人工智能在船員評估實(shí)操考試中的應(yīng)用研究

謝 輝

（海南科技職業(yè)大學(xué)，海南 海口 570100）

1 基于AI的船員評估實(shí)操考試系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)《STCW公約馬尼拉修正案》的要求，船員評估實(shí)操考試必須在評估員的監(jiān)控下完成。同時，《STCW公約馬尼拉修正案》要求在船員評估實(shí)操考試中，至少要有3名船員同時在一艘船上，且每名船員均需完成兩個評估項目。因此，需要開發(fā)一種基于AI的船員評估實(shí)操考試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對評估過程的全程監(jiān)控，提高船員評估的準(zhǔn)確性和效率。該系統(tǒng)主要由考站管理、考生管理、考試流程設(shè)計、系統(tǒng)功能模塊和軟件實(shí)現(xiàn)等部分組成。

考站管理模塊是該系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)考試流程的設(shè)計和控制，包括考生身份驗證、監(jiān)考人員身份驗證、考生行為識別等。其中，考生身份驗證主要由人臉識別技術(shù)完成。人臉識別技術(shù)是一種圖像采集與處理技術(shù)，它通過對圖像中目標(biāo)對象進(jìn)行特征提取與匹配來確定目標(biāo)對象的身份信息。由于船員評估實(shí)操考試需要對多名船員進(jìn)行評估，且不同船員的面部特征差異較大，因此，在人臉識別時需要利用多幀圖像信息來實(shí)現(xiàn)對多名船員面部特征的提取。通過對考試流程的設(shè)計和監(jiān)控系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)系進(jìn)行分析和研究，將整個系統(tǒng)劃分為考生登錄模塊、人臉識別模塊、考生行為識別模塊和成績記錄模塊四個主要部分[1]。

考生登錄模塊主要負(fù)責(zé)考試流程的設(shè)計和控制，包括考生登錄、考生信息審核、考場權(quán)限管理等。該模塊主要實(shí)現(xiàn)對考生身份驗證以及考試過程的控制。該模塊可以根據(jù)考試流程自動安排考試時間、選擇不同考試組、自動分配考場等。同時，通過考生身份驗證還可以防止出現(xiàn)無關(guān)人員進(jìn)入考場等違規(guī)行為。此外，該模塊還可以自動記錄考生的每一次考試行為數(shù)據(jù)，以便后期對船員評估結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

人臉識別模塊主要負(fù)責(zé)對考官人臉圖像進(jìn)行特征提取與匹配工作。該模塊將人臉圖像輸入到人臉識別系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時檢測，一旦檢測到與指定模板匹配度較高的人臉圖像時，就會將該人臉圖像存入數(shù)據(jù)庫中，起到快速匹配、快速核實(shí)作用。同時，該模塊還可以根據(jù)考官對不同考生人臉圖像的評分情況對系統(tǒng)進(jìn)行更新和維護(hù)。

考生行為識別模塊主要負(fù)責(zé)對船員評估過程中出現(xiàn)的異常行為進(jìn)行識別和處理。該模塊主要包括異常行為檢測、異常行為處理和異常行為記錄三部分。當(dāng)船員在評估過程中出現(xiàn)不符合要求的情況時，系統(tǒng)將自動提醒考官對船員進(jìn)行干預(yù)和處理。考試流程設(shè)計主要負(fù)責(zé)將整個考試流程分為準(zhǔn)備工作、考試、成績統(tǒng)計和分析四個階段。在準(zhǔn)備工作階段，考生需提前進(jìn)入考場并按照規(guī)定要求進(jìn)行考試前準(zhǔn)備工作；在考試階段，考生需完成“理論考試”和“實(shí)操考試”兩個部分；在成績統(tǒng)計階段，考官需通過分析系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)對船員表現(xiàn)進(jìn)行評分；在分析階段，考官根據(jù)考生的試卷分析考生在評估過程中出現(xiàn)的異常行為并做出相應(yīng)處理。

系統(tǒng)功能模塊包括登錄模塊、人臉識別模塊、考生行為識別模塊和成績記錄模塊等。登錄模塊主要完成對用戶信息驗證與管理功能；人臉識別模塊主要完成對考生身份驗證和考生行為識別功能；考生行為識別模塊主要實(shí)現(xiàn)對考生異常行為處理功能；成績記錄模塊主要完成對考試過程的記錄功能[2]。

軟件實(shí)現(xiàn)主要完成以下幾方面工作：一是通過系統(tǒng)管理員將系統(tǒng)權(quán)限分配給各考站管理員和考生管理員；二是通過系統(tǒng)配置管理完成各考站、考站管理員和考生管理員的配置工作；三是通過考試流程管理實(shí)現(xiàn)對考場內(nèi)考官和監(jiān)考人員的管理功能；四是通過考試過程管理實(shí)現(xiàn)對船員評估過程中出現(xiàn)的異常行為進(jìn)行處理功能；五是通過系統(tǒng)配置管理完成各考站和考生管理員與系統(tǒng)之間的信息傳遞功能；六是通過系統(tǒng)配置管理實(shí)現(xiàn)對船員評估過程中出現(xiàn)的異常行為進(jìn)行記錄功能。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于人工智能的船員評估實(shí)操考試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括船舶狀態(tài)識別技術(shù)、船舶姿態(tài)識別技術(shù)和船舶動力定位技術(shù)等。

2.1 船舶狀態(tài)識別

在基于人工智能的船員評估實(shí)操考試系統(tǒng)中，通過對船舶實(shí)時位置進(jìn)行跟蹤，判斷船舶是否處于正常工作狀態(tài)。主要通過以下3種算法實(shí)現(xiàn)。

（1）基于特征匹配的算法，該算法通過采集圖像的特征進(jìn)行匹配，得到與目標(biāo)船體中心位置相對應(yīng)的特征點(diǎn)，將該特征點(diǎn)作為特征庫的初始值。

（2）基于視頻流的算法，該算法通過采集視頻流中的船體位置信息，并將船體位置信息與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，判斷是否處于正常工作狀態(tài)。

（3）基于三維點(diǎn)云配準(zhǔn)及三維點(diǎn)云深度融合等算法，該算法通過采集圖像中船舶周圍環(huán)境信息與船舶自身信息進(jìn)行比對分析，判斷其是否處于正常工作狀態(tài)。

2.2 船舶姿態(tài)識別

由于船員評估實(shí)操考試涉及多艘船舶，通過三維點(diǎn)云配準(zhǔn)及三維點(diǎn)云深度融合算法，實(shí)現(xiàn)對船舶三維空間姿態(tài)信息的分析，可完成對船舶的實(shí)時跟蹤。通過船舶上的多臺相機(jī)進(jìn)行多相機(jī)立體定位，生成三維點(diǎn)云模型，根據(jù)每艘船舶的特點(diǎn)進(jìn)行融合分析，提取其姿態(tài)特征數(shù)據(jù)。將船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)與空間姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，完成對船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)的分析。從以上分析可以看出，通過對船舶狀態(tài)識別、船舶位置識別和船舶姿態(tài)識別等關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)對船員評估實(shí)操考試過程中船和人之間的位置關(guān)系識別和判斷[3]。

2.3 船舶動力定位

動力定位是利用船上的各種傳感器，檢測船舶在各種不同的環(huán)境下（風(fēng)、浪、流等）產(chǎn)生的力的變化，通過控制系統(tǒng)來調(diào)整船舶運(yùn)動方向，使船舶能夠保持在某一預(yù)定線路上航行，在使用時應(yīng)根據(jù)不同情況采用不同的控制方法。目前，船舶動力定位常用的方法有三種：一是反饋控制方法；二是前饋控制方法；三是反饋加前饋控制方法。船舶動力定位系統(tǒng)具有實(shí)時性好、定位精度高、可靠性好、反應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在船舶監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于船舶本身的運(yùn)動特性和環(huán)境干擾因素較多，使得動力定位系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。

3 實(shí)操考試效果

采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)船長評估實(shí)操考試的智能化，包括智能閱卷、智能評分、智能考試、智能評價等功能。與人工評估相比，該考試方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：①考生無須擔(dān)心評判結(jié)構(gòu)是否正確。由機(jī)器自動判分，客觀題的評估結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，主觀題的評分標(biāo)準(zhǔn)可參考《規(guī)則》要求。②考試時間更短。通過人工智能技術(shù)，自動判分，減少了人工判分的時間。在過去的人工評估中，往往需要多次進(jìn)行評估，費(fèi)時費(fèi)力，容易出現(xiàn)漏評、錯評等情況。在應(yīng)用了人工智能技術(shù)后，可將原來需要10～20分鐘的評估時間縮短為5～10分鐘，大大提高了工作效率。③考試成本低。由人工評估所需的成本較高。在采用了人工智能技術(shù)后，其成本降低為原來的10%左右，而且由于人工智能系統(tǒng)可根據(jù)考生考查表現(xiàn)自動判分，無須人工參與評判過程。④考試結(jié)果更可靠。由人工評估所產(chǎn)生的主觀評分與客觀評分存在一定差距，容易受到人為因素的影響。而采用人工智能技術(shù)后，由于其自動分析、自動評分，可以確?？陀^題考試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。⑤考試更加公平公正。由人工評估所產(chǎn)生的主觀評分存在較大人為因素影響，而采用人工智能技術(shù)后可避免人為因素的影響。

3.1 理論知識部分

理論知識部分主要考查考生對《規(guī)則》所涉及的航海相關(guān)專業(yè)理論知識的理解、掌握和應(yīng)用水平，該部分包含大量的數(shù)據(jù)處理、計算機(jī)應(yīng)用等內(nèi)容?？荚囶}目包括“船舶安全航行概述”和“船舶避碰概述”兩大類，分別考查考生對這兩類知識的掌握情況。其中，“船舶安全航行概述”主要考查考生對安全航行所涉及的概念、理論等方面的理解和掌握情況；“船舶避碰概述”主要考查考生對避碰相關(guān)概念的掌握情況?！按氨芘龈攀觥辈糠止卜譃?2個具體問題，每個具體問題中包含3～5道試題，每道試題均包含4個部分：第一部分為概念和基本知識，考查考生對相關(guān)概念和理論知識的掌握程度；第二部分為船舶避碰的相關(guān)理論和規(guī)定，考查考生對相關(guān)規(guī)則、規(guī)定的掌握程度；第三部分為船舶避碰的案例分析，考查考生對避碰相關(guān)理論和實(shí)際應(yīng)用的掌握程度；第四部分為避碰案例分析，考查考生對相關(guān)規(guī)則、規(guī)定的運(yùn)用能力。每個問題都提供了豐富的提示信息，對于容易混淆或不熟悉的知識點(diǎn)，系統(tǒng)還提供了多個不同角度、不同層次、不同程度的提示信息[4]。

3.2 實(shí)操部分

通過對以往考試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，平均每天運(yùn)行1 000次，每小時可處理120道題目。如果有超過100道題目需要人工判分，系統(tǒng)可自動判分，平均每題僅需0.5秒即可完成，判分速度大大提高?？荚嚱Y(jié)束后，系統(tǒng)自動統(tǒng)計考生得分情況，并將結(jié)果以圖片的形式呈現(xiàn)給考官。該考試系統(tǒng)也支持上傳多人作答的試卷并進(jìn)行評判。系統(tǒng)采用了國家標(biāo)準(zhǔn)化考試認(rèn)證中心推薦的、具有良好兼容性和穩(wěn)定性的操作系統(tǒng)。為確?？荚囅到y(tǒng)的安全性和可靠性，系統(tǒng)采用雙機(jī)熱備模式，系統(tǒng)支持獨(dú)立運(yùn)行和并發(fā)運(yùn)行兩種模式。在獨(dú)立運(yùn)行模式下，當(dāng)一臺計算機(jī)發(fā)生故障時，另一臺計算機(jī)自動接管工作。在并發(fā)運(yùn)行模式下，考試系統(tǒng)對所有考生的成績進(jìn)行統(tǒng)一管理[5]。

3.3 智能評價

理論考試和實(shí)操考核都是通過計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的人工打分方式，在這種情況下很難保證高度公平公正，容易受到人為因素的影響。如果采用人工智能技術(shù)將理論考試和實(shí)操考核通過計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，則可以避免人為因素的影響，能做到客觀、公正、準(zhǔn)確地對船員進(jìn)行考核。將人工智能技術(shù)運(yùn)用到船員評估實(shí)操考試的智能評價中，可提高船員評估實(shí)操考試的公平公正性。

使用AI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)船員評估實(shí)操考試成績自動生成，并與線下人工操作的成績進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程考試成績的自動生成，對考生進(jìn)行智能化評價，考生只需在系統(tǒng)中選擇相應(yīng)的科目，系統(tǒng)會自動將其作答的情況以智能評分的形式給出考生所選科目的總分。通過船員評估實(shí)操考試中人機(jī)對話方式，實(shí)現(xiàn)對船員評估實(shí)操考試過程中出現(xiàn)問題的及時反饋；評估實(shí)操考試過程可實(shí)時監(jiān)控，考官可以通過語音和鼠標(biāo)操作實(shí)時監(jiān)控考生，考官可以根據(jù)考生作答情況進(jìn)行及時評分[6]。對于船員評估實(shí)操考試來說，能夠有效地降低傳統(tǒng)人工評估過程中的主觀性因素以及人為操作帶來的誤差，從而使得船員評估實(shí)操成績更加公正、客觀、準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

船員評估實(shí)操考試是對船員實(shí)際操作技能的考核，在考試中引入人工智能技術(shù)，可以提高船員評估的準(zhǔn)確性，提升船員考查效率和質(zhì)量。本文通過對現(xiàn)有實(shí)操考試點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，為以后實(shí)操考試引入人工智能技術(shù)提供了依據(jù)和參考，同時也為未來實(shí)操考試智能化提供了研究思路。但本文提出的人工智能船員評估實(shí)操考試方法還存在一定的不足，例如，如何準(zhǔn)確識別船員的操作錯誤等。因此，其還需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化。