雷达模拟器评估体系研究及其计算机实现
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摘要
航海模拟器是综合航海技术、计算机应用系统、计算机图形学以及现代控制理论等多门学科的仿真系统，在航海教育和培训的工作中发挥了重要作用。雷达模拟器是航海模拟器中具有代表性的，应用较为普遍。但是在具体的考核实施过程中，由于缺少标准，雷达模拟器教练员的评估带有一定程度的主观性。本文以此为出发点，建立雷达模拟器评估系统，设计出相应的计算机评估软件，依据学生在雷达模拟器训练中的具体操作和操作的准确性，进行定量的评估，并且结合教练员的主观判断，从而使评估尽量达到客观性和可靠性。
雷达模拟器评估系统在对受训者的适任水平和能力进行评估时，能够保证操作标准是明确、有效的，使主观判断保持在最低程度，充分反映出受训者的实际水平，同时为港监发证机关提供参考意见。对雷达模拟器评估系统的研究最终要利用计算机来实现，评估软件能够进行数据的统计分析，将日常工作融入到计算机的管理中去。另一方面，雷达标绘的数学模型可以作为船舶智能避碰系统的组成部分之一，可以为实现“无纸化”的人工标绘打下基础。
论文首先推导出雷达标绘的通用数学模型，并进一步确立系统的评估要素。其次，运用数理统计的方法，利用非参数的分布假设检验建立各个评估要素的误差统计数学模型，划分误差分布区间。第三，根据航运学院雷达／ARPA模拟器训练的应用环境，在C++ Builder软件平台上开发出雷达模拟器评估系统软件，并且经过运行测试，是行之有效的。
论文第一章通过对雷达模拟器训练与评估中的局限性进行分析，结合新的《STCW78／95公约》的标准和要求，并在已有的研究基础之上，确定了本文具体的两项研究内容，即建立雷达模拟器评估系统和设计雷达模拟器评估软件。第二章提出了建立雷达模拟器评估系统的模块化设计思想，系统主要由计算模块、评估模块和数据库管理模块三个模块组成，此外，论述了建立雷达模拟器评估系统的实现方法。第三章主要是在雷达标绘平面直角坐标系中，推导出目标船六要素、“预定点”问题和“时机点”问题的数学解析模型，
武汉理厂大学硕十学位论文
并且通过这些数学模型计算出各个评估要素的标准值。第四章主要对大量的
原始数据进行统计分析，采用Peanon X‘拟合检验方法，获得了各评估要
素的概率分布函数，继而分别确定了各评估要素的误差分布区间，同时也对
教练员的主观判断标准进行了阐述。第五章提出了雷达模拟器数据库应用系
统，设计出评估系统的模块体系结构，并进一步论述了雷达模拟器数据库管
理模块的实现功能，以及评估系统中数据库的设计方法。第六章论述了以
Borland C＋＋Builder 5．5软件为平台，开发了基于mE单层结构的雷达模。
拟器数据库应用软件，介绍了其主要功能，并对评估软件进行了测试和分析。
Navigation simulator is a kind of emulational system integrated with many subjects such as navigation techniques, computer application system, computer graphics and modern cybernetics. It has played an important role in the maritime education and training. Radar simulator is typical among the navigation simulators and applied very popularly. However, in the process of assessment the judgment of the simulator coaches is subjective to some extent due to the lack of standards. Based on that, the paper puts forward the radar simulator assessment system (RDSAS) and designs the relevant software. The system can be used in the quantitative assessment according to the operation of students and the veracity of the operation, and also make the assessment objective and reliable considering the subjective estimation of the simulator coaches.
RDSAS can ensure that the criteria are specific and effective when assessing the qualification and ability of students, which reduces the subjectivity to the lowest point. The system can fully reflect the actual level of students and bring forward referenced suggestions to the Maritime Safety Administration. RDSAS must be realized by computer. The assessment software can statistically analyze the original data and deal with the routine work. On the other hand, the mathematic models of radar plotting is viewed as one of ingredients of the vessel intelligent preventing-collision system, and the "non-paper plotting" will come true on the basis of the models.
First of all, the dissertation reasons out the general mathematic models of radar plotting by means of the plane analytic geometry, and establishes the assessment factors of the system. Secondly, it establishes the statistical mathematic models of the error of each assessment factors by means of non-parameter hypothesis test, and further divides the distributing sections of the error. Finally, on the platform of C++ Builder, the thesis designs the assessment software of radar simulator that is applied effectively according to the training of
radar/ARPA simulator in the Navigation College of WTU.
The chapter 1 of the dissertation analyzes the limitation of training and assessment of radar/ARPA simulator, and fixes on two research items, that is to establish the RDSAS and design the relevant software according to the STCW78/95 international convention on basis of existing researches. In the chapter 2, the idea of modularized system design is advanced. The RDSAS is composed of three modules namely the calculating module, the assessing module and the database management module. In addition, it discusses the methods of realizing the RDSAS. In the chapter 3, it mainly deduces the mathematic models of six factors of the target ship and the problems of "given point" and "well-timed point" in the plane orthogonal reference frame. Also it can calculate the standard results of each assessment factor by means of these mathematic models. In the chapter 4, it primarily stats large numbers of original data and obtains the probability distributing functions of each assessment factor by means of Pearson x2 Goodness of Fit Test. And then it establishes the distributing sections of the error of each assessment factor. Meanwhile it expatiates the criteria of simulator coach's subjective judgments. In the chapter 5, it puts forward the database application system of radar simulator and designs the module structure of the system. It further relates the functions of the database management module of radar simulator, and it discusses the database designing of the system. In the chapter 6, it develops the database application software of radar simulator based on Borland Database Engine (BDE) by means of Borland C++ Builder 5.5. It introduces the main functions of the software that is effective after being tested and analyzed in the chapter 6.
雷达模拟器评估系统在对受训者的适任水平和能力进行评估时，能够保证操作标准是明确、有效的，使主观判断保持在最低程度，充分反映出受训者的实际水平，同时为港监发证机关提供参考意见。对雷达模拟器评估系统的研究最终要利用计算机来实现，评估软件能够进行数据的统计分析，将日常工作融入到计算机的管理中去。另一方面，雷达标绘的数学模型可以作为船舶智能避碰系统的组成部分之一，可以为实现“无纸化”的人工标绘打下基础。
论文首先推导出雷达标绘的通用数学模型，并进一步确立系统的评估要素。其次，运用数理统计的方法，利用非参数的分布假设检验建立各个评估要素的误差统计数学模型，划分误差分布区间。第三，根据航运学院雷达／ARPA模拟器训练的应用环境，在C++ Builder软件平台上开发出雷达模拟器评估系统软件，并且经过运行测试，是行之有效的。
论文第一章通过对雷达模拟器训练与评估中的局限性进行分析，结合新的《STCW78／95公约》的标准和要求，并在已有的研究基础之上，确定了本文具体的两项研究内容，即建立雷达模拟器评估系统和设计雷达模拟器评估软件。第二章提出了建立雷达模拟器评估系统的模块化设计思想，系统主要由计算模块、评估模块和数据库管理模块三个模块组成，此外，论述了建立雷达模拟器评估系统的实现方法。第三章主要是在雷达标绘平面直角坐标系中，推导出目标船六要素、“预定点”问题和“时机点”问题的数学解析模型，
武汉理厂大学硕十学位论文
并且通过这些数学模型计算出各个评估要素的标准值。第四章主要对大量的
原始数据进行统计分析，采用Peanon X‘拟合检验方法，获得了各评估要
素的概率分布函数，继而分别确定了各评估要素的误差分布区间，同时也对
教练员的主观判断标准进行了阐述。第五章提出了雷达模拟器数据库应用系
统，设计出评估系统的模块体系结构，并进一步论述了雷达模拟器数据库管
理模块的实现功能，以及评估系统中数据库的设计方法。第六章论述了以
Borland C＋＋Builder 5．5软件为平台，开发了基于mE单层结构的雷达模。
拟器数据库应用软件，介绍了其主要功能，并对评估软件进行了测试和分析。
Navigation simulator is a kind of emulational system integrated with many subjects such as navigation techniques, computer application system, computer graphics and modern cybernetics. It has played an important role in the maritime education and training. Radar simulator is typical among the navigation simulators and applied very popularly. However, in the process of assessment the judgment of the simulator coaches is subjective to some extent due to the lack of standards. Based on that, the paper puts forward the radar simulator assessment system (RDSAS) and designs the relevant software. The system can be used in the quantitative assessment according to the operation of students and the veracity of the operation, and also make the assessment objective and reliable considering the subjective estimation of the simulator coaches.
RDSAS can ensure that the criteria are specific and effective when assessing the qualification and ability of students, which reduces the subjectivity to the lowest point. The system can fully reflect the actual level of students and bring forward referenced suggestions to the Maritime Safety Administration. RDSAS must be realized by computer. The assessment software can statistically analyze the original data and deal with the routine work. On the other hand, the mathematic models of radar plotting is viewed as one of ingredients of the vessel intelligent preventing-collision system, and the "non-paper plotting" will come true on the basis of the models.
First of all, the dissertation reasons out the general mathematic models of radar plotting by means of the plane analytic geometry, and establishes the assessment factors of the system. Secondly, it establishes the statistical mathematic models of the error of each assessment factors by means of non-parameter hypothesis test, and further divides the distributing sections of the error. Finally, on the platform of C++ Builder, the thesis designs the assessment software of radar simulator that is applied effectively according to the training of
radar/ARPA simulator in the Navigation College of WTU.
The chapter 1 of the dissertation analyzes the limitation of training and assessment of radar/ARPA simulator, and fixes on two research items, that is to establish the RDSAS and design the relevant software according to the STCW78/95 international convention on basis of existing researches. In the chapter 2, the idea of modularized system design is advanced. The RDSAS is composed of three modules namely the calculating module, the assessing module and the database management module. In addition, it discusses the methods of realizing the RDSAS. In the chapter 3, it mainly deduces the mathematic models of six factors of the target ship and the problems of "given point" and "well-timed point" in the plane orthogonal reference frame. Also it can calculate the standard results of each assessment factor by means of these mathematic models. In the chapter 4, it primarily stats large numbers of original data and obtains the probability distributing functions of each assessment factor by means of Pearson x2 Goodness of Fit Test. And then it establishes the distributing sections of the error of each assessment factor. Meanwhile it expatiates the criteria of simulator coach's subjective judgments. In the chapter 5, it puts forward the database application system of radar simulator and designs the module structure of the system. It further relates the functions of the database management module of radar simulator, and it discusses the database designing of the system. In the chapter 6, it develops the database application software of radar simulator based on Borland Database Engine (BDE) by means of Borland C++ Builder 5.5. It introduces the main functions of the software that is effective after being tested and analyzed in the chapter 6.
引文
[1] 许昌如．雷达模拟器训练评估体系研究．中国航海模拟器教学研究会(厦门)，1999年
[2] 许昌如．雷达模拟器标绘的数学解析及其统计分析．交通科技，2001年增刊：68～72
[3] 熊振南，曹宝根．航海雷达模拟器训练的评估方法及标准探讨．交通科技，2001年增刊：73～76
[4] 林志忠．雷达操作与模拟器训练及评估方法．交通科技，2001年增刊：77～79
[5] 吴建华，祝建国．雷达模拟器训练评估系统研究．交通科技，2001年增刊：67
[6] 王世远．航海雷达与ARPA．大连：大连海事大学出版社，1998．
[7] 缪德刚．航海雷达．大连：大连海运学院出版社，1990．
[8] 施智标．自动雷达标绘仪．北京：新世纪出版社，1993．
[9] 董小兵．ARPA原理．大连：大连海事大学自编讲义，1994．
[10] 刘文勇．航海仪器．大连：大连海运学院出版社，1993．
[11] 张润泽．船舶导航雷达．北京：人民交通出版社，1990．
[12] 蔡存强．国际海上避碰规则释义．北京：人民交通出版社，1995．
[13] 吴兆麟．船舶避碰与值班．大连：大连海运学院出版社，1993．
[14] 张国峰．C++语言及其程序设计教程．北京：电子工业出版社，1997．
[15] 朱东海，刘良华，董海宁，程进兴．Visum C++6使用详解．北京：机械工业出版社，1999．
[16] 郑中义，吴兆麟．船舶最佳转向避碰幅度决策模型．大连海事大学学报，2000，26(4)：5～8
[17] 吴兆麟，郑中义．船舶最佳避碰行动时机决策模型．大连海事大学学报，2000，26(4)：1～4
[18] 毕修颖，贾传荧，杨守仁．船舶最佳避让时机与行动的确定方法．大连海事大学学报，2000，26(3)：24～26
[19] 洪德本，徐德兴．ARPA中可能碰撞点PPG的计算与分析．大连海事大学学报，2000，26(3)：28～30
[20] 赵月林，方文治，王逢辰．新的《STCW》公约对航海模拟器的要求．大连海事大学学报，1996，22(4)：610
[21] 李志华．小型船舶操纵模拟器控制台的结构与设计．大连海事大学学报，1996，22(4)：4145
[22] 雷云花．单用转向避碰最近距离及模拟器试验．航海技术，1999(6)：19～20
[23] 倪德山．ARPA中的PAD浅析．航海技术，1999(5)：30～32
[24] 屠群锋．对“对遇局面”中TCPA的分析．航海技术，1999(5)：26～27
[25] 郑中义，吴兆麟．多船会遇避碰决策研究—Ⅰ．航海技术，2000(4)：9～12
[26] 郑中义，吴兆麟．多船会遇避碰决策研究—Ⅱ．航海技术，2000(5)：7～10
[27] 邱志雄．船舶在对遇、交叉相遇中与他船形成紧迫局面的时间的计算，航海技术，2000(2)：7～9
[28] 庄铭杰．一种快速获取目标船运动态势的方法．航海技术，2000(5)：34～38
[29] 寇连坡．使用ARPA避碰造成碰撞的原因与对策．航海技术，1999(5)：33～35
[30] 刘宇宏，刘勤贤．数据融合技术在航海避碰决策支持系统中的应用．上海海运学院学报，2000，21(4)：102～107
[31] 方飚雄，周江华．关于“查核避让行动有效性”的探讨．上海海运学院学报，2000，21(2)：68～72
[32] 朱军．论船舶几何碰撞会遇．大连海事大学学报，1996，22(2)：1～4
[33] 孙立成，王逢辰，夏国忠，赵劲松．驾驶员避碰行为的统计研究．大连海事大学学报，1996，22(1)：14
[34] 杨盐生．船舶避碰动态系统数学模型的研究．大连海事大学报 1995，21(1)：30～36
[35] 郑中义，吴兆麟．船舶避碰的模糊决策．大连海事大学学报，1996，22 (2)：5～8
[36] 李柯，金一丞．圆周扫描方式雷达模拟器图像生成的研究．大连海事大学学报，1996，22(4)：37～40
[37] 尹勇，金一丞．页面更新方式雷达／ARPA模拟器图像生成的研究．大连海事大学学报，1996，22(4)：31～36
[38] 贾传荧，杨盐生．船舶操纵模拟器的应用研究．大连海事大学学报，1996，22(4)：1～5
[39] 郝安临，古文贤，左舷正横前来船避让措施的探讨．大连海事大学学报，1998，24(1)：68～71
[40] 刘人杰，柳晓呜．ARPA自动避碰信息处理系统．大连海运学院学报，1991(2)
[41] 方泉根．我国航海模拟器教学研究和开发研制工作的发展和改进．中国航海模拟器教学研究会(武汉)，2000年
[42] 刘定宇．激光自动标绘技术的数据处理．激光杂志，1999，20(3)
[43] 高玉德，李柯．基于微机的雷达模拟器的研究．大连海事大学学报，1999，25(2)
[44] DayiS PV Vatidation of Radar SimLlator Result.The Journal of Navigation，1981(34)
[45] DCPA Simulation Model for Automatic Collision Avoid,ance Decision Making Using Fuzzy Sets.IEEE,1994
[46] 杨彬，薛松等．C++auilder 4 开发应用指南．北京：机械：工业出版社，1999．8．
[47] 李智慧，秦成．C++Builder4.0从入门到精通．北京：清华大学出版社，1999．7．
[50] 张海藩．软件工程导论．北京：清华大学出版社，1992．
[51] An Expert System for Maritime Pilots:Its Design and Assessment,Management Science.1993(39).
[2] 许昌如．雷达模拟器标绘的数学解析及其统计分析．交通科技，2001年增刊：68～72
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[38] 贾传荧，杨盐生．船舶操纵模拟器的应用研究．大连海事大学学报，1996，22(4)：1～5
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