船舶机舱协作式模拟训练评估方法

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

《STCW 78/102公约》中有一项新增强制性适任标准，称为机舱资源管理，要求轮机部的高级船员需要借助训练评估等方法，促进各个部门协作配合，以降低机舱发生人为失误的概率，加强海上交通安全。已有的研究工作没有或较少考虑对于团队成员协作能力[1-5]，为此，基于协作式的基本思想，提出基于模糊数学理论的评价方法，该方法运用模糊综合评价进行底层运算，同时利用集合相似度分析的理论来考量团队成员的协作能力，以达到协作式评估的目的。

1 船舶机舱协作式模拟训练

机舱资源管理概念见图1。

图1 机舱资源管理概念示意

机舱资源同时包括内部和外部资源，船员既要协同同船人员管理内部资源，也要求对于外部环境有敏锐的感知。显然，机舱资源管理是一个协作式的任务，要求各人员间协调配合，共同完成任务。

所谓协作能力是指作团队成员间共享资源，相互沟通、相互帮助并努力融入团队，最终使得整个团队圆满完成任务的这样一种能力[6]。这就需要所有成员相互沟通和协调，彼此分享与交流，迅速有效地应对所处环境做出判断和反应[7]。利用机舱资源管理的相关理论，分析当前协作式训练的特点，针对协作式模拟训练的特点，利用合理的方法确定特定情境下协作训练的评估结果。

2 协作式评估方法

2.1 评估特点

使用层次分析法作为计算权重的方法，计算出的权重直接用于模糊综合评价[8]。利用模糊综合评价得出结果，通过考虑团队内部的协作性程度，计算相似系数，与模糊综合评价结果合成即为最终的协作式评估结果。

协作式评估方法主要关注团队内部的协作能力。用相似系数解决团队内部的协作性量化问题。

2.2 层次分析法步骤

步骤1建立层次结构模型。结构模型分为三层：最高层；中间层；最低层。低层和高层分别为因素层和目标层[9]。

步骤2构造判断矩阵。aij所表示的为要素i和要素j重要性比较的结果。重要性等级赋值见表1。

(1)

步骤3层次单排序及其一致性检验。

(2)

计算Mi的n次方根。

(3)

(4)

计算最大特征值λmax。

(5)

之后，根据表2进行一致性检验。

表2 平均随机一致性指标RI标准值

判断矩阵的一致性指标CI。

(6)

通过查表可知判断矩阵同阶平均随机一致性的指标RI。

计算随机一致性比率CR。

(7)

步骤4层次的总排序。计算最高层相对重要性权值[10]。

2.3 模糊综合评价步骤

1)建立因素集U={u1,u2,…,un}，评价集V={v1,v2,v3…vm}。

2)构造评价矩阵。将对应的关系在m个评语和n个因素之间建立矩阵[11]。

(8)

3)建立因素重要程度模糊集A=(a1,a2,…,an)。ai为因素的重要程度系数。

4)取TR(A)=A∘R即为对n个因素综合考虑后所得到的综合评价结果。作为V上一个模糊集合，称为抉择等级模糊集。

2.4 团队内部的协作能力分析

在轮机实操评估中对协作能力的要求主要体现在以下几个方面：时序性、成员间的相互依赖、冗余操作及越权操作、成员间的通信与交流、与规则的对应程度等。集合相似度系数是分析2个集合一致性程度的系数，通过面向评估过程来分析团队内部的协作程度。

Dice系数用于衡量2个集合的相似程度[12]。将评估规则和学员实际操作分别视为一个集合，由于集合内部是无序的，所以需要利用IIS信息流分析法[13]对2个集合进行预处理。所谓预处理就是对集合中的同类型信息流进行合并，然后按照时间先后顺序进行编号处理，预处理后的集合中的元素形成了信息流序列，具有了时序性。故时序性原则可以利用Dice系数进行量化。

根据基于规则和时序性的原理，前一条规则未完成时无法进行下一条规则。例如：前一规则要求操作者α检查某一系统并在完成时向领导者汇报。下一规则要求操作者β检查另一系统并在完成时向领导者汇报。而操作者α未完成其任务，导致操作者β的任务无法进行或无法按时进行。根据这一原则，成员间的相互依赖以及成员间的通信与交流得以体现，利用Dice系数进行量化。

Tversky系数强调2个事物的相似程度与其共同属性呈正相关[14]。认为Dice系数注重操作过程，Tversky系数注重操作细节。根据这一属性，学员操作时的冗余操作、越权操作及其与规则的对应程度可以利用Tversky系数来量化。冗余操作可以理解为理论培训中涉及的操作在实际评估规则中并未涉及，是否进行此操作对操作结果不会产生影响，但在协作评估过程中会有一定影响。将越权操作理解为，本应由操作者α完成的任务被操作者β代替完成，尽管完成度很高，但是仍对协作评估的结果有一定的影响。

Dice及Tversky系数(sDice∈[0,1]，sTversky∈[0,1])的计算式为

(9)

式中：D1为团队领导者制订的应完成的操作的数量；D2为团队成员实际完成的操作的数量;D1∩D2为团队操作过程中与制订操作要求一致对应的操作的数量。

(10)

式中:T1为评估规则具体细则的数量；T2为评估过程中实际完成的操作数量；T1∩T2为规则要求且评估时也完成的操作数量；T1-T2为未按规则完成的操作的数量；T2-T1为规则未规定但操作过程中涉及的操作的数量。

本案例钻孔弹模测试是在系统深孔水泥灌浆后，浅孔系统复合灌浆前后测得的，未能得到整个洞段围岩处理前的围岩变形参数。但从隧洞开挖过程中的地质资料看，隧洞开挖支护完成后，围岩存在断层塌洞、空腔、软弱断层物质，及节理密集带等，整体强度低和变形参数低、透水性强，系统深孔水泥灌浆过程中钻孔塌孔严重，涌水、涌泥和涌沙现象多，经水泥灌浆处理后，围岩整体变形模量增加到了1.7 GPa～8.6 GPa之间，均值为5.0 GPa，且透水率满足85%小于2 Lu的要求。

记模糊综合评价得出的评价结果为F，团队最终评价结果为M，则

M=sDice·sTversky·F

(11)

式(11)的合理性在于，假设该团队完全按照评估规则及协作式训练的要求进行操作，则不会对评估结果产生任何影响。如果该团队在操作过程中出现了影响协作程度的操作，那么2个相似系数的值小于1，对最终评估结果产生影响。

3 实例验证

对于常规的协作式评估船舶备车操作而言，船舶发电机组的备车操作是其下属子任务中的一项[14]。例如，现有一6人团队进行该项目的评估，领导者X负责协调分配任务，5名队员u、v、w、y、z分别完成检查起动空气系统、滑油系统、燃油系统、冷却水系统以及并车等5项操作。部分实验数据见表3。规则集合信息流的预处理结果见表4，限于篇幅，这里略去了其他的预处理过程。计算Dice系数的对照表见表5，计算Tversky系数的对照表见表6。表6中二者的差异用[]表示。

表3 实验数据

注：该团队人工评估得分为100。

表4 规则集合信息流预处理

表5 Dice系数计算对照表

表6 Tversky系数计算对照表

对表5进行分析可知，评估规则的要求是按照I1-I12的顺序进行的，评估操作是按照J1-J9的顺序进行的，协作式评估中的时序性得以体现。评估操作与I1-I12规则有6条一一对映：I1-J1，I2-J2，I3-J3，I4-J4，I6-J6，I7-J7。成员y与成员w共同完成燃油系统的检查，这与规则要求是相悖的。后续由于成员y检查完冷却水系统后未及时通知领导者X，导致领导者X未及时通知成员z启动发电机，进而导致并车操作不及时，最终未能按时完成该项目。主要原因在于，成员z的操作依赖于其他所有成员完成各自的操作，成员y为最后一环，成员y未能及时与其他成员通信交流，导致成员z的操作延迟进行。成员y也未能满足协作式评估中的通信与交流以及成员间相互依赖的要求，影响了整个团队的协作能力。根据表5进行计算，得到SDice=0.517 4。

对表6进行分析可知，该团队在细节操作上的完成度较高，但仍存在一些问题：成员u与y在过程中出现了两次冗余操作，且成员y存在越权操作：代替成员w完成了燃油系统的检查。成员u与y的冗余操作皆为规则中未涉及的操作，的确符合维护管理要点中的要求。成员u和y未能满足协作式评估中关于越权操作与冗余操作的要求，对团队的协作能力产生了一定的影响。根据表6进行计算，得到STversky=0.869 6。

3.1 评价矩阵的计算

利用隶属函数法计算评价矩阵，隶属函数由模糊分布来确定，主要涉及：三角分布、梯形分布、布尔分布。

计算得到评价矩阵

R=(1，1，1，1，1，1，1，1，0.85，0.93，1，1，1)T。

3.2 结果计算

利用层次分析法计算起动空气压力，滑油进机温度，滑油进机压力，燃油进机黏度，燃油进机压力，冷却水进机温度，冷却水进机压力，相位差，频率差，待并机电压，操作时间，是否均功，是否关闭同步表的权重向量。

A=(0.260 1，0.130 1，0.130 1，0.130 1，0.130 1，0.068 8，0.068 9，0.020 5，0.024 6，0.016 4，0.004 1，0.008 2，0.008 2)

令

B=A∘R

(12)

将B中元素乘以100得到该团队模糊综合评价得分为F=99.52。

在考虑Dice系数及Tversky系数后，该团队的协作式评估得分为M=49.45。

3.3 结果分析

根据上述计算结果可见，团队内部的协作程度是影响团队最终评估结果的关键因素。对于该团队而言，尽管该团队在每个评估项目上都具有较高的完成度，但该团队各个成员间的协作性较差。在上述评估过程中，由于成员y与领导者X的通信不及时，导致成员z无法按时完成既定操作，违背了协作式评估中对于协作能力的要求，使整个评估项目延迟完成。同时成员u与成员y均出现了冗余操作，成员y还出现了越权操作。造成这种情况的原因主要有两个方面：一，评估规则的制定不够细致；二，学员对其所学无法做到灵活应用。综上所述，由于成员u与成员y在评估过程中造成的错误，使得整个团队的协作能力受到了影响，最终导致该团队未能取得理想的协作式评估结果。

4 结论

1)协作式的评估方法可以同时对团队完成度及协作能力进行评估，并且可以体现出团队协作性存在问题的具体环节，符合协作式评估的要求。

2)应用时，可以针对不同的评估项目制订具体评估要求，详细的规则能够保证协作式评估的精确度，细致体现学员的协作能力。