雷達標繪訓練與自動評估系統設計

李業，任鴻翔，王鵬志

(1.大連海事大學 航海動態仿真和控制交通行業重點實驗室，遼寧 大連 116026;2.青島海洋地質研究所，山東 青島 266000)

雷達標繪訓練與自動評估系統設計

李業1，任鴻翔1，王鵬志2

(1.大連海事大學 航海動態仿真和控制交通行業重點實驗室，遼寧 大連 116026;2.青島海洋地質研究所，山東 青島 266000)

針對現有雷達標繪評估不能完全做到無紙化、全自動化的問題，利用WPF開發框架及C#語言設計一種新型雷達標繪訓練與自動評估系統。該系統主要包括設備仿真子系統、試題子系統、評估子系統。設備仿真子系統提出雷達標繪作業元素化技術，可實現對雷達設備和雷達標繪作業的仿真；試題子系統制定評估試題，題型做到了對雷達標繪評估綱要全覆蓋；評估子系統借助于標繪作業元素化技術提出了一種對雷達標繪過程評估的自動評估算法。測試表明，該系統完全滿足雷達標繪的訓練與自動評估需求，可實現雷達標繪評估的全自動化、無紙化。

雷達標繪；仿真；自動評估

雷達是船舶必不可少的重要導航設備之一，主要應用于船舶定位、避碰與導航。隨著導航儀器的發展，雷達完成了由普通雷達到新一代雷達自動標繪儀(ARPA)的轉變，另外船舶自動識別系統(AIS)的應用也為判斷會遇局面和碰撞危險以及船舶避碰的協調提供了極大的方便[1]。但這并不意味著雷達標繪的重要性降低了，相反為了更好地了解ARPA和應對ARPA無法使用的局面，熟練掌握雷達標繪仍然很有必要。國際海事組織(IMO)A.482(XII)及A.483(XII)號決議建議締約國政府應保證在進行ARPA培訓之前進行雷達觀測與標繪的培訓，并指出駕駛員經過適當培訓并勝任人工標繪的重要性，鼓勵該項培訓使用模擬器[2]。目前對于雷達標繪評估采用的是受訓人操作雷達真機或模擬器的同時，利用作圖工具在雷達標繪紙上進行標繪作業，最后由評估員對受訓人進行評估打分。這種方式主觀性強，評估員勞動強度大，同時又受限于雷達標繪作業，無法擺脫對航海作圖工具和作圖空間的依賴，訓練評估成本高。近些年來，一些學者雖然對雷達標繪自動評估系統進行了研究，但都局限于對雷達/ARPA模擬器和雷達標繪評估模型的研究[3-8]，忽略了對雷達標繪過程的模擬與評估，這使得雷達標繪評估還不能完全做到無紙化、全自動化。本設計針對現有雷達標繪自動評估系統的不足，利用Windows Presentation Foundation(WPF)開發框架及C#語言[9]，研發了一種新型雷達標繪訓練與自動評估系統，可實現雷達標繪全過程仿真與自動評估，真正做到雷達標繪評估無紙化和全自動化。

1 系統組成

以功能區分，雷達標繪訓練與自動評估系統主要由3部分組成，見圖1。

1)設備仿真子系統。包括雷達模擬器、雷達標繪模擬器，主要實現對雷達真機和雷達標繪作業的仿真，并記錄受訓人員相關的操作步驟及結果數據。該子系統面向受訓人，是整個訓練和評估系統的基礎與平臺。

2)試題子系統。主要負責試題庫的構建與維護，實現出題功能，同時作為系統的教練員站，可在日常訓練中編輯練習并發送至設備仿真子系統。該子系統主要面向評估員和考務人員，是整個訓練和評估系統的后臺。

3)評估子系統。完成評估試題的讀取與顯示，受訓人員根據評估試題的要求，操作相應的仿真設備，系統讀取受訓人操作步驟及結果數據，結合后臺的評估標準和評估模型，給出受訓人評估成績。該子系統面向受訓人，是整個訓練和評估系統的核心。

2 仿真關鍵技術與自動評估算法

2.1 仿真關鍵技術

關于系統的仿真，主要包括雷達設備的仿真和雷達標繪的仿真。由于雷達設備仿真技術已較為成熟，其關鍵技術雷達模擬器岸線回波的生成算法可參考文獻[10-11]。本文主要介紹雷達標繪仿真中的關鍵技術。

2.1.1 雷達標繪工具的仿真

在實際雷達標繪過程中，駕駛員主要借助于三角板、分規、平行尺、量角器等輔助工具，在雷達標繪紙上用鉛筆來完成[12]。因此，雷達標繪的仿真主要是對雷達標繪工具外觀和功能的模擬。為方便日后維護與更新，本設計采用控件的形式對標繪工具進行開發。其中關鍵技術有：

1)標繪工具外觀的仿真。雷達各標繪工具因功能不同而形狀各異，而平行尺、分規等工具在操作過程中還可能發生外觀的改變。為解決這一問題，本設計采用二維圖形裁剪與幾何變換的方式來實現[13]。首先每個標繪工具都有一個初始形狀，將其轉化為畫布控件上對應的二維圖形，再根據所得的二維圖形，對畫布控件進行裁剪，從而得到標繪工具控件的最初外觀模型。然后根據標繪工具的實際外觀，在控件模型上進行刻度、標志的繪制。但是諸如分規、平行尺等工具，外觀形狀并不是一直不變的，這時我們需要利用圖形的幾何變換來實現。當控件因操作而形狀發生變化時，會產生相對于初始狀態坐標、角度的變化，利用其坐標、角度變化結合圖形的位移、旋轉、縮放等方法對最初二維圖形進行幾何變換。將轉換后的二維圖形作為裁剪形狀對畫布進行重新裁剪，對原有刻度、標志信息進行清除，依據相對位置關系對刻度、標志進行重新繪制，進而完成整個控件形狀外觀的仿真。

開發過程中，對于二維圖形的裁剪和幾何變換，一般情況下可借助于WPF開發框架來完成，但有時一些特殊圖形的裁剪和特殊點幾何變換后位置點的計算，WPF開發框架無法直接提供，需要另行計算完成。其中關于二維圖形點的幾何變換可通過式(1)實現。

(1)

2)標繪工具功能的仿真。如果說標繪工具外觀的仿真是制造工具，那么標繪工具功能的仿真就是使用工具。使用三角板畫線，操作者可以通過感受筆觸的阻力變化輕易畫出一條直線，但計算機很難做到這一點。為解決這一問題，本設計在每個標繪工具控件上添加了鼠標吸附功能，當開啟這一功能，在一定距離范圍內，鼠標被吸附，隨后限定鼠標移動范圍，使其只能按照控件輪廓移動，從而實現直線或圓弧的繪制。對于標繪工具的操作使用，除去某些工具的特有操作，一般操作為旋轉、平移。對此本設計采用整體思想，對控件本身進行整體旋轉，平移操作，這樣既保證了功能的實現，又簡化了仿真。

2.1.2 標繪作業元素化

為了方便標繪的后續處理，將標繪作業元素化，即標繪過程中產生的每一個圖形，每一個文字都是一個獨立元素，可對這一元素進行標記、調整、刪除處理。例如，如果某一元素出現問題，可以通過對這一元素進行調整或刪除處理，實現橡皮的局部擦除模擬。有時因評估需要，需要查找某一特定元素，可以預先對這一元素進行標記(即給元素賦予別名)，然后通過標記對元素進行查找。另外，通過標繪作業元素化可實現標繪作業的撤銷和重做與標繪過程的記錄及回放。具體實現為：M為存放標繪元素的容器類型，N為存放M類元素的容器類型，A為M類的實例，B、C為N類的實例。D為與艦操圖同樣的大小的畫布容器，置于艦操圖上方，背景色設為透明，用于標繪作業使用，所有標繪作業將在D上完成。每次標繪作業完畢后，將A中元素清空，將D中元素復制到容器A，對A進行復制并將A的復制對象添加到容器B的頂部，對容器C做清空處理。當需要實現撤銷功能時，移除容器B的頂部對象，并將移除對象添加到容器C，清空D，然后將目前容器B頂部對象復制，將復制對象中標繪元素全部添加到D中進行呈現，進而實現撤銷功能。如果撤銷操作不當，需要實現重做功能時，清空D，將容器C頂部對象復制，并將復制對象中元素全部添加到D中呈現，最后移除C的頂部對象，并添加移除對象到容器B的頂部，進而實現重做功能。關于標繪作業過程的記錄與回放功能的實現，只需設置定時器，將撤銷或重做功能按順序觸發即可。

2.2 自動評估算法

采用專家法和隸屬度函數相結合的方式對雷達標繪過程及結果進行評估，即根據專家經驗細分題型、標繪過程，提取評估要素，設定合理的權重、門限值及隸屬度函數，形成完整評估模型，利用綜合評估法加權獲得受訓人評估成績[14]。

雷達標繪評估是對雷達標繪過程和標繪結果的評估。以往對于雷達標繪的自動評估，由于缺乏雷達標繪模擬器，無法對雷達標繪過程進行自動評估，只能對標繪結果進行自動評估。借助于新型雷達標繪模擬系統，本設計提出了對雷達標繪過程的自動評估算法：

雷達標繪過程中，因受訓人員標繪水平和個人作圖習慣不同，會產生不同的標繪過程。如果不加處理，直接對標繪過程進行評估，即使一個經驗豐富的評估員也可能會出現誤判。

為實現雷達標繪過程的自動評估，采取標記要素思想對標繪過程進行處理。具體做法是：受訓人員在進行標繪作業時，應對其作圖要素進行標記，比如我船速度矢量，目標船相對運動線等，不同要素對應不同標記，標記規則由系統制定。這種做法既可以評判受訓人是否進行了相應標繪作業，也可評判受訓人對雷達標繪知識的了解程度，同時也為后續評估工作提供可能。這樣，對于雷達標繪過程的評估就轉換為對雷達標繪要素的評估。設某一試題標繪要素集為VK={vk1,vk2,…,vkn},受訓人標繪作業產生的標繪元素集為VT={vt1,vt2,…,vtn}。首先判斷VT是否為空，為空則標繪過程得分為零，雷達標繪過程的評估結束；若不為空則進行下一步。比對標繪要素集VK并查找VT中相應標記，得到篩選要素集VS={vs1,vs2,…,vsn}，判斷VS是否為空，為空則雷達標繪過程的評估結束；若不為空則進行下一步對標繪過程準確度的評估。系統根據篩選要素集VS中要素的標記自動計算此要素對應標準值，依據隸屬度函數與要素實際值比對，得到此要素的得分系數，進而得到篩選要素集VS的要素得分系數集CS={cs1,cs2,…,csn}。根據標繪要素集VK中要素權重值得到篩選要素集VS的權重集WS={ws1,ws2,…,wsn}。篩選要素集VS中每個元素的得分為元素權重值乘以得分系數，VS的總得分GS為各元素得分總和，即雷達標繪過程得分為G=GS=WS·CS=w1·c1+w2·c2+…+wn·cn，進而完成雷達標繪過程的評估。雷達標繪過程的評估整個流程如圖2所示。

雷達標繪結果的評估是對評估要素的評估，評估算法與雷達標繪過程中標繪要素的評估一致。

3 系統實現

3.1 設備仿真子系統的實現

以VisualStudio2013為開發平臺，采用WPF開發框架，結合C#語言對仿真系統進行開發。其中WPF是微軟推出的新一代用戶界面框架，屬于.NETFramework3.0的一部分。它提供了統一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設計人員與開發人員的工作。

關于雷達設備的仿真，本設計采用目前實船使用較為廣泛的JRC-JMA-9100系列雷達作為仿真對象，雷達真機與仿真設備見圖3a)和3b)。

對于雷達標繪中航海作圖工具的仿真，選取艦操繪算圖、TJ-1型量角器、IMPA-371001型航海分拉平行尺、IMPA-371007型航海三角尺、TFG-180型海圖分規作為仿真對象，見圖3c)，仿真結果見圖3d)，通過與實物比對發現，本設計模擬的航海作圖工具，外觀和操作方式上均與實物一致。另外，為方便操作，作圖界面可隨意縮放，在標繪界面右側添加了撤銷、刪除、線型選擇等快捷功能鍵。值得一提的是，本系統不僅可以進行雷達標繪訓練與評估，亦可進行航跡繪算、雷達定位等海圖作業的模擬與訓練。

3.2 試題子系統的實現

試題子系統集成了教練員站的部分功能。在日常訓練中，評估員可根據訓練需要設置航行環境向仿真子系統發送練習，例如設置本船初始位置、航速、航向、風浪流影響以及目標船位置、航向、航速等信息。

試題子系統根據《雷達操作與應用評估綱要-雷達標繪》制定評估題型，評估題型做到對評估綱要全覆蓋，包括轉向避讓措施、變速避讓措施、停船避讓措施三大類，然后在各大類中根據具體題目要求不同制定每道小題。出題人員可選擇題目的數量種類，設置具體參數值、權重值、考試時間等。出題界面下方有[試題預覽]按鈕，可供出題人員預覽試卷。出題人員確認無誤后，點擊[生成試卷]，試卷將以XML文件形式保存，以供后續調閱及使用。圖4為試題子系統的實現。

3.3 評估子系統的實現

評估子系統即考試終端可完成評估試題的讀取與顯示，前臺僅顯示題干信息，試題評估參數和權重值在后臺存儲。受訓人點擊[加載試題]進入考試，考試環境會因試題不同而不同，且隨機產生，這樣既能保證考試的合理性，且能最大程度保證公平，避免發生雷同卷、抄襲等。受訓人根據評估試題的要求進行雷達標繪，考試終端讀取考生雷達標繪過程及結果數據，結合受訓人輸入的相關數據，根據后臺的評估標準和評估模型，給出受訓人的評估成績。評估子系統實現如圖5所示。

圖6為雷達標繪訓練與自動評估系統PC端運行界面，其中受訓人可根據個人習慣選擇單屏或者雙屏模式。

4 結論

針對現有雷達標繪評估不能完全做到無紙化、全自動化的問題，設計了一種新型雷達標繪訓練與自動評估系統。實現了對雷達標繪的全過程、全功能仿真，提出基于標繪作業元素化技術的雷達標繪過程自動評估算法，實現了雷達標繪評估的全自動化、無紙化。有效解決了雷達標繪評估中存在的統一性和客觀性的問題，使得雷達標繪評估不再完全依賴評估員，提高了評估效率，有效解決航海院校普遍存在的設備、作圖空間不足的問題。

本文介紹的評估系統對雷達標繪模擬為二維模擬，存在操作不夠直觀、效果不夠逼真等問題。所使用的評估算法較為簡單，目前只能做到自動化評估，評估結果也不盡合理。未來主要工作包括將雷達標繪二維模擬轉為更加形象逼真的三維模擬，并對評估算法進行改進，將自動化評估完善為智能化評估，使評估結果更加準確合理。

[1] 倪德山.航海雷達模擬器訓練[M].大連：大連海事大學出版社,2011.

[2] 中華人民共和國海事局．1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約馬尼拉修正案[M]．大連：大連海事大學出版社，2010.

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

[5] 薛滿福.基于模擬器的雷達標繪評估方法的研究[D].大連海事大學,2008.

[6] 張飛成.雷達/ARPA模擬器訓練評估系統的設計與研究[D].大連海事大學,2007.

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[14] 秦壽康.綜合評價原理與應用[M].北京：電子工業大學出版社,2003.

Design of Radar Plotting Training and Automatic Assessment System

LI Ye1, REN Hong-xiang1, WANG Peng-zhi2

(1.Marine Dynamic Simulation & Control Laboratory, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao Shandong 266000, China)

In order to solve the problem of the assessment of radar plotting cannot completely achieve the paperless and automation, the WPF development framework and C# language were used to design a novel radar plotting training and the automatic assessment system. The system includes the subsystems of equipment simulation, questions and assessment. The equipment simulation subsystem achieves the simulation of radar equipment and radar plotting, proposes and uses the element technique of radar plotting operation; the questions subsystem makes the assessment questions, question types realize complete coverage of the outline to the radar plotting assessment; the assessment subsystem proposes an automatic evaluation algorithm for the radar plotting process by using the element technique. The testing results show that the system can meet the requirements of the training and automatic assessment of radar plotting, realize the full automation and paperless of the assessment.

radar plotting; simulation; automatic assessment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.042

2016-08-15

國家863課題(2015AA016404);交通運輸部應用基礎研究項目(2015329225240);中央高?；究蒲袠I務費(3132016324)

李業(1989—)，男，碩士生

U665.22;TP391.9

A

1671-7953(2017)02-0180-05

修回日期：2016-09-08

研究方向:系統仿真、智能評估