航海模擬器的錨泊操縱自動評估系統(tǒng)

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行評估的效率、客觀性和科學性，在航海模擬器中建立錨泊操縱自動評估系統(tǒng).通過專家評估法獲得與錨泊操縱相關的評價指標，確定評價指標的權重值和標準值，應用模糊綜合評判法建立錨泊操縱的自動評估模型.利用面向對象的Visual C++語言開發(fā)了錨泊操縱自動評估系統(tǒng)，實現(xiàn)出題、答題與評估、數(shù)據管理等功能模塊.該系統(tǒng)在大連海事大學自主研發(fā)的V_Dragon 3000航海模擬器中的測試表明，系統(tǒng)得出的評估結果與教練員的評估結果基本一致，能夠客觀、準確地對船員的錨泊操縱進行自動評價，能夠滿足自動評估要求.

關鍵詞：

航海模擬器； 錨泊操縱； 自動評估系統(tǒng)； 評價指標

中圖分類號： U666.158

0 引 言

目前我國船員理論考試已實現(xiàn)了計算機統(tǒng)考，實操評估考試還由各直屬海事局負責，實操評估存在主觀隨意性較大、評估標準不統(tǒng)一等問題.航海模擬器己經在航海教育培訓中得到廣泛應用，基于航海模擬器開發(fā)實操自動評估系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義.國內外一些學者對這方面進行了研究，如：HARRO[1]根據避碰規(guī)則設計了關于避碰的自動評估系統(tǒng)；周振超[2]利用模糊綜合評價法對航海仿真環(huán)境下的海員考試與評估系統(tǒng)進行理論分析；陶俊等[3]通過專家調查法對船舶進出港進行評估；房希旺[4]通過模糊綜合評價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操自動評估系統(tǒng)的初步構建.目前國內關于航海模擬器中錨泊操縱的自動評估還沒有系統(tǒng)的研究，研發(fā)錨泊操縱自動評估系統(tǒng)，一方面可以檢驗船員掌握錨泊操縱的相關知識和技能，促進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性.本文基于大連海事大學的V_Dragon 3000航海模擬器，對錨泊操縱的評估方法、評估模型進行深入研究，搭建包括出題、答題與評估、數(shù)據管理等功能的自動評估系統(tǒng).

1 評估模型的建立

實操自動評估系統(tǒng)需要在船員答題過程中實時獲取船舶航行狀態(tài)和船員的操作數(shù)據，在答題結束后，通過評估模型計算出最終成績.評估模型是自動評估系統(tǒng)的核心，建立科學、合理的評估模型是保證評估結果準確、公平的關鍵[6].建立評估模型主要包括四個方面的工作，即評價方法的選取、評價指標的建立、評價指標隸屬度函數(shù)的確定、評價指標標準值與權重值的計算.

1.1 評價方法

當前可以應用的評估方法較多，如：模糊綜合評價法、系統(tǒng)工程分析評價法、概率風險評價法、危險度分級法、安全指數(shù)法等[7].錨泊操縱結果的優(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較復雜的系統(tǒng)工程[8].為保證評估的準確性，本文的評估模型采用專家評估法與隸屬函數(shù)評估法相結合的方法，即先確定錨泊操縱的評價指標體系，針對不同的評價指標建立相應的隸屬度函數(shù)，得到每個評價指標的隸屬度值，再結合專家評估法及層次分析法給出的權重值，加權平均得到船員的評估成績.

1.2 評價指標

錨泊操縱方式分為單錨泊操縱和雙錨泊操縱兩種，雙錨泊可進一步分為八字錨、一字錨和平行錨.運輸船舶最常用的錨泊方式是單錨泊，故本文僅對單錨泊進行分析.錨泊操縱過程中需要考慮的主要因素[9]有：（1）進入錨地路線、錨位選擇；（2）船位、

船速、姿態(tài)控制；（3）根據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.經過對各種資料的分析和大量的專家調查問卷，按照指標選取的全面性、動態(tài)性、可操作性等原則，確定了單錨泊操縱的評價指標，見圖1.

1.3 評價指標隸屬度函數(shù)

為提高評估的準確性，自動評估系統(tǒng)盡可能地把影響因素量化，參考相關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指標的隸屬度函數(shù).但有些因素很難量化，只能對其進行定性分析，在這里把相應的評價結果設定為0或1，即滿足定性分析的結果時，隸屬度值為1，反之則為0.關于錨泊操縱評價指標的隸屬度函數(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、出鏈長度等評價指標的隸屬度函數(shù)進行分析.

1.3.1 錨位精度

拋錨時能把船停在指定的錨位是對船員操縱水平的一個重要考驗.拋錨時錨位精度的評判標準是拋錨時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.根據實船操縱經驗，取一倍船寬作為錨位精度的最大誤差.拋錨時錨位精度d的隸屬度函數(shù)為

1.3.2 拋錨船速

單錨泊操縱有前進拋錨法和后退拋錨法兩種方法.前進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行研究.拋錨時的對地退速大小比較難以判斷，一般認為船舶對地略有退速時為拋錨的最佳時機.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拋錨時的退速更小.拋錨時退速v的隸屬度函數(shù)為

1.3.3 拋錨艏向

船舶拋錨時艏向與風、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.為保證拋錨時的安全并有利于錨抓底，拋錨時艏向與風、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、橫流時拋錨.本文將15°作為拋錨時艏向與風、流合作用力方向夾角的標準值.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束時松出一定的錨鏈，以抵御作用于錨泊船的合外力[10].由文獻[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 評價指標標準值與權重值

評價指標的標準值采用專家調查法確定，即根據資料分析、專家意見及航海慣例，對每個評價指標進行分析并確定評價指標標準值.評價指標權重值采用層次分析法確定.利用19標度法確定評價指標相對重要程度，構造判斷矩陣；求出判斷矩陣最大特征根及對應的特征向量；最后對特征向量進行歸一化處理，得到W=（ω1，ω2，…，ωn），其中ωi為對應評價指標的權重值.最后采用加權平均法計算出船員錨泊操縱的結果，最終的評估成績可表示為

式中： μi，ωi分別為評價指標i的隸屬度值和權重值.默認情況下會給出評價指標的標準值和權重值作為初始參考值，專家可以根據具體條件再對其進行修改，這樣可以增加出題的靈活性.各評價指標初始標準值和權重值見表1.

2 評估系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文在大連海事大學開發(fā)的航海模擬器基礎上，利用Visual C++語言開發(fā)了錨泊操縱自動評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了出題、答題與評估、數(shù)據管理等功能模塊.大連海事大學航海模擬器由一個教練站（即試題編輯端）和多個本船（即考試端）構成.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器中，本船收到試題文件后，啟動模擬器程序，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)會根據船員的操縱數(shù)據給出成績，同時通過數(shù)據管理模塊把船員操作的相關數(shù)據、成績信息等存入數(shù)據庫中.錨泊操縱自動評估系統(tǒng)的整體架構見圖2.

2.1 出題

在航海模擬器的教練站出題時，先進行練習設置，再進行評估設置，即先設定海圖、本船、目標船的初始信息及風、流航行環(huán)境等，而后系統(tǒng)會根據設定的練習給出缺省的評價指標，以及每個評價指標對

應的標準值、權重值、隸屬度參數(shù)和相應的隸屬度曲線.教練員可以根據經驗以及實際情況增加或者刪除評價指標，改變評價指標的標準值、權重值，調整隸屬度參數(shù)值等，評價指標設置界面見圖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，啟動模擬器程序，初始化試題環(huán)境；船員在本船中操縱船舶進行答題；系統(tǒng)根據船員的操縱數(shù)據給出評估結果.為增加錨泊操縱的真實感，本文在模擬器原有二維錨泊操縱界面（見圖4）基礎上，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，船員可用鼠標操縱離合器、止鏈器、錨鏈孔罩、固定鋼絲、剎車等錨機部件，操縱流程與實船一樣.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，船員既可使用二維界面也可使用三維場景對錨泊進行操縱.

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

2.3 數(shù)據管理

為獲得更多評估數(shù)據，程序添加了數(shù)據管理功能.數(shù)據庫不僅可以保存最終的考試成績，也可以實時記錄船員操縱的相關數(shù)據，如船泊動態(tài)信息、風流環(huán)境信息、船舶操作數(shù)據等，為以后總結并改進評估

3 結束語

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

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（編輯 趙勉）