，

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判可行性分析

張坤1，葉挺

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

簡(jiǎn)要分析航海模擬器訓(xùn)練考核評(píng)判現(xiàn)狀，介紹航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判的概念以及優(yōu)勢(shì)，就航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判的具體構(gòu)想和可行性進(jìn)行闡述，認(rèn)為航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判是可以實(shí)現(xiàn)的，并能夠大大提高訓(xùn)練考核的實(shí)際效果。

航海模擬器；訓(xùn)練考核；智能評(píng)判；專家系統(tǒng)；數(shù)據(jù)挖掘

一、引言

現(xiàn)代航海模擬器歷經(jīng)三十余年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于航海教育領(lǐng)域。如何更有效地利用航海模擬器進(jìn)行訓(xùn)練、考核，是所有航海教育工作者不斷探索的課題。筆者認(rèn)為，對(duì)學(xué)員每一次的訓(xùn)練、考核做出科學(xué)的評(píng)判，是解決這一課題的關(guān)鍵。只有這樣，學(xué)員才會(huì)對(duì)自己的能力水平有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)，才能明確不足，從而在后續(xù)訓(xùn)練中不斷提高。本文就航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判的具體構(gòu)想和可行性進(jìn)行探討。

二、航海模擬器訓(xùn)練考核評(píng)判現(xiàn)狀

1.采用教練員人工評(píng)判的傳統(tǒng)模式

目前，在航海模擬器訓(xùn)練考核過(guò)程中通常采用教練員人工評(píng)判的模式，即由教練員對(duì)學(xué)員的操作過(guò)程進(jìn)行不間斷觀察，通過(guò)觀察來(lái)判斷學(xué)員的操作是否符合操作規(guī)程以及熟練度如何，并最后記錄結(jié)果。[1]這種模式對(duì)教練員的要求比較高，通常要求教練員具有相關(guān)資質(zhì)以及豐富的經(jīng)驗(yàn)。如果教練員不符合要求，那么學(xué)員的訓(xùn)練、考核就很難達(dá)到良好效果。

2.人工評(píng)判模式的局限性分析

人工評(píng)判的傳統(tǒng)模式簡(jiǎn)便易行，應(yīng)用廣泛，但也存在不少局限性。

(1)評(píng)判結(jié)果未能達(dá)到最佳客觀的程度。人工評(píng)判模式的關(guān)鍵在于教練員，而這是一個(gè)可變性非常大的因素。首先是評(píng)判過(guò)程中教練員的主觀判斷有時(shí)未能做到有理有據(jù)[2]；其次是評(píng)判結(jié)果過(guò)度依賴于教練員的技術(shù)水平與經(jīng)驗(yàn)，教練員的技術(shù)水平與經(jīng)驗(yàn)往往差距較大，不同的教練員甚至?xí)龀霾煌脑u(píng)判；再次是評(píng)判過(guò)程中教練員須保持精神高度集中，工作時(shí)間稍長(zhǎng)便會(huì)效率下降，有時(shí)難免出現(xiàn)漏判、誤判。

(2)評(píng)判記錄的利用率較低。人工評(píng)判模式在每一項(xiàng)訓(xùn)練考核后，由教練員手工記錄該項(xiàng)成績(jī)以及出現(xiàn)的問(wèn)題，形成紙質(zhì)的訓(xùn)練考核記錄。紙質(zhì)的訓(xùn)練考核記錄往往很難進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不利于掌握學(xué)員每次訓(xùn)練考核的情況，無(wú)法分析出其薄弱點(diǎn)所在，難以給出后續(xù)針對(duì)性訓(xùn)練建議。

三、航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判的概念及優(yōu)勢(shì)

1.智能評(píng)判的概念

所謂智能評(píng)判，就是在航海模擬器的基礎(chǔ)上構(gòu)建一套計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，即所謂的智能評(píng)判系統(tǒng)。該系統(tǒng)在航海模擬器訓(xùn)練考核過(guò)程中，盡最大可能地對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行自動(dòng)評(píng)判，盡可能地代替教練員來(lái)進(jìn)行評(píng)判。智能評(píng)判系統(tǒng)可以通過(guò)綜合利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，相關(guān)的理論與技術(shù)近年來(lái)發(fā)展很快，非常流行。[3-4]

2.智能評(píng)判的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的人工評(píng)判模式相比較，智能評(píng)判模式具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)：

一是操作簡(jiǎn)單。智能評(píng)判系統(tǒng)可以與航海模擬器無(wú)縫集成、同步運(yùn)行，不會(huì)影響到學(xué)員的訓(xùn)練考核過(guò)程。智能評(píng)判系統(tǒng)在訓(xùn)練考核開(kāi)始之前做好相應(yīng)的設(shè)置即可，不需要更多的操作。

二是評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。智能評(píng)判系統(tǒng)通過(guò)將學(xué)員的操作與事先確定的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)來(lái)做出評(píng)判，這就保證了每次評(píng)判都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)判結(jié)果更加科學(xué)、客觀、公正、透明。

三是能夠積累大量數(shù)據(jù)，便于分析提高。智能評(píng)判系統(tǒng)記錄了所有學(xué)員的全部操作以及評(píng)判結(jié)果，所有數(shù)據(jù)都以電子數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中?？梢詫?duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘，為合理安排后續(xù)訓(xùn)練考核、調(diào)整訓(xùn)練進(jìn)度提供科學(xué)依據(jù)，以提高訓(xùn)練考核的實(shí)際效果和質(zhì)量。

四、航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判的具體構(gòu)想及可行性分析

實(shí)現(xiàn)航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判系統(tǒng)，主要是構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模塊、操作庫(kù)模塊、自動(dòng)評(píng)判模塊、數(shù)據(jù)分析挖掘模塊等四個(gè)功能模塊，如圖1所示。

圖1 航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判系統(tǒng)組成模塊

下面對(duì)各模塊進(jìn)行逐一介紹并分析其可行性。

1.標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模塊

智能評(píng)判系統(tǒng)獲取學(xué)員的操作數(shù)據(jù)，然后將其與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，而后形成評(píng)判結(jié)果。因此，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)模塊的主要功能是為智能評(píng)判系統(tǒng)提供自動(dòng)評(píng)判所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，即形成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

本文認(rèn)為建立標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)是可行的，可按照以下思路進(jìn)行。

一是確定訓(xùn)練考核的具體項(xiàng)目?？筛鶕?jù)STCW公約要求和我國(guó)海事局的有關(guān)培訓(xùn)要求來(lái)確定，也可參考有關(guān)技術(shù)手冊(cè)、教材等。在確定具體項(xiàng)目的過(guò)程中要注意：定義要明確，對(duì)于一些綜合性項(xiàng)目可拆解為多個(gè)簡(jiǎn)單項(xiàng)目的組合。

二是針對(duì)每一個(gè)訓(xùn)練考核具體項(xiàng)目，確定標(biāo)準(zhǔn)的操作序列。應(yīng)當(dāng)包括：每一步操作的內(nèi)容、每一步操作的參考時(shí)間、每一步操作所占整體操作的權(quán)重值、操作之間的參考順序等。對(duì)于每一步操作所占整體操作的權(quán)重值確定，可選取多位有豐富實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)的專家對(duì)操作情況進(jìn)行評(píng)估，給出評(píng)分值，而后對(duì)專家的打分進(jìn)行加權(quán)平均后得出。

三是將以上第二點(diǎn)所確定的標(biāo)準(zhǔn)操作序列進(jìn)行數(shù)據(jù)化表示，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

2.操作庫(kù)模塊

操作庫(kù)模塊的主要功能是獲取學(xué)員在航海模擬器上的每一步具體操作，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)化表示之后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，形成操作庫(kù)，以便與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)生成評(píng)判結(jié)果。

本文認(rèn)為建立操作庫(kù)是可行的，主要因?yàn)閷W(xué)員操作的獲取非常便利。航海模擬器本身就完成了對(duì)車、舵等硬件設(shè)備所產(chǎn)生的物理信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，可以直接調(diào)用航海模擬器的相關(guān)軟件接口來(lái)獲取學(xué)員的操作情況。對(duì)于國(guó)外引進(jìn)的航海模擬器，接口獲取有一定難度，國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的模擬器則相對(duì)容易，可采取研究突破技術(shù)限制或合作開(kāi)發(fā)的辦法。

3.自動(dòng)評(píng)判模塊

自動(dòng)評(píng)判模塊的主要功能是構(gòu)建自動(dòng)評(píng)判邏輯體系，實(shí)現(xiàn)操作庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)到評(píng)判結(jié)果的映射，是整個(gè)智能評(píng)判系統(tǒng)的核心。

對(duì)學(xué)員實(shí)際操作的評(píng)判不能用某一種或幾種標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)定，智能評(píng)判需要對(duì)學(xué)員的操作時(shí)間、操作技巧等方面因素進(jìn)行綜合評(píng)估。這些因素本身都具有一定的模糊性，很難給出精確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，可以采用基于模糊邏輯的評(píng)估專家系統(tǒng)[5]。

模糊邏輯是指模仿人腦的不確定性概念判斷、推理思維方式，對(duì)于模型未知或不能確定的描述系統(tǒng)以及強(qiáng)非線性、大滯后性的控制對(duì)象，應(yīng)用模糊集合和模糊規(guī)則進(jìn)行推理，模擬人腦方式，實(shí)行模糊綜合判斷，推理解決常規(guī)方法難以對(duì)付的模糊信息問(wèn)題。

模糊邏輯的相關(guān)理論創(chuàng)始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟。特別是隨著全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，模糊邏輯在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用也日益成熟，一些基于模糊邏輯的專家系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，完全可以借鑒相關(guān)理論技術(shù)來(lái)構(gòu)建我們的評(píng)估專家系統(tǒng)。

4.數(shù)據(jù)分析挖掘模塊

數(shù)據(jù)分析挖掘模塊的主要功能是對(duì)學(xué)員操作數(shù)據(jù)以及自動(dòng)評(píng)判結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘，從而發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的規(guī)律。比如，發(fā)現(xiàn)學(xué)員在訓(xùn)練考核中具有的共性錯(cuò)誤操作，發(fā)現(xiàn)那些容易關(guān)聯(lián)發(fā)生的錯(cuò)誤操作，根據(jù)學(xué)員的操作水平將其進(jìn)行分類等。 該模塊的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果表達(dá)和解釋三個(gè)階段組成。由此來(lái)看，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析挖掘模塊是可行的：

一是數(shù)據(jù)積累充分。智能評(píng)判系統(tǒng)記錄了學(xué)員的所有操作以及評(píng)判結(jié)果，而且這些數(shù)據(jù)都已經(jīng)以標(biāo)準(zhǔn)化的格式存放于數(shù)據(jù)庫(kù)之中，這就為數(shù)據(jù)挖掘提供了良好的條件。

二是可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)自帶的數(shù)據(jù)挖掘功能來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的階段，一些數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之中就已經(jīng)集成了數(shù)據(jù)挖掘功能。比如Microsoft公司的SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的Analysis Services工具集，就提供了大量的數(shù)據(jù)挖掘功能。

三是數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果可由經(jīng)驗(yàn)豐富的教練員來(lái)進(jìn)行分析解釋。

5.人工評(píng)判模式可作為補(bǔ)充

由于技術(shù)水平的限制，智能評(píng)判系統(tǒng)可能無(wú)法一下子對(duì)所有項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)評(píng)判，例如，學(xué)員在訓(xùn)練考核時(shí)的態(tài)度、緊張程度、設(shè)備操作的熟練程度等，對(duì)于這些項(xiàng)目可以采取增加人工評(píng)判打分模塊，建立完善的教練員打分、評(píng)價(jià)體系作為補(bǔ)充，這樣就能很好地彌補(bǔ)智能評(píng)判模式的階段性不足。

6.航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判流程

在進(jìn)行航海模擬器訓(xùn)練考核之前，教練員可根據(jù)公約要求和我國(guó)海事局的有關(guān)培訓(xùn)要求來(lái)制定訓(xùn)練考核的目標(biāo)，然后要向?qū)W員明確在訓(xùn)練考核中的注意事項(xiàng)，完成訓(xùn)練考核科目的下達(dá)。學(xué)員在利用模擬器進(jìn)行訓(xùn)練考核時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集學(xué)員的當(dāng)前本船姿態(tài)、當(dāng)前環(huán)境等綜合信息，利用這些信息判斷當(dāng)前是否為訓(xùn)練考核評(píng)判點(diǎn)，如果是則開(kāi)始評(píng)判，將評(píng)判點(diǎn)之后的學(xué)員操作記錄形成學(xué)員的操作庫(kù)，然后和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中規(guī)則進(jìn)行模糊邏輯判斷，如果出現(xiàn)扣分項(xiàng)則進(jìn)行記錄并扣分，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的項(xiàng)目，則由教練員在訓(xùn)練完成后進(jìn)行人工記錄，當(dāng)訓(xùn)練考核完成后形成訓(xùn)練考核報(bào)告。整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判流程

五、結(jié)語(yǔ)

隨著航海模擬器訓(xùn)練考核智能評(píng)判系統(tǒng)的構(gòu)建，可以形成以自動(dòng)評(píng)判為主、人工評(píng)判為輔的新模式，可以極大提高評(píng)判結(jié)果的科學(xué)性、客觀性、公正性、透明性，減輕教練員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)訓(xùn)練考核的實(shí)際效果。

[1] 雷濤,王輝.航海模擬器評(píng)估準(zhǔn)備與實(shí)施[J] .航海教育研究，2003(3)：28.

[2] 吳金地.航海模擬器培訓(xùn)和評(píng)估的現(xiàn)狀及對(duì)策[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(3)：30.

[3] 賀宜,吳超仲,吳業(yè)福,等.一種機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)说缆房荚囍悄茉u(píng)判監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].交通信息與安全，2011(1)：93.

[4] 吳超仲,吳業(yè)福,張丹,等.機(jī)動(dòng)車道路考試系統(tǒng)智能評(píng)判方法與數(shù)據(jù)交換[J].交通信息與安全，2012(6)：1.

[5] 何英,孟晨.模擬訓(xùn)練設(shè)備的操作評(píng)估專家系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2001(2)：45.

U676.2

A

2015-06-10

張坤(1985-)，男，講師，主要從事多媒體教學(xué)及航海教育研究。

1006-8724(2015)03-0079-03