雷达标绘训练与自动评估系统设计

李业，任鸿翔，王鹏志

(1.大连海事大学 航海动态仿真和控制交通行业重点实验室，辽宁 大连 116026;2.青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266000)

雷达标绘训练与自动评估系统设计

李业1，任鸿翔1，王鹏志2

(1.大连海事大学 航海动态仿真和控制交通行业重点实验室，辽宁 大连 116026;2.青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266000)

针对现有雷达标绘评估不能完全做到无纸化、全自动化的问题，利用WPF开发框架及C#语言设计一种新型雷达标绘训练与自动评估系统。该系统主要包括设备仿真子系统、试题子系统、评估子系统。设备仿真子系统提出雷达标绘作业元素化技术，可实现对雷达设备和雷达标绘作业的仿真；试题子系统制定评估试题，题型做到了对雷达标绘评估纲要全覆盖；评估子系统借助于标绘作业元素化技术提出了一种对雷达标绘过程评估的自动评估算法。测试表明，该系统完全满足雷达标绘的训练与自动评估需求，可实现雷达标绘评估的全自动化、无纸化。

雷达标绘；仿真；自动评估

雷达是船舶必不可少的重要导航设备之一，主要应用于船舶定位、避碰与导航。随着导航仪器的发展，雷达完成了由普通雷达到新一代雷达自动标绘仪(ARPA)的转变，另外船舶自动识别系统(AIS)的应用也为判断会遇局面和碰撞危险以及船舶避碰的协调提供了极大的方便[1]。但这并不意味着雷达标绘的重要性降低了，相反为了更好地了解ARPA和应对ARPA无法使用的局面，熟练掌握雷达标绘仍然很有必要。国际海事组织(IMO)A.482(XII)及A.483(XII)号决议建议缔约国政府应保证在进行ARPA培训之前进行雷达观测与标绘的培训，并指出驾驶员经过适当培训并胜任人工标绘的重要性，鼓励该项培训使用模拟器[2]。目前对于雷达标绘评估采用的是受训人操作雷达真机或模拟器的同时，利用作图工具在雷达标绘纸上进行标绘作业，最后由评估员对受训人进行评估打分。这种方式主观性强，评估员劳动强度大，同时又受限于雷达标绘作业，无法摆脱对航海作图工具和作图空间的依赖，训练评估成本高。近些年来，一些学者虽然对雷达标绘自动评估系统进行了研究，但都局限于对雷达/ARPA模拟器和雷达标绘评估模型的研究[3-8]，忽略了对雷达标绘过程的模拟与评估，这使得雷达标绘评估还不能完全做到无纸化、全自动化。本设计针对现有雷达标绘自动评估系统的不足，利用Windows Presentation Foundation(WPF)开发框架及C#语言[9]，研发了一种新型雷达标绘训练与自动评估系统，可实现雷达标绘全过程仿真与自动评估，真正做到雷达标绘评估无纸化和全自动化。

1 系统组成

以功能区分，雷达标绘训练与自动评估系统主要由3部分组成，见图1。

1)设备仿真子系统。包括雷达模拟器、雷达标绘模拟器，主要实现对雷达真机和雷达标绘作业的仿真，并记录受训人员相关的操作步骤及结果数据。该子系统面向受训人，是整个训练和评估系统的基础与平台。

2)试题子系统。主要负责试题库的构建与维护，实现出题功能，同时作为系统的教练员站，可在日常训练中编辑练习并发送至设备仿真子系统。该子系统主要面向评估员和考务人员，是整个训练和评估系统的后台。

3)评估子系统。完成评估试题的读取与显示，受训人员根据评估试题的要求，操作相应的仿真设备，系统读取受训人操作步骤及结果数据，结合后台的评估标准和评估模型，给出受训人评估成绩。该子系统面向受训人，是整个训练和评估系统的核心。

2 仿真关键技术与自动评估算法

2.1 仿真关键技术

关于系统的仿真，主要包括雷达设备的仿真和雷达标绘的仿真。由于雷达设备仿真技术已较为成熟，其关键技术雷达模拟器岸线回波的生成算法可参考文献[10-11]。本文主要介绍雷达标绘仿真中的关键技术。

2.1.1 雷达标绘工具的仿真

在实际雷达标绘过程中，驾驶员主要借助于三角板、分规、平行尺、量角器等辅助工具，在雷达标绘纸上用铅笔来完成[12]。因此，雷达标绘的仿真主要是对雷达标绘工具外观和功能的模拟。为方便日后维护与更新，本设计采用控件的形式对标绘工具进行开发。其中关键技术有：

1)标绘工具外观的仿真。雷达各标绘工具因功能不同而形状各异，而平行尺、分规等工具在操作过程中还可能发生外观的改变。为解决这一问题，本设计采用二维图形裁剪与几何变换的方式来实现[13]。首先每个标绘工具都有一个初始形状，将其转化为画布控件上对应的二维图形，再根据所得的二维图形，对画布控件进行裁剪，从而得到标绘工具控件的最初外观模型。然后根据标绘工具的实际外观，在控件模型上进行刻度、标志的绘制。但是诸如分规、平行尺等工具，外观形状并不是一直不变的，这时我们需要利用图形的几何变换来实现。当控件因操作而形状发生变化时，会产生相对于初始状态坐标、角度的变化，利用其坐标、角度变化结合图形的位移、旋转、缩放等方法对最初二维图形进行几何变换。将转换后的二维图形作为裁剪形状对画布进行重新裁剪，对原有刻度、标志信息进行清除，依据相对位置关系对刻度、标志进行重新绘制，进而完成整个控件形状外观的仿真。

开发过程中，对于二维图形的裁剪和几何变换，一般情况下可借助于WPF开发框架来完成，但有时一些特殊图形的裁剪和特殊点几何变换后位置点的计算，WPF开发框架无法直接提供，需要另行计算完成。其中关于二维图形点的几何变换可通过式(1)实现。

(1)

2)标绘工具功能的仿真。如果说标绘工具外观的仿真是制造工具，那么标绘工具功能的仿真就是使用工具。使用三角板画线，操作者可以通过感受笔触的阻力变化轻易画出一条直线，但计算机很难做到这一点。为解决这一问题，本设计在每个标绘工具控件上添加了鼠标吸附功能，当开启这一功能，在一定距离范围内，鼠标被吸附，随后限定鼠标移动范围，使其只能按照控件轮廓移动，从而实现直线或圆弧的绘制。对于标绘工具的操作使用，除去某些工具的特有操作，一般操作为旋转、平移。对此本设计采用整体思想，对控件本身进行整体旋转，平移操作，这样既保证了功能的实现，又简化了仿真。

2.1.2 标绘作业元素化

为了方便标绘的后续处理，将标绘作业元素化，即标绘过程中产生的每一个图形，每一个文字都是一个独立元素，可对这一元素进行标记、调整、删除处理。例如，如果某一元素出现问题，可以通过对这一元素进行调整或删除处理，实现橡皮的局部擦除模拟。有时因评估需要，需要查找某一特定元素，可以预先对这一元素进行标记(即给元素赋予别名)，然后通过标记对元素进行查找。另外，通过标绘作业元素化可实现标绘作业的撤销和重做与标绘过程的记录及回放。具体实现为：M为存放标绘元素的容器类型，N为存放M类元素的容器类型，A为M类的实例，B、C为N类的实例。D为与舰操图同样的大小的画布容器，置于舰操图上方，背景色设为透明，用于标绘作业使用，所有标绘作业将在D上完成。每次标绘作业完毕后，将A中元素清空，将D中元素复制到容器A，对A进行复制并将A的复制对象添加到容器B的顶部，对容器C做清空处理。当需要实现撤销功能时，移除容器B的顶部对象，并将移除对象添加到容器C，清空D，然后将目前容器B顶部对象复制，将复制对象中标绘元素全部添加到D中进行呈现，进而实现撤销功能。如果撤销操作不当，需要实现重做功能时，清空D，将容器C顶部对象复制，并将复制对象中元素全部添加到D中呈现，最后移除C的顶部对象，并添加移除对象到容器B的顶部，进而实现重做功能。关于标绘作业过程的记录与回放功能的实现，只需设置定时器，将撤销或重做功能按顺序触发即可。

2.2 自动评估算法

采用专家法和隶属度函数相结合的方式对雷达标绘过程及结果进行评估，即根据专家经验细分题型、标绘过程，提取评估要素，设定合理的权重、门限值及隶属度函数，形成完整评估模型，利用综合评估法加权获得受训人评估成绩[14]。

雷达标绘评估是对雷达标绘过程和标绘结果的评估。以往对于雷达标绘的自动评估，由于缺乏雷达标绘模拟器，无法对雷达标绘过程进行自动评估，只能对标绘结果进行自动评估。借助于新型雷达标绘模拟系统，本设计提出了对雷达标绘过程的自动评估算法：

雷达标绘过程中，因受训人员标绘水平和个人作图习惯不同，会产生不同的标绘过程。如果不加处理，直接对标绘过程进行评估，即使一个经验丰富的评估员也可能会出现误判。

为实现雷达标绘过程的自动评估，采取标记要素思想对标绘过程进行处理。具体做法是：受训人员在进行标绘作业时，应对其作图要素进行标记，比如我船速度矢量，目标船相对运动线等，不同要素对应不同标记，标记规则由系统制定。这种做法既可以评判受训人是否进行了相应标绘作业，也可评判受训人对雷达标绘知识的了解程度，同时也为后续评估工作提供可能。这样，对于雷达标绘过程的评估就转换为对雷达标绘要素的评估。设某一试题标绘要素集为VK={vk1,vk2,…,vkn},受训人标绘作业产生的标绘元素集为VT={vt1,vt2,…,vtn}。首先判断VT是否为空，为空则标绘过程得分为零，雷达标绘过程的评估结束；若不为空则进行下一步。比对标绘要素集VK并查找VT中相应标记，得到筛选要素集VS={vs1,vs2,…,vsn}，判断VS是否为空，为空则雷达标绘过程的评估结束；若不为空则进行下一步对标绘过程准确度的评估。系统根据筛选要素集VS中要素的标记自动计算此要素对应标准值，依据隶属度函数与要素实际值比对，得到此要素的得分系数，进而得到筛选要素集VS的要素得分系数集CS={cs1,cs2,…,csn}。根据标绘要素集VK中要素权重值得到筛选要素集VS的权重集WS={ws1,ws2,…,wsn}。筛选要素集VS中每个元素的得分为元素权重值乘以得分系数，VS的总得分GS为各元素得分总和，即雷达标绘过程得分为G=GS=WS·CS=w1·c1+w2·c2+…+wn·cn，进而完成雷达标绘过程的评估。雷达标绘过程的评估整个流程如图2所示。

雷达标绘结果的评估是对评估要素的评估，评估算法与雷达标绘过程中标绘要素的评估一致。

3 系统实现

3.1 设备仿真子系统的实现

以VisualStudio2013为开发平台，采用WPF开发框架，结合C#语言对仿真系统进行开发。其中WPF是微软推出的新一代用户界面框架，属于.NETFramework3.0的一部分。它提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作。

关于雷达设备的仿真，本设计采用目前实船使用较为广泛的JRC-JMA-9100系列雷达作为仿真对象，雷达真机与仿真设备见图3a)和3b)。

对于雷达标绘中航海作图工具的仿真，选取舰操绘算图、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型海图分规作为仿真对象，见图3c)，仿真结果见图3d)，通过与实物比对发现，本设计模拟的航海作图工具，外观和操作方式上均与实物一致。另外，为方便操作，作图界面可随意缩放，在标绘界面右侧添加了撤销、删除、线型选择等快捷功能键。值得一提的是，本系统不仅可以进行雷达标绘训练与评估，亦可进行航迹绘算、雷达定位等海图作业的模拟与训练。

3.2 试题子系统的实现

试题子系统集成了教练员站的部分功能。在日常训练中，评估员可根据训练需要设置航行环境向仿真子系统发送练习，例如设置本船初始位置、航速、航向、风浪流影响以及目标船位置、航向、航速等信息。

试题子系统根据《雷达操作与应用评估纲要-雷达标绘》制定评估题型，评估题型做到对评估纲要全覆盖，包括转向避让措施、变速避让措施、停船避让措施三大类，然后在各大类中根据具体题目要求不同制定每道小题。出题人员可选择题目的数量种类，设置具体参数值、权重值、考试时间等。出题界面下方有[试题预览]按钮，可供出题人员预览试卷。出题人员确认无误后，点击[生成试卷]，试卷将以XML文件形式保存，以供后续调阅及使用。图4为试题子系统的实现。

3.3 评估子系统的实现

评估子系统即考试终端可完成评估试题的读取与显示，前台仅显示题干信息，试题评估参数和权重值在后台存储。受训人点击[加载试题]进入考试，考试环境会因试题不同而不同，且随机产生，这样既能保证考试的合理性，且能最大程度保证公平，避免发生雷同卷、抄袭等。受训人根据评估试题的要求进行雷达标绘，考试终端读取考生雷达标绘过程及结果数据，结合受训人输入的相关数据，根据后台的评估标准和评估模型，给出受训人的评估成绩。评估子系统实现如图5所示。

图6为雷达标绘训练与自动评估系统PC端运行界面，其中受训人可根据个人习惯选择单屏或者双屏模式。

4 结论

针对现有雷达标绘评估不能完全做到无纸化、全自动化的问题，设计了一种新型雷达标绘训练与自动评估系统。实现了对雷达标绘的全过程、全功能仿真，提出基于标绘作业元素化技术的雷达标绘过程自动评估算法，实现了雷达标绘评估的全自动化、无纸化。有效解决了雷达标绘评估中存在的统一性和客观性的问题，使得雷达标绘评估不再完全依赖评估员，提高了评估效率，有效解决航海院校普遍存在的设备、作图空间不足的问题。

本文介绍的评估系统对雷达标绘模拟为二维模拟，存在操作不够直观、效果不够逼真等问题。所使用的评估算法较为简单，目前只能做到自动化评估，评估结果也不尽合理。未来主要工作包括将雷达标绘二维模拟转为更加形象逼真的三维模拟，并对评估算法进行改进，将自动化评估完善为智能化评估，使评估结果更加准确合理。

[1] 倪德山.航海雷达模拟器训练[M].大连：大连海事大学出版社,2011.

[2] 中华人民共和国海事局．1978年海员培训、发证和值班标准国际公约马尼拉修正案[M]．大连：大连海事大学出版社，2010.

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[4] 杨晓,尹勇,廉静静.多物标雷达标绘评估系统的研究[J].中国航海,2010,33(4):1-5.

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[13]SCHNEIDERP,EBERLYDH.Geometrictoolsforcomputergraphics[M].MorganKaufmann,2002.

[14] 秦寿康.综合评价原理与应用[M].北京：电子工业大学出版社,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

国家863课题(2015AA016404);交通运输部应用基础研究项目(2015329225240);中央高校基本科研业务费(3132016324)

李业(1989—)，男，硕士生

U665.22;TP391.9

A

1671-7953(2017)02-0180-05

修回日期：2016-09-08

研究方向:系统仿真、智能评估