蔣效彬　任鴻翔　王德龍　房希旺

摘要：

為提高對船員的錨泊操縱進(jìn)行評估的效率、客觀性和科學(xué)性，在航海模擬器中建立錨泊操縱自動(dòng)評估系統(tǒng).通過專家評估法獲得與錨泊操縱相關(guān)的評價(jià)指標(biāo)，確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值和標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)用模糊綜合評判法建立錨泊操縱的自動(dòng)評估模型.利用面向?qū)ο蟮腣isual C++語言開發(fā)了錨泊操縱自動(dòng)評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)出題、答題與評估、數(shù)據(jù)管理等功能模塊.該系統(tǒng)在大連海事大學(xué)自主研發(fā)的V_Dragon 3000航海模擬器中的測試表明，系統(tǒng)得出的評估結(jié)果與教練員的評估結(jié)果基本一致，能夠客觀、準(zhǔn)確地對船員的錨泊操縱進(jìn)行自動(dòng)評價(jià)，能夠滿足自動(dòng)評估要求.

關(guān)鍵詞：

航海模擬器； 錨泊操縱； 自動(dòng)評估系統(tǒng)； 評價(jià)指標(biāo)

中圖分類號： U666.158

0 引 言

目前我國船員理論考試已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)統(tǒng)考，實(shí)操評估考試還由各直屬海事局負(fù)責(zé)，實(shí)操評估存在主觀隨意性較大、評估標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題.航海模擬器己經(jīng)在航海教育培訓(xùn)中得到廣泛應(yīng)用，基于航海模擬器開發(fā)實(shí)操自動(dòng)評估系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義.國內(nèi)外一些學(xué)者對這方面進(jìn)行了研究，如：HARRO[1]根據(jù)避碰規(guī)則設(shè)計(jì)了關(guān)于避碰的自動(dòng)評估系統(tǒng)；周振超[2]利用模糊綜合評價(jià)法對航海仿真環(huán)境下的海員考試與評估系統(tǒng)進(jìn)行理論分析；陶俊等[3]通過專家調(diào)查法對船舶進(jìn)出港進(jìn)行評估；房希旺[4]通過模糊綜合評價(jià)法建立了靠離泊操縱的評估模型；王德龍等[5]完成了船舶操縱模擬器實(shí)操自動(dòng)評估系統(tǒng)的初步構(gòu)建.目前國內(nèi)關(guān)于航海模擬器中錨泊操縱的自動(dòng)評估還沒有系統(tǒng)的研究，研發(fā)錨泊操縱自動(dòng)評估系統(tǒng)，一方面可以檢驗(yàn)船員掌握錨泊操縱的相關(guān)知識和技能，促進(jìn)船員錨泊操縱水平的提升，另一方面可以減輕評估人員的工作量，提高評估的客觀性與科學(xué)性.本文基于大連海事大學(xué)的V_Dragon 3000航海模擬器，對錨泊操縱的評估方法、評估模型進(jìn)行深入研究，搭建包括出題、答題與評估、數(shù)據(jù)管理等功能的自動(dòng)評估系統(tǒng).

1 評估模型的建立

實(shí)操自動(dòng)評估系統(tǒng)需要在船員答題過程中實(shí)時(shí)獲取船舶航行狀態(tài)和船員的操作數(shù)據(jù)，在答題結(jié)束后，通過評估模型計(jì)算出最終成績.評估模型是自動(dòng)評估系統(tǒng)的核心，建立科學(xué)、合理的評估模型是保證評估結(jié)果準(zhǔn)確、公平的關(guān)鍵[6].建立評估模型主要包括四個(gè)方面的工作，即評價(jià)方法的選取、評價(jià)指標(biāo)的建立、評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)的確定、評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值與權(quán)重值的計(jì)算.

1.1 評價(jià)方法

當(dāng)前可以應(yīng)用的評估方法較多，如：模糊綜合評價(jià)法、系統(tǒng)工程分析評價(jià)法、概率風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)法、危險(xiǎn)度分級法、安全指數(shù)法等[7].錨泊操縱結(jié)果的優(yōu)劣受外界環(huán)境、船舶狀況和操縱人員操縱技能的影響，因此對錨泊操縱的評估是一項(xiàng)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程[8].為保證評估的準(zhǔn)確性，本文的評估模型采用專家評估法與隸屬函數(shù)評估法相結(jié)合的方法，即先確定錨泊操縱的評價(jià)指標(biāo)體系，針對不同的評價(jià)指標(biāo)建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，得到每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，再結(jié)合專家評估法及層次分析法給出的權(quán)重值，加權(quán)平均得到船員的評估成績.

1.2 評價(jià)指標(biāo)

錨泊操縱方式分為單錨泊操縱和雙錨泊操縱兩種，雙錨泊可進(jìn)一步分為八字錨、一字錨和平行錨.運(yùn)輸船舶最常用的錨泊方式是單錨泊，故本文僅對單錨泊進(jìn)行分析.錨泊操縱過程中需要考慮的主要因素[9]有：（1）進(jìn)入錨地路線、錨位選擇；（2）船位、

船速、姿態(tài)控制；（3）根據(jù)水深和船舶條件選擇拋錨方法；（4）錨鏈長度控制；（5）錨抓底判斷.經(jīng)過對各種資料的分析和大量的專家調(diào)查問卷，按照指標(biāo)選取的全面性、動(dòng)態(tài)性、可操作性等原則，確定了單錨泊操縱的評價(jià)指標(biāo)，見圖1.

1.3 評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)

為提高評估的準(zhǔn)確性，自動(dòng)評估系統(tǒng)盡可能地把影響因素量化，參考相關(guān)航海理論以及航海慣例，建立描述模糊概念的候選隸屬度函數(shù)，利用最小化模糊度的原則確定評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù).但有些因素很難量化，只能對其進(jìn)行定性分析，在這里把相應(yīng)的評價(jià)結(jié)果設(shè)定為0或1，即滿足定性分析的結(jié)果時(shí)，隸屬度值為1，反之則為0.關(guān)于錨泊操縱評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)的獲取方法大致相同，本文將主要對錨位精度、拋錨船速、拋錨艏向、出鏈長度等評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行分析.

1.3.1 錨位精度

拋錨時(shí)能把船停在指定的錨位是對船員操縱水平的一個(gè)重要考驗(yàn).拋錨時(shí)錨位精度的評判標(biāo)準(zhǔn)是拋錨時(shí)錨的位置與指定的拋錨位置之間的距離，即錨距離指定的錨位越近，船員的拋錨操作水平越高.根據(jù)實(shí)船操縱經(jīng)驗(yàn)，取一倍船寬作為錨位精度的最大誤差.拋錨時(shí)錨位精度d的隸屬度函數(shù)為

1.3.2 拋錨船速

單錨泊操縱有前進(jìn)拋錨法和后退拋錨法兩種方法.前進(jìn)拋錨法僅適用于小型船舶或軍艦，一般商船為保證拋錨后抓牢海底，多采用后退拋錨法.航海模擬器中的船舶以商船為主，因此本文主要針對后退拋錨法進(jìn)行研究.拋錨時(shí)的對地退速大小比較難以判斷，一般認(rèn)為船舶對地略有退速時(shí)為拋錨的最佳時(shí)機(jī).退速的大小主要取決于船舶排水量：小型船舶退速不超過2 kn，中型船舶退速不超過1 kn，大型船舶退速不超過0.5 kn，VLCC拋錨時(shí)的退速更小.拋錨時(shí)退速v的隸屬度函數(shù)為

1.3.3 拋錨艏向

船舶拋錨時(shí)艏向與風(fēng)、流合作用力方向的夾角，對錨泊操縱的安全及錨抓底的牢固程度具有直接的影響.為保證拋錨時(shí)的安全并有利于錨抓底，拋錨時(shí)艏向與風(fēng)、流合作用力方向的夾角越小越好，一般不宜大于15°，切忌在橫風(fēng)、橫流時(shí)拋錨.本文將15°作為拋錨時(shí)艏向與風(fēng)、流合作用力方向夾角的標(biāo)準(zhǔn)值.艏向α的隸屬度函數(shù)為

1.3.4 出鏈長度

安全錨泊的前提條件是確保足夠的錨泊力，這就需要在錨泊操縱結(jié)束時(shí)松出一定的錨鏈，以抵御作用于錨泊船的合外力[10].由文獻(xiàn)[11]得到安全錨泊的必要條件為錨泊力能夠抵御作用于錨泊船的合外力，由此得到保證錨泊安全所需的總出鏈長度為

1.4 評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值與權(quán)重值

評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值采用專家調(diào)查法確定，即根據(jù)資料分析、專家意見及航海慣例，對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析并確定評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值.評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值采用層次分析法確定.利用19標(biāo)度法確定評價(jià)指標(biāo)相對重要程度，構(gòu)造判斷矩陣；求出判斷矩陣最大特征根及對應(yīng)的特征向量；最后對特征向量進(jìn)行歸一化處理，得到W=（ω1，ω2，…，ωn），其中ωi為對應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值.最后采用加權(quán)平均法計(jì)算出船員錨泊操縱的結(jié)果，最終的評估成績可表示為

式中： μi，ωi分別為評價(jià)指標(biāo)i的隸屬度值和權(quán)重值.默認(rèn)情況下會給出評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和權(quán)重值作為初始參考值，專家可以根據(jù)具體條件再對其進(jìn)行修改，這樣可以增加出題的靈活性.各評價(jià)指標(biāo)初始標(biāo)準(zhǔn)值和權(quán)重值見表1.

2 評估系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文在大連海事大學(xué)開發(fā)的航海模擬器基礎(chǔ)上，利用Visual C++語言開發(fā)了錨泊操縱自動(dòng)評估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了出題、答題與評估、數(shù)據(jù)管理等功能模塊.大連海事大學(xué)航海模擬器由一個(gè)教練站（即試題編輯端）和多個(gè)本船（即考試端）構(gòu)成.出題模塊位于教練站，題目編輯完成后保存成試題文件.答題與評估模塊在本船的電子海圖機(jī)器中，本船收到試題文件后，啟動(dòng)模擬器程序，并初始化試題環(huán)境，船員在本船中操縱答題.船員在所有操縱完成后提交試題，系統(tǒng)會根據(jù)船員的操縱數(shù)據(jù)給出成績，同時(shí)通過數(shù)據(jù)管理模塊把船員操作的相關(guān)數(shù)據(jù)、成績信息等存入數(shù)據(jù)庫中.錨泊操縱自動(dòng)評估系統(tǒng)的整體架構(gòu)見圖2.

2.1 出題

在航海模擬器的教練站出題時(shí)，先進(jìn)行練習(xí)設(shè)置，再進(jìn)行評估設(shè)置，即先設(shè)定海圖、本船、目標(biāo)船的初始信息及風(fēng)、流航行環(huán)境等，而后系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的練習(xí)給出缺省的評價(jià)指標(biāo)，以及每個(gè)評價(jià)指標(biāo)對

應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值、權(quán)重值、隸屬度參數(shù)和相應(yīng)的隸屬度曲線.教練員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際情況增加或者刪除評價(jià)指標(biāo)，改變評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值、權(quán)重值，調(diào)整隸屬度參數(shù)值等，評價(jià)指標(biāo)設(shè)置界面見圖3.教練站出好的試題保存成文件，并發(fā)送到航海模擬器的本船中.

2.2 答題及評估

航海模擬器的本船收到試題信息后，啟動(dòng)模擬器程序，初始化試題環(huán)境；船員在本船中操縱船舶進(jìn)行答題；系統(tǒng)根據(jù)船員的操縱數(shù)據(jù)給出評估結(jié)果.為增加錨泊操縱的真實(shí)感，本文在模擬器原有二維錨泊操縱界面（見圖4）基礎(chǔ)上，利用Unity 3D引擎開發(fā)了三維錨泊操縱場景，見圖5.在三維場景中，船員可用鼠標(biāo)操縱離合器、止鏈器、錨鏈孔罩、固定鋼絲、剎車等錨機(jī)部件，操縱流程與實(shí)船一樣.原有的二維操縱界面與新開發(fā)的三維操縱場景之間可以聯(lián)動(dòng)，船員既可使用二維界面也可使用三維場景對錨泊進(jìn)行操縱.

為使自動(dòng)評估更加準(zhǔn)確合理，同時(shí)增加系統(tǒng)的靈活性，評估系統(tǒng)在自動(dòng)給出評估成績的同時(shí)，教練員還可以選擇人工評判，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評估與人工評估的對比.為防止自動(dòng)評估成績對人工評估產(chǎn)生干擾，在設(shè)計(jì)程序時(shí)首先讓評估人員選擇是否進(jìn)行人工評判，如果選擇“是”，則隱藏自動(dòng)評估成績，等評估人員給出人工評估成績并點(diǎn)擊“自動(dòng)評估成績”按鈕后再顯示自動(dòng)評估成績.如果選擇“否”，則直接顯示自動(dòng)評估成績.在評估系統(tǒng)開發(fā)初期通過大量的這種成績對比，可以分析自動(dòng)評估模型的不足并加以改進(jìn).評估的具體流程見圖6.

2.3 數(shù)據(jù)管理

為獲得更多評估數(shù)據(jù)，程序添加了數(shù)據(jù)管理功能.數(shù)據(jù)庫不僅可以保存最終的考試成績，也可以實(shí)時(shí)記錄船員操縱的相關(guān)數(shù)據(jù)，如船泊動(dòng)態(tài)信息、風(fēng)流環(huán)境信息、船舶操作數(shù)據(jù)等，為以后總結(jié)并改進(jìn)評估

3 結(jié)束語

對航海模擬器錨泊操縱評估模型進(jìn)行了深入研究，開發(fā)出了錨泊操縱自動(dòng)評估系統(tǒng).該系統(tǒng)在大連海事大學(xué)自主研發(fā)的V_Dragon 3000航海模擬器中進(jìn)行了多次測試.由該系統(tǒng)得出的評估結(jié)果與教練員的人工評估結(jié)果基本一致，能夠客觀、準(zhǔn)確地對船員的錨泊操縱進(jìn)行自動(dòng)評價(jià)，基本能夠滿足自動(dòng)評估要求.

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（編輯 趙勉）