航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判可行性分析

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(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判可行性分析

張坤1，葉挺

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

簡要分析航海模擬器訓(xùn)練考核評判現(xiàn)狀，介紹航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判的概念以及優(yōu)勢，就航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判的具體構(gòu)想和可行性進(jìn)行闡述，認(rèn)為航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判是可以實現(xiàn)的，并能夠大大提高訓(xùn)練考核的實際效果。

航海模擬器；訓(xùn)練考核；智能評判；專家系統(tǒng)；數(shù)據(jù)挖掘

一、引言

現(xiàn)代航海模擬器歷經(jīng)三十余年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于航海教育領(lǐng)域。如何更有效地利用航海模擬器進(jìn)行訓(xùn)練、考核，是所有航海教育工作者不斷探索的課題。筆者認(rèn)為，對學(xué)員每一次的訓(xùn)練、考核做出科學(xué)的評判，是解決這一課題的關(guān)鍵。只有這樣，學(xué)員才會對自己的能力水平有一個清醒的認(rèn)識，才能明確不足，從而在后續(xù)訓(xùn)練中不斷提高。本文就航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判的具體構(gòu)想和可行性進(jìn)行探討。

二、航海模擬器訓(xùn)練考核評判現(xiàn)狀

1.采用教練員人工評判的傳統(tǒng)模式

目前，在航海模擬器訓(xùn)練考核過程中通常采用教練員人工評判的模式，即由教練員對學(xué)員的操作過程進(jìn)行不間斷觀察，通過觀察來判斷學(xué)員的操作是否符合操作規(guī)程以及熟練度如何，并最后記錄結(jié)果。[1]這種模式對教練員的要求比較高，通常要求教練員具有相關(guān)資質(zhì)以及豐富的經(jīng)驗。如果教練員不符合要求，那么學(xué)員的訓(xùn)練、考核就很難達(dá)到良好效果。

2.人工評判模式的局限性分析

人工評判的傳統(tǒng)模式簡便易行，應(yīng)用廣泛，但也存在不少局限性。

(1)評判結(jié)果未能達(dá)到最佳客觀的程度。人工評判模式的關(guān)鍵在于教練員，而這是一個可變性非常大的因素。首先是評判過程中教練員的主觀判斷有時未能做到有理有據(jù)[2]；其次是評判結(jié)果過度依賴于教練員的技術(shù)水平與經(jīng)驗，教練員的技術(shù)水平與經(jīng)驗往往差距較大，不同的教練員甚至?xí)龀霾煌脑u判；再次是評判過程中教練員須保持精神高度集中，工作時間稍長便會效率下降，有時難免出現(xiàn)漏判、誤判。

(2)評判記錄的利用率較低。人工評判模式在每一項訓(xùn)練考核后，由教練員手工記錄該項成績以及出現(xiàn)的問題，形成紙質(zhì)的訓(xùn)練考核記錄。紙質(zhì)的訓(xùn)練考核記錄往往很難進(jìn)行統(tǒng)計分析，不利于掌握學(xué)員每次訓(xùn)練考核的情況，無法分析出其薄弱點所在，難以給出后續(xù)針對性訓(xùn)練建議。

三、航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判的概念及優(yōu)勢

1.智能評判的概念

所謂智能評判，就是在航海模擬器的基礎(chǔ)上構(gòu)建一套計算機(jī)軟件系統(tǒng)，即所謂的智能評判系統(tǒng)。該系統(tǒng)在航海模擬器訓(xùn)練考核過程中，盡最大可能地對學(xué)員的操作進(jìn)行自動評判，盡可能地代替教練員來進(jìn)行評判。智能評判系統(tǒng)可以通過綜合利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等來進(jìn)行實現(xiàn)，相關(guān)的理論與技術(shù)近年來發(fā)展很快，非常流行。[3-4]

2.智能評判的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的人工評判模式相比較，智能評判模式具有非常明顯的優(yōu)勢：

一是操作簡單。智能評判系統(tǒng)可以與航海模擬器無縫集成、同步運行，不會影響到學(xué)員的訓(xùn)練考核過程。智能評判系統(tǒng)在訓(xùn)練考核開始之前做好相應(yīng)的設(shè)置即可，不需要更多的操作。

二是評判標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。智能評判系統(tǒng)通過將學(xué)員的操作與事先確定的標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行比對來做出評判，這就保證了每次評判都有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，評判結(jié)果更加科學(xué)、客觀、公正、透明。

三是能夠積累大量數(shù)據(jù)，便于分析提高。智能評判系統(tǒng)記錄了所有學(xué)員的全部操作以及評判結(jié)果，所有數(shù)據(jù)都以電子數(shù)據(jù)的形式存儲于數(shù)據(jù)庫中。可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘，為合理安排后續(xù)訓(xùn)練考核、調(diào)整訓(xùn)練進(jìn)度提供科學(xué)依據(jù)，以提高訓(xùn)練考核的實際效果和質(zhì)量。

四、航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判的具體構(gòu)想及可行性分析

實現(xiàn)航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判系統(tǒng)，主要是構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)庫模塊、操作庫模塊、自動評判模塊、數(shù)據(jù)分析挖掘模塊等四個功能模塊，如圖1所示。

圖1 航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判系統(tǒng)組成模塊

下面對各模塊進(jìn)行逐一介紹并分析其可行性。

1.標(biāo)準(zhǔn)庫模塊

智能評判系統(tǒng)獲取學(xué)員的操作數(shù)據(jù)，然后將其與標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行比對，而后形成評判結(jié)果。因此，標(biāo)準(zhǔn)庫模塊的主要功能是為智能評判系統(tǒng)提供自動評判所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，即形成標(biāo)準(zhǔn)庫。

本文認(rèn)為建立標(biāo)準(zhǔn)庫是可行的，可按照以下思路進(jìn)行。

一是確定訓(xùn)練考核的具體項目?？筛鶕?jù)STCW公約要求和我國海事局的有關(guān)培訓(xùn)要求來確定，也可參考有關(guān)技術(shù)手冊、教材等。在確定具體項目的過程中要注意：定義要明確，對于一些綜合性項目可拆解為多個簡單項目的組合。

二是針對每一個訓(xùn)練考核具體項目，確定標(biāo)準(zhǔn)的操作序列。應(yīng)當(dāng)包括：每一步操作的內(nèi)容、每一步操作的參考時間、每一步操作所占整體操作的權(quán)重值、操作之間的參考順序等。對于每一步操作所占整體操作的權(quán)重值確定，可選取多位有豐富實際經(jīng)驗和專業(yè)知識的專家對操作情況進(jìn)行評估，給出評分值，而后對專家的打分進(jìn)行加權(quán)平均后得出。

三是將以上第二點所確定的標(biāo)準(zhǔn)操作序列進(jìn)行數(shù)據(jù)化表示，存入數(shù)據(jù)庫中，形成標(biāo)準(zhǔn)庫。

2.操作庫模塊

操作庫模塊的主要功能是獲取學(xué)員在航海模擬器上的每一步具體操作，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)化表示之后存入數(shù)據(jù)庫，形成操作庫，以便與標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行比對生成評判結(jié)果。

本文認(rèn)為建立操作庫是可行的，主要因為學(xué)員操作的獲取非常便利。航海模擬器本身就完成了對車、舵等硬件設(shè)備所產(chǎn)生的物理信號的采集轉(zhuǎn)換，可以直接調(diào)用航海模擬器的相關(guān)軟件接口來獲取學(xué)員的操作情況。對于國外引進(jìn)的航海模擬器，接口獲取有一定難度，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的模擬器則相對容易，可采取研究突破技術(shù)限制或合作開發(fā)的辦法。

3.自動評判模塊

自動評判模塊的主要功能是構(gòu)建自動評判邏輯體系，實現(xiàn)操作庫、標(biāo)準(zhǔn)庫到評判結(jié)果的映射，是整個智能評判系統(tǒng)的核心。

對學(xué)員實際操作的評判不能用某一種或幾種標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行簡單評定，智能評判需要對學(xué)員的操作時間、操作技巧等方面因素進(jìn)行綜合評估。這些因素本身都具有一定的模糊性，很難給出精確的評價標(biāo)準(zhǔn)。對此，可以采用基于模糊邏輯的評估專家系統(tǒng)[5]。

模糊邏輯是指模仿人腦的不確定性概念判斷、推理思維方式，對于模型未知或不能確定的描述系統(tǒng)以及強(qiáng)非線性、大滯后性的控制對象，應(yīng)用模糊集合和模糊規(guī)則進(jìn)行推理，模擬人腦方式，實行模糊綜合判斷，推理解決常規(guī)方法難以對付的模糊信息問題。

模糊邏輯的相關(guān)理論創(chuàng)始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟。特別是隨著全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，模糊邏輯在工業(yè)中的實際應(yīng)用也日益成熟，一些基于模糊邏輯的專家系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，完全可以借鑒相關(guān)理論技術(shù)來構(gòu)建我們的評估專家系統(tǒng)。

4.數(shù)據(jù)分析挖掘模塊

數(shù)據(jù)分析挖掘模塊的主要功能是對學(xué)員操作數(shù)據(jù)以及自動評判結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘，從而發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的規(guī)律。比如，發(fā)現(xiàn)學(xué)員在訓(xùn)練考核中具有的共性錯誤操作，發(fā)現(xiàn)那些容易關(guān)聯(lián)發(fā)生的錯誤操作，根據(jù)學(xué)員的操作水平將其進(jìn)行分類等。 該模塊的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果表達(dá)和解釋三個階段組成。由此來看，構(gòu)建數(shù)據(jù)分析挖掘模塊是可行的：

一是數(shù)據(jù)積累充分。智能評判系統(tǒng)記錄了學(xué)員的所有操作以及評判結(jié)果，而且這些數(shù)據(jù)都已經(jīng)以標(biāo)準(zhǔn)化的格式存放于數(shù)據(jù)庫之中，這就為數(shù)據(jù)挖掘提供了良好的條件。

二是可以利用數(shù)據(jù)庫自帶的數(shù)據(jù)挖掘功能來進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。隨著數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的階段，一些數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之中就已經(jīng)集成了數(shù)據(jù)挖掘功能。比如Microsoft公司的SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的Analysis Services工具集，就提供了大量的數(shù)據(jù)挖掘功能。

三是數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果可由經(jīng)驗豐富的教練員來進(jìn)行分析解釋。

5.人工評判模式可作為補(bǔ)充

由于技術(shù)水平的限制，智能評判系統(tǒng)可能無法一下子對所有項目進(jìn)行自動評判，例如，學(xué)員在訓(xùn)練考核時的態(tài)度、緊張程度、設(shè)備操作的熟練程度等，對于這些項目可以采取增加人工評判打分模塊，建立完善的教練員打分、評價體系作為補(bǔ)充，這樣就能很好地彌補(bǔ)智能評判模式的階段性不足。

6.航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判流程

在進(jìn)行航海模擬器訓(xùn)練考核之前，教練員可根據(jù)公約要求和我國海事局的有關(guān)培訓(xùn)要求來制定訓(xùn)練考核的目標(biāo)，然后要向?qū)W員明確在訓(xùn)練考核中的注意事項，完成訓(xùn)練考核科目的下達(dá)。學(xué)員在利用模擬器進(jìn)行訓(xùn)練考核時，系統(tǒng)實時采集學(xué)員的當(dāng)前本船姿態(tài)、當(dāng)前環(huán)境等綜合信息，利用這些信息判斷當(dāng)前是否為訓(xùn)練考核評判點，如果是則開始評判，將評判點之后的學(xué)員操作記錄形成學(xué)員的操作庫，然后和標(biāo)準(zhǔn)庫中規(guī)則進(jìn)行模糊邏輯判斷，如果出現(xiàn)扣分項則進(jìn)行記錄并扣分，對于無法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的項目，則由教練員在訓(xùn)練完成后進(jìn)行人工記錄，當(dāng)訓(xùn)練考核完成后形成訓(xùn)練考核報告。整個過程如圖2所示。

圖2 航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判流程

五、結(jié)語

隨著航海模擬器訓(xùn)練考核智能評判系統(tǒng)的構(gòu)建，可以形成以自動評判為主、人工評判為輔的新模式，可以極大提高評判結(jié)果的科學(xué)性、客觀性、公正性、透明性，減輕教練員的勞動強(qiáng)度，增強(qiáng)訓(xùn)練考核的實際效果。

[1] 雷濤,王輝.航海模擬器評估準(zhǔn)備與實施[J] .航海教育研究，2003(3)：28.

[2] 吳金地.航海模擬器培訓(xùn)和評估的現(xiàn)狀及對策[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報，2012(3)：30.

[3] 賀宜,吳超仲,吳業(yè)福,等.一種機(jī)動車駕駛?cè)说缆房荚囍悄茉u判監(jiān)測系統(tǒng)[J].交通信息與安全，2011(1)：93.

[4] 吳超仲,吳業(yè)福,張丹,等.機(jī)動車道路考試系統(tǒng)智能評判方法與數(shù)據(jù)交換[J].交通信息與安全，2012(6)：1.

[5] 何英,孟晨.模擬訓(xùn)練設(shè)備的操作評估專家系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2001(2)：45.

U676.2

A

2015-06-10

張坤(1985-)，男，講師，主要從事多媒體教學(xué)及航海教育研究。

1006-8724(2015)03-0079-03