航海模拟器训练考核智能评判可行性分析

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(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

航海模拟器训练考核智能评判可行性分析

张坤1，叶挺

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

简要分析航海模拟器训练考核评判现状，介绍航海模拟器训练考核智能评判的概念以及优势，就航海模拟器训练考核智能评判的具体构想和可行性进行阐述，认为航海模拟器训练考核智能评判是可以实现的，并能够大大提高训练考核的实际效果。

航海模拟器；训练考核；智能评判；专家系统；数据挖掘

一、引言

现代航海模拟器历经三十余年的发展，已广泛应用于航海教育领域。如何更有效地利用航海模拟器进行训练、考核，是所有航海教育工作者不断探索的课题。笔者认为，对学员每一次的训练、考核做出科学的评判，是解决这一课题的关键。只有这样，学员才会对自己的能力水平有一个清醒的认识，才能明确不足，从而在后续训练中不断提高。本文就航海模拟器训练考核智能评判的具体构想和可行性进行探讨。

二、航海模拟器训练考核评判现状

1.采用教练员人工评判的传统模式

目前，在航海模拟器训练考核过程中通常采用教练员人工评判的模式，即由教练员对学员的操作过程进行不间断观察，通过观察来判断学员的操作是否符合操作规程以及熟练度如何，并最后记录结果。[1]这种模式对教练员的要求比较高，通常要求教练员具有相关资质以及丰富的经验。如果教练员不符合要求，那么学员的训练、考核就很难达到良好效果。

2.人工评判模式的局限性分析

人工评判的传统模式简便易行，应用广泛，但也存在不少局限性。

(1)评判结果未能达到最佳客观的程度。人工评判模式的关键在于教练员，而这是一个可变性非常大的因素。首先是评判过程中教练员的主观判断有时未能做到有理有据[2]；其次是评判结果过度依赖于教练员的技术水平与经验，教练员的技术水平与经验往往差距较大，不同的教练员甚至会做出不同的评判；再次是评判过程中教练员须保持精神高度集中，工作时间稍长便会效率下降，有时难免出现漏判、误判。

(2)评判记录的利用率较低。人工评判模式在每一项训练考核后，由教练员手工记录该项成绩以及出现的问题，形成纸质的训练考核记录。纸质的训练考核记录往往很难进行统计分析，不利于掌握学员每次训练考核的情况，无法分析出其薄弱点所在，难以给出后续针对性训练建议。

三、航海模拟器训练考核智能评判的概念及优势

1.智能评判的概念

所谓智能评判，就是在航海模拟器的基础上构建一套计算机软件系统，即所谓的智能评判系统。该系统在航海模拟器训练考核过程中，尽最大可能地对学员的操作进行自动评判，尽可能地代替教练员来进行评判。智能评判系统可以通过综合利用先进的计算机技术、人工智能技术、数据挖掘技术等来进行实现，相关的理论与技术近年来发展很快，非常流行。[3-4]

2.智能评判的优势

与传统的人工评判模式相比较，智能评判模式具有非常明显的优势：

一是操作简单。智能评判系统可以与航海模拟器无缝集成、同步运行，不会影响到学员的训练考核过程。智能评判系统在训练考核开始之前做好相应的设置即可，不需要更多的操作。

二是评判标准统一。智能评判系统通过将学员的操作与事先确定的标准库进行比对来做出评判，这就保证了每次评判都有统一的标准，评判结果更加科学、客观、公正、透明。

三是能够积累大量数据，便于分析提高。智能评判系统记录了所有学员的全部操作以及评判结果，所有数据都以电子数据的形式存储于数据库中。可以对这些数据进行统计分析、数据挖掘，为合理安排后续训练考核、调整训练进度提供科学依据，以提高训练考核的实际效果和质量。

四、航海模拟器训练考核智能评判的具体构想及可行性分析

实现航海模拟器训练考核智能评判系统，主要是构建标准库模块、操作库模块、自动评判模块、数据分析挖掘模块等四个功能模块，如图1所示。

图1 航海模拟器训练考核智能评判系统组成模块

下面对各模块进行逐一介绍并分析其可行性。

1.标准库模块

智能评判系统获取学员的操作数据，然后将其与标准库进行比对，而后形成评判结果。因此，标准库模块的主要功能是为智能评判系统提供自动评判所依据的标准，即形成标准库。

本文认为建立标准库是可行的，可按照以下思路进行。

一是确定训练考核的具体项目。可根据STCW公约要求和我国海事局的有关培训要求来确定，也可参考有关技术手册、教材等。在确定具体项目的过程中要注意：定义要明确，对于一些综合性项目可拆解为多个简单项目的组合。

二是针对每一个训练考核具体项目，确定标准的操作序列。应当包括：每一步操作的内容、每一步操作的参考时间、每一步操作所占整体操作的权重值、操作之间的参考顺序等。对于每一步操作所占整体操作的权重值确定，可选取多位有丰富实际经验和专业知识的专家对操作情况进行评估，给出评分值，而后对专家的打分进行加权平均后得出。

三是将以上第二点所确定的标准操作序列进行数据化表示，存入数据库中，形成标准库。

2.操作库模块

操作库模块的主要功能是获取学员在航海模拟器上的每一步具体操作，将其进行数据化表示之后存入数据库，形成操作库，以便与标准库进行比对生成评判结果。

本文认为建立操作库是可行的，主要因为学员操作的获取非常便利。航海模拟器本身就完成了对车、舵等硬件设备所产生的物理信号的采集转换，可以直接调用航海模拟器的相关软件接口来获取学员的操作情况。对于国外引进的航海模拟器，接口获取有一定难度，国内厂家生产的模拟器则相对容易，可采取研究突破技术限制或合作开发的办法。

3.自动评判模块

自动评判模块的主要功能是构建自动评判逻辑体系，实现操作库、标准库到评判结果的映射，是整个智能评判系统的核心。

对学员实际操作的评判不能用某一种或几种标准答案进行简单评定，智能评判需要对学员的操作时间、操作技巧等方面因素进行综合评估。这些因素本身都具有一定的模糊性，很难给出精确的评价标准。对此，可以采用基于模糊逻辑的评估专家系统[5]。

模糊逻辑是指模仿人脑的不确定性概念判断、推理思维方式，对于模型未知或不能确定的描述系统以及强非线性、大滞后性的控制对象，应用模糊集合和模糊规则进行推理，模拟人脑方式，实行模糊综合判断，推理解决常规方法难以对付的模糊信息问题。

模糊逻辑的相关理论创始于20世纪60年代，经过半个多世纪的发展已经非常成熟。特别是随着全球经济高速发展，模糊逻辑在工业中的实际应用也日益成熟，一些基于模糊逻辑的专家系统已经广泛应用于工业生产之中，完全可以借鉴相关理论技术来构建我们的评估专家系统。

4.数据分析挖掘模块

数据分析挖掘模块的主要功能是对学员操作数据以及自动评判结果数据进行统计分析、数据挖掘，从而发现这些数据中所蕴含的规律。比如，发现学员在训练考核中具有的共性错误操作，发现那些容易关联发生的错误操作，根据学员的操作水平将其进行分类等。 该模块的关键是数据挖掘技术，由数据准备、数据挖掘、结果表达和解释三个阶段组成。由此来看，构建数据分析挖掘模块是可行的：

一是数据积累充分。智能评判系统记录了学员的所有操作以及评判结果，而且这些数据都已经以标准化的格式存放于数据库之中，这就为数据挖掘提供了良好的条件。

二是可以利用数据库自带的数据挖掘功能来进行数据挖掘。随着数据挖掘技术的飞速发展，数据挖掘技术已经进入商业化应用的阶段，一些数据库管理系统之中就已经集成了数据挖掘功能。比如Microsoft公司的SQL Server 2005数据库管理系统中的Analysis Services工具集，就提供了大量的数据挖掘功能。

三是数据挖掘的结果可由经验丰富的教练员来进行分析解释。

5.人工评判模式可作为补充

由于技术水平的限制，智能评判系统可能无法一下子对所有项目进行自动评判，例如，学员在训练考核时的态度、紧张程度、设备操作的熟练程度等，对于这些项目可以采取增加人工评判打分模块，建立完善的教练员打分、评价体系作为补充，这样就能很好地弥补智能评判模式的阶段性不足。

6.航海模拟器训练考核智能评判流程

在进行航海模拟器训练考核之前，教练员可根据公约要求和我国海事局的有关培训要求来制定训练考核的目标，然后要向学员明确在训练考核中的注意事项，完成训练考核科目的下达。学员在利用模拟器进行训练考核时，系统实时采集学员的当前本船姿态、当前环境等综合信息，利用这些信息判断当前是否为训练考核评判点，如果是则开始评判，将评判点之后的学员操作记录形成学员的操作库，然后和标准库中规则进行模糊逻辑判断，如果出现扣分项则进行记录并扣分，对于无法进行数据采集的项目，则由教练员在训练完成后进行人工记录，当训练考核完成后形成训练考核报告。整个过程如图2所示。

图2 航海模拟器训练考核智能评判流程

五、结语

随着航海模拟器训练考核智能评判系统的构建，可以形成以自动评判为主、人工评判为辅的新模式，可以极大提高评判结果的科学性、客观性、公正性、透明性，减轻教练员的劳动强度，增强训练考核的实际效果。

[1] 雷涛,王辉.航海模拟器评估准备与实施[J] .航海教育研究，2003(3)：28.

[2] 吴金地.航海模拟器培训和评估的现状及对策[J].青岛远洋船员学院学报，2012(3)：30.

[3] 贺宜,吴超仲,吴业福,等.一种机动车驾驶人道路考试智能评判监测系统[J].交通信息与安全，2011(1)：93.

[4] 吴超仲,吴业福,张丹,等.机动车道路考试系统智能评判方法与数据交换[J].交通信息与安全，2012(6)：1.

[5] 何英,孟晨.模拟训练设备的操作评估专家系统[J].电力自动化设备，2001(2)：45.

U676.2

A

2015-06-10

张坤(1985-)，男，讲师，主要从事多媒体教学及航海教育研究。

1006-8724(2015)03-0079-03