相应的评估系统。

1 Inmarsat-C系统组成

Inmarsat-C船站分为甲板上设备和甲板下设备，或分为室外设备(externally mounted equipment, EME)和室内设备(internally mounted equipment, IME)。甲板上设备(EME)包括天线、低噪声放大器、功率放大器和双工滤波器。它的主要功能是完成射频信号的处理。甲板下设备(IME)包括频率变换器、调制与解调器、频率合成器、编译码器、信令控制和信息处理及相应的接口等单元。Inmarsat-C船站的外围终端一般包括PC机、打印机、蜂鸣器、GPS设备、电源等，如图1。甲板下设备是本仿真系统的核心仿真对象。

2 仿真系统整体架构

JUE-75C Inmarsat-C站的仿真重点是将多个组件(终端显示器(date terminal equipment, DTE)、室内设备、外部电源提供单元(external power supply unit, EXT PSU)、快速报警面板(distress button, DB)等)有效的在一个显示界面上组织起来，并且保证它们的数据流可以按照实际工作状态进行流转。首先，设备的开关以及紧急报警部分使用鼠标进行触发操作；当系统启动完毕后，绝大部分的操作只能使用键盘来进行，如报文的编辑与存储、窗口的跳转等；数据显示终端是信息的集散地，它可以与报警组件和其他相关数据进行联动。设计系统流程如图2。

本仿真系统是在Windows环境下运行的，而基于PC端的软件开发C++编程语言具有天然的优势，故实际开发过程中选择Microsoft Visual Studio 2010作为开发平台，C++作为开发语言。考虑到Inmarsat-C船站仿真系统要集成到的GMDSS模拟器中，为了便于系统调试，这里采用动态链接库(dynamic link library, DLL)方式编写程序模块，届时与GMDSS模拟器集成时只需调用相应的DLL文件[8]。

图2 系统流程Fig.2 System flow chart

3 仿真系统实现

考虑到JUE-75C Inmarsat-C船站由多个组件组成，故在系统仿真中将其统一在一个操作界面上，在符合实际情况的基础上增加系统界面的友好性和用户使用的方便性，如图3。

图3 Inmarsat-C站组件界面Fig.3 The interface of Inmarsat-C

3.1 终端显示器的仿真

JUE-75C Inmarsat-C船站的终端显示器的界面是类似于早期的"磁盘操作系统"(disk operating system, DOS)。设备界面模拟的逼真与否可从一定程度上体现系统的优劣[9]，所以需要在现行的桌面交互式操作系统环境中仿真出DOS操作界面和纯键盘操作[10]，实现这个功能需要限制鼠标的活动范围，即在模拟的终端显示区域内鼠标无效，只能使用键盘进行操作，如图4。

图4 仿真数据终端DOS环境Fig.4 The simulation of DTE

在仿真实现上，JUE-75C船站菜单界面较多，且它们之间存在多层级的互相调用，同时在设置遇险报警参数的过程中存在“不必退出窗口，便可打开报警盖进行快速报警的操作”这一跨窗口操作的情况，故采用非模式对话框，同时利用数据结构栈(Stack)将其串联起来，每当系统弹出新的界面时便将其进行入栈操作(Stack.Push())，而当界面退出时即对其进行出栈操作(Stack.Pop())，由此可以做到不同界面有条不紊的相互跳转。

3.2 船站通信状态调整的仿真

当Inmarsat-C船站的使用者进入“NCS/LES INFO”菜单指令时，可以触发卫星的改变、洋区的设置以及岸站的查询与登记。由于洋区的改变同时意味着卫星的重新选择，所以仿真系统要模拟洋区变化引起的各种情况。Inmarsat采用静止卫星中继，其第三代工作卫星共有4颗，分别位于大西洋东区(AOR-E)、大西洋西区(AOR-W)、印度洋区(IOR)和太平洋区(POR)上空约36 000 km的地球同步轨道上，无缝隙覆盖了除南北两极以外的全球区域。根据船位与上述4颗卫星覆盖区域的关系，判断船位是否在所选对的洋区范围内。当船位不在欲选洋区时，系统将弹出选择出错提示框。反之，将弹出选择成功提示框。

3.3 报文编辑业务的仿真

报文编辑有两种模式：一种是美国信息交换标准代码模式(ASCII Mode)，另一种是文本模式(Telex File Mode)。文本模式的编写过程中有些特殊字符是不允许输入的，为了对报文编辑环境进行仿真，并且对特殊字符进行处理，笔者在对话框中嵌入一个文本编辑控件，将编辑控件关联一个变量，通过这一变量进行敏感数据的实时处理，屏蔽相关非法字符，技术上重载了MFC消息控制流中的CWnd类的虚函数PreTranslateMessage(MSG* pMsg)，当控件变量接收到了非法字符，该函数返回TRUE，将拦截消息的分发，实现了对非法字符的屏蔽目的。报文界面如图5。

图5 报文编辑界面Fig.5 The interface of message edition

3.4 特殊效果的仿真

JUE-75C Inmarsat-C船站设备的一个显著特点是数据终端显示屏绝大部分菜单具有闪烁效果，人机交互界面友好，用户体验良好。这一特点也给仿真带来一定难度，仿真过程中若控制不佳容易引起系统资源(如画刷、画笔等)的耗尽，从而引发屏幕发白、程序崩溃等现象。笔者借鉴了哈希表(HASH TABLE)直接定值法(Direct Address)的算法思想，将JUE-75C终端显示器所涉及到的菜单界面逐一编号，并以之为关键字(Key)，菜单所占的矩形大小为哈希值，由此建立起菜单和其位置的一一映射关系函数。该函数属于一一对应的散列函数，当跳到某一菜单时，得到唯一对应的位置，调用MFC的局部刷新函数，仅对该位置的区域进行重绘。该算法的时间复杂度为O(1)。

3.5 操作步骤的记录

一个良好的系统架构应该考虑到未来可能的需求并提供必要的接口支持。Inmarsat-C船站模拟系统预留了学员软件操作的步骤记录这一接口，为搭建Inmarsat-C船站评估系统做好基础准备工作。JUE-75C Inmarsat-C船站需要记录的变量众多，针对各个功能将之分门别类，如表1。由于篇幅所限表1中仅列出部分变量。

表1 JUE-75C Inmarsat-C船站变量采集表

3.6 实操评估模型的设计与实现

GMDSS模拟训练的评估应该减少以人为主导的定性评估，而力求以计算机自动评估为手段的客观、公正的定量评估。为此有必要在所开发的Inmarsat-C站仿真软件上建立相应的评估系统。根据海船船员适任评估规范，考虑船员操纵评估的合理性，主要从任务是否完成、操纵时间和操作步骤3大方面来设计评估模型。JUE-75C Inmarsat-C船站评估总成绩的计算公式为：

(1)

WMTW+WMSW=1

(2)

式中：AER为评估总成绩(evaluation result)；BMT为船站评估得到的关于操纵时间的分数(manipulation time)；BMS为评估得到的关于操纵步骤的分数(manipulation step)；Ta为评估操纵实际使用时间；f(t) 为判断任务是否完成的函数；WMTW,WMSW分别为操纵时间和操纵步骤的权重。

对于评估得到的操纵时间分：

BMT=Bm·[1-(Ta-Tn)/Tn],0

(3)

式中：Bm为评估操纵时间基础分；Tn为评估操纵时用户使用的标准时间。

对于评估得到的操纵步骤分：

(4)

式中：xi为评估操纵时第i步基准分；Se为评估操纵时的错误步骤总数；Dj为评估操纵第j步失误扣分。

对于判断任务是否完成的函数f(t) 如下：

(5)

式中:Tm为评估时任务完成的最大时间限制。

JUE-75C Inmarsat-C船站实操评估算法的具体流程如图6。

图6 评估算法流程Fig. 6 The flow chart of evaluation algorithm

例如，某试题“开启设备，待设备入网成功以后，执行一次PV测试，编辑一份遇险优先等级的电文并以AA作为文件名保存，然后通过北京地面站发送给中国海上搜救中心”的评估过程为学员按题目要求进行操作，系统将调用全局结构体JRC75CRecord对每一步骤进行实时的记录，并且按照图所示算法进行计算。学员的每一步操作得分与否保存在特定结构的XML文本文件中，在学员答题完毕后系统给出成绩，如图7。

图7 评估结果Fig. 7 Evaluation result

4 结 语

所开发的仿真软件模拟了JUE-75C型号的Inmarsat-C船站设备的主要功能，如基本菜单之间的调用与跳转、DOS操作环境、报文的编辑与发送、数据的存储与显示、遇险报警等，并在C站仿真软件的基础上建立了实操评估模型，构建了相应的评估系统。目前，该系统已经集成到大连海事大学的GMDSS模拟器中。实践证明，JUE-75C型号Inmarsat-C船站仿真系统界面逼真，人机交互操作体验与真实设备接近，模拟效果良好。

[1] KORCZ K. Yesterday, today and tomorrow of the GMDSS[J].InternationalJournalonMarineNavigationandSafetyofSeaTransportation,2011,5(4):453-459.

[2] 杜忠平, 王永明, 孙玲玲, 等. 国际海事卫星C系统及其最新技术发展[J]. 航海技术,2011(1):43-45. DU Zhongping, WANG Yongming, SUN Lingling, et al. Inmarsat C and its recent technological developments[J].MarineTechnology,2011(1):43-45.

[3] 邬黎波, 王志明. 基于模拟器和海上实船环境的航海类实践教学的探索[J]. 中国水运,2013,13(1):31-33. WU Libo, WANG Zhiming. Marine practice teaching exploratory study based on simulator and actual ship environment[J].ChinaWaterTransport,2013,13(1):31-33.

[4] TZANNATOS E S. GMDSS false alerts: a persistent problem for the safety of navigation at sea[J].JournalofNavigation,2004,57(1):153-159.

[5] 林长川, 洪爰助, 黄腾鹏, 等. 基于Visual C# .NET的GMDSS卫星通信系统模拟器[J]. 大连海事大学学报,2006,32(3):97-99. LIN Changchuan, HONG Yuanzhu, HUANG Tengpeng, et al. Research on GMDSS satellite communication system simulator based on Visual C# .NET[J].JournalofDalianMaritimeUniversity, 2006, 32(3):97- 99.

[6] 任建科. JUE- 75A C船站模拟器设计[J]. 中国新通信,2013,15(3):61-62. REN Jianke. The design of JUE- 75A C simulator[J].ChinaNewTelecommunications,2013,15(3):61-62.

[7] 陈朝阳, 陈永青. C型船站模拟器设计[J]. 集美航海学院学报,1996,14(4):6-9. CHEN Chaoyang, CHEN Yongqiang. The design of Inmarsat- C mobile earth station simulator[J].JournalofJimeiNavigationInstitute,1996,14(4):6-9.

[8] 文欣秀, 米西峰, 赫枫龄. 基于动态链接库实现软件界面组件化方法研究[J]. 计算机应用与软件,2007,24(7):18-20. WEN Xinxiu, MI Xifeng, HE Fengling. Research on the realizing method of software interface components based on dynamic link library[J].ComputerApplicationsandSoftware, 2007, 24(7): 18- 20.

[9] 金一丞, 尹勇. STCW公约与航海模拟器的发展[J]. 大连海事大学学报,2002,28(3):51-55. JIN Yicheng, YIN Yong. STCW convention and the development of marine simulator[J].JournalofDalianMaritimeUniversity,2002,28(3):51-55.

[10] TZANNATOS E S. GMDSS operability: The operator- equipment interface[J].JournalofNavigation,2002,55(1):75-82.

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

国家"973计划"基金项目(2009CB320805)；辽宁省自然科学基金项目(201202018)

任鸿翔(1974—)，男, 黑龙江肇东人，教授，博士生导师，主要从事航海领域虚拟现实方面的研究。E-mail:dlmu_rhx@163.com。

余曹荣(1989—)，男, 福建永春人，硕士研究生，主要从事航海领域系统仿真方面的研究。E-mail:ycr.dlmu@gmail.com。

U665.13;TP391.9

A

1674-0696(2016)05-146-05