基于模糊結(jié)構(gòu)元方法的船舶操縱訓(xùn)練自動化評估研究

陳婷婷

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226010）

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2020年中國船員發(fā)展報告》顯示，截至2020年底，我國共有注冊船員超過171.6萬人，同比增長3.5%，為我國建設(shè)航運(yùn)強(qiáng)國奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。作為一種理論基礎(chǔ)和實(shí)踐技能要求都比較高的職業(yè)，我國航海院校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)已在教學(xué)過程中廣泛使用了船員培訓(xùn)模擬器，航海教育理實(shí)一體，并且《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》（Interna?tional Convention on Standards of Training，Certifi?cation，and Watchkeeping for Seafarers，STCW）和《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》等國際公約和國內(nèi)法規(guī)都對如何使用模擬器訓(xùn)練進(jìn)行了強(qiáng)制要求。STCW78/95公約在A-1/12節(jié)《評估程序》中指出：“明確確立評估標(biāo)準(zhǔn)并做到詳盡明晰以確保評估的可靠性和統(tǒng)一性，并達(dá)到最佳和客觀測定和評價，使主觀判斷保持在最低程度”。但是，在實(shí)際培訓(xùn)評估過程中，由教練員或評估員對其操作直接打分考核，以一次操縱結(jié)果作為最終考核成績，難以反映學(xué)員的真實(shí)水平；此外，受教練員與評估員的理論知識水平、航海實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及對評估標(biāo)準(zhǔn)的理解等方面的影響，評估結(jié)果帶有較大的人為的主觀性；而且，由于教練員與評估員人數(shù)、精力與時間等方面的限制，難以做到對學(xué)員全過程的跟蹤評估，更加看重操縱結(jié)果，對學(xué)員的技能提升與改進(jìn)起不到良好的促進(jìn)作用，難以滿足國家對高質(zhì)量船員的需求。

船舶模擬器仿真技術(shù)的提升以及自動化評估考試的發(fā)展趨勢，使得船員的培訓(xùn)考核勢必朝著智能化的方向發(fā)展。因此，基于船舶操縱模擬器的自動化評估模型的深入及廣度的研究顯得尤為重要，可以融入到學(xué)員的日常訓(xùn)練與評估考試中，變結(jié)果考核為過程考核，更加有針對性的解決學(xué)員訓(xùn)練過程中的操作難點(diǎn)，在減少人為因素影響的前提下，實(shí)現(xiàn)學(xué)員的全過程跟蹤指導(dǎo)，對提升培訓(xùn)質(zhì)量具有良好的促進(jìn)意義。

1 基于航海模擬器的船舶操縱培訓(xùn)與評估概述

船員的考試評估已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工直接評判逐步向模擬器自動評估方向發(fā)展、轉(zhuǎn)變，以降低人為因素的影響。多種多樣的綜合評價方法被研究應(yīng)用到模擬器自動評估中，包括廣泛應(yīng)用的模糊綜合評判法、灰色關(guān)聯(lián)度法、AHP法等。其中模糊綜合評判法應(yīng)用最為廣泛，在雷達(dá)模擬器評估系統(tǒng)的開發(fā)以及船舶自動避碰研究等方面取得較為滿意的應(yīng)用效果。傳統(tǒng)的模糊綜合評判方法雖然具有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但通常是通過計算學(xué)員訓(xùn)練數(shù)據(jù)系列與專家數(shù)據(jù)系列的距離或差距，給出一個簡要的分?jǐn)?shù)或等級，并不能完整地反映出學(xué)員在不同操作過程中每一個步驟關(guān)鍵點(diǎn)的不確定性程度，即該學(xué)員在該關(guān)鍵指標(biāo)上的掌握程度或熟練程度，不能很好地指導(dǎo)他們的進(jìn)一步訓(xùn)練與提高。

同時，船舶操縱是一個系統(tǒng)的工程，受到“人-機(jī)-環(huán)-管”四大基本要素的動態(tài)影響，學(xué)員的操縱水平不可避免地受到外在環(huán)境以及船舶操縱性能等方面的影響，在每一次不同的操縱訓(xùn)練中即使操縱結(jié)果都達(dá)到考核要求，但是不可能輸出完全一樣的船舶運(yùn)動軌跡。建立船舶操縱自動化評估體系時必須要充分考慮環(huán)境和船舶等因素，注重對學(xué)員操縱訓(xùn)練的過程考核。因此，有必要對船員的操作過程分模塊進(jìn)行評估，把復(fù)雜過程分解成多個步驟進(jìn)行逐步考核，例如，船舶靠泊過程分解成船舶抵泊前、抵泊后以及靠泊三個階段，充分考慮不同階段的影響因素，分別建立評價指標(biāo)體系，關(guān)注不同階段的操作要點(diǎn)，對學(xué)員進(jìn)行全過程評價，最后綜合得出考核結(jié)果以及相應(yīng)的提升建議。

本文引入模糊結(jié)構(gòu)元的方法進(jìn)行優(yōu)化，不僅能夠總體上計算出學(xué)員操作水平與專家操作或標(biāo)準(zhǔn)操縱的距離，同時能夠全面反映出該學(xué)員在每一個步驟（或指標(biāo)）上的不確定度，過程考核與結(jié)果考核相結(jié)合，從而能夠更有針對性地給予進(jìn)一步的指導(dǎo)。

2 基于模糊結(jié)構(gòu)元方法的評估模型

設(shè)為實(shí)數(shù)域上的模糊集，隸屬函數(shù)記為()，∈，如果()滿足下列性質(zhì)：

（1）(0)=1，(1+0)=(-1-0)=0；

（2）在區(qū)間［-1，0）上()是單調(diào)遞增右連續(xù)函數(shù)，在區(qū)間（0，1］上是單調(diào)遞減左連續(xù)函數(shù)；

（3）當(dāng)-∞＜＜-1或1＜＜+∞時，()=0。

則稱模糊集為上的模糊結(jié)構(gòu)元。

模糊結(jié)構(gòu)元是上的正規(guī)凸模糊集，是表示模糊零概念的特殊模糊數(shù)，它可以具有各種形態(tài)。如果模糊結(jié)構(gòu)元的隸屬函數(shù)關(guān)于縱坐標(biāo)軸=0對稱，則稱為對稱型模糊結(jié)構(gòu)元。如果模糊結(jié)構(gòu)元的隸屬函數(shù)在區(qū)間（-1，1）上有()＞0，且在（-1，0）內(nèi)是嚴(yán)格單增連續(xù)函數(shù)，在區(qū)間（0，1）內(nèi)是嚴(yán)格單降連續(xù)函數(shù)，則稱為正則的模糊結(jié)構(gòu)元。

例如，設(shè)模糊集具有隸屬度函數(shù)：

稱其為三角結(jié)構(gòu)元，隸屬函數(shù)圖形為：

圖1 三角模糊結(jié)構(gòu)元

對于上的任何模糊值函數(shù)?，總存在一個上的模糊結(jié)構(gòu)函數(shù)E 以及某個普通函數(shù)或區(qū)間函數(shù)()和一個非負(fù)函數(shù)()，使得：

()稱為核函數(shù)，或者是趨勢函數(shù)；模糊度函數(shù)()的值就反映了在點(diǎn)處?的不確定度，是離散點(diǎn)與趨勢函數(shù)（核函數(shù)）之間的一種距離的度量，反映的是離散點(diǎn)屬于?的程度。

在基于模擬器的船舶操作的自動化評估中，根據(jù)已建立的指標(biāo)體系，可以提取出在每個指標(biāo)上的學(xué)員操作數(shù)值和專家操作數(shù)值，如表1所示。

表1 模糊結(jié)構(gòu)元評價集

表1中x (=1,2,…,)是指標(biāo)體系集；y (=1,2,…,)為學(xué)員的列操作結(jié)果值；(x )(=1,2,…,)是專家操作值或者標(biāo)準(zhǔn)參考值，在這里，我們把它當(dāng)做核函數(shù)。

所以，模糊度函數(shù)()可以表達(dá)為：

根據(jù)模糊結(jié)構(gòu)元的性質(zhì)，可知，離散點(diǎn)y 屬于?的隸屬程度為：

通過模糊回歸函數(shù)計算，使得，求出模糊度函數(shù)()。進(jìn)行排序后，可以反映出該學(xué)員在哪些指標(biāo)上存在較大的不確定性或波動，從而判斷他在該指標(biāo)或操作上仍然不熟練或存在問題。

3 評估實(shí)例

以船舶靠泊操作為例，船舶運(yùn)行軌跡簡略如圖2所示。

圖2 船舶靠泊操作軌跡圖

從系統(tǒng)工程學(xué)的角度把該操作分為三個部分，分別為：

操作過程是船舶進(jìn)入抵泊區(qū)前的一段操作，主要的結(jié)果是到達(dá)抵泊區(qū)位置①的速度以及此時的船首向與碼頭岸線間的角度。在操作過程中應(yīng)注意船舶操縱安全性（航跡偏移情況、速度控制情況等）以及車舵運(yùn)用的熟練性等。

操作過程是船舶進(jìn)入抵泊區(qū)后的靠泊操縱過程，主要考慮抵泊余速（位置②）、抵泊橫距、抵泊角度、靠攏角度、靠攏速度、靠泊角度的選取、車舵運(yùn)用的準(zhǔn)確性與連續(xù)性等因素。

最終靠泊完成，主要考慮靠泊完成后與前后泊位/船舶的安全距離、靠泊位置準(zhǔn)確性、總耗時、靠泊過程中航跡的總體平滑性、靠泊結(jié)果安全性（是否對碼頭泊位造成損害、是否對船體造成損害等）等因素。

建立三個子過程的評價指標(biāo)體系，通過采集模擬器中船員的操作數(shù)據(jù)以及環(huán)境信息等，與建立的專家?guī)鞌?shù)據(jù)進(jìn)行對比，對三個子過程分別進(jìn)行綜合評價，并得出綜合結(jié)果描述：

借助專家咨詢法和層次分析法，得出指標(biāo)權(quán)重集為=(,,…,a )；

然后，根據(jù)傳統(tǒng)的模糊綜合評價方法，計算得出學(xué)員的綜合成績或評估等級，作為評估結(jié)果的PartⅠ；

接著，根據(jù)模糊結(jié)構(gòu)元方法，計算得出每個指標(biāo)x (=1,2,…,)處的模糊度函數(shù)值(x )，對模糊度進(jìn)行排序，找出不確定度相對較大或波動較大的指標(biāo)點(diǎn)，確定存在問題或仍不熟練的地方，作為評估結(jié)果的PartⅡ；

最后，綜合PartⅠ與PartⅡ的結(jié)果給出評價等級，并制定相應(yīng)的訓(xùn)練措施與指導(dǎo)建議。

4 結(jié)語

船舶操縱模擬器已被廣泛地應(yīng)用到船員的培訓(xùn)與考核中，對船員隊伍的建設(shè)起到了至關(guān)重要的作用。為了提高船員培訓(xùn)質(zhì)量，建立完善的自動化評估流程與模型是非常必要的。而傳統(tǒng)的自動化評估方法更加注重評估結(jié)果，對學(xué)員的訓(xùn)練過程關(guān)注較少，本文引入的模糊結(jié)構(gòu)元方法豐富了傳統(tǒng)的模糊綜合評價方法，融合之后使得評估結(jié)果更加完整、直觀、具有針對性，重點(diǎn)關(guān)注學(xué)員的操作過程以及薄弱點(diǎn)，對學(xué)員的訓(xùn)練水平提高更具有指導(dǎo)意義。