冰區(qū)船舶模擬航行設(shè)計(jì)與自動(dòng)評(píng)估方案

周建文, 趙炎平, 席永濤

(1.集美大學(xué) 航海學(xué)院, 福建 廈門 361021；2.中國(guó)極地研究中心 船舶與飛機(jī)管理處, 上海 200136；3.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院, 上海 201306)

從2020年7月1日開始，船長(zhǎng)、大副和值班駕駛員只有持冰區(qū)航行培訓(xùn)證書或具有相應(yīng)冰區(qū)實(shí)船航行經(jīng)驗(yàn)才能在南北極冰區(qū)航行。[1]根據(jù)《國(guó)際極地水域營(yíng)運(yùn)船舶規(guī)則》[2](簡(jiǎn)稱《極地規(guī)則》)的要求，極區(qū)水域的油船和郵船在1成冰以下且沒有陸源冰的“開闊水域”航行時(shí)，船長(zhǎng)、大副和值班駕駛員需參加基本培訓(xùn)，而其他類型船員無(wú)需參加任何培訓(xùn)；在2成冰以上的“其他水域”航行時(shí)，不管是油船、郵船，還是其他船舶上的船長(zhǎng)和大副，均需參加高級(jí)培訓(xùn)，值班駕駛員需參加基本培訓(xùn)。

但上述規(guī)則、國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)編制的示范課程7.11[3]和《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約》、(International Convention on Standarks Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers， STCW)(簡(jiǎn)稱《STCW公約》)關(guān)于使用模擬器的指南也只規(guī)定這些培訓(xùn)的框架性內(nèi)容和模擬器的最基本要求，沒有對(duì)在模擬器上進(jìn)行的詳細(xì)教學(xué)內(nèi)容、練習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)和場(chǎng)景的具體要求做出規(guī)定，更沒有指出適任能力的關(guān)鍵性評(píng)估指標(biāo)，給冰區(qū)航行模擬器的研發(fā)和實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)很大的困擾，尤其是無(wú)冰區(qū)航行經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)和開發(fā)人員，對(duì)這些框架性內(nèi)容的理解更容易出現(xiàn)較大的偏差。鑒于此，本文以《STCW公約》《極地規(guī)則》和IMO示范課程中關(guān)于極區(qū)水域基本培訓(xùn)的相關(guān)內(nèi)容為研究對(duì)象，充分考慮冰區(qū)航行事故類型和在國(guó)外培訓(xùn)過(guò)程中學(xué)員常遇到的問題，結(jié)合極區(qū)水域航行經(jīng)驗(yàn)和實(shí)船極地操作手冊(cè)[4]，在已有的航行模擬器研發(fā)和實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，凝練出完整的極區(qū)水域基本培訓(xùn)模擬器實(shí)操?gòu)?qiáng)化內(nèi)容，設(shè)計(jì)3個(gè)典型的模擬航行任務(wù)及相應(yīng)的模擬航行場(chǎng)景和關(guān)鍵性評(píng)估指標(biāo)，初步提出構(gòu)建我國(guó)A級(jí)航行模擬器自動(dòng)評(píng)估體系的方法，為冰區(qū)航行模擬器的研發(fā)和實(shí)踐教學(xué)提供一套系統(tǒng)且全面的需求方案。

1 極區(qū)水域模擬航行任務(wù)設(shè)計(jì)

1.1 基于規(guī)則要求的模擬器實(shí)操內(nèi)容

《STCW公約》強(qiáng)制實(shí)施部分的附表A-V4-1規(guī)定了在極區(qū)航行基本培訓(xùn)中要掌握的基本知識(shí)和技能；培訓(xùn)指南B-V4部分列出了船長(zhǎng)和駕駛員在極地航行船上任職前必備的基本知識(shí)，包括識(shí)冰、船舶性能和在冰區(qū)操縱船舶等10個(gè)方面的要求；《極地規(guī)則》A部分第12章規(guī)定了配員和2類培訓(xùn)課程適用的對(duì)象及其任職要求等；示范課程7.11給出了基本培訓(xùn)的課程目標(biāo)、課時(shí)分配和課程框架，并在課程內(nèi)容4-冰中操作和6-破冰船輔助2項(xiàng)中要求了7個(gè)課時(shí)的模擬器訓(xùn)練，見表1。由表1可知：能在模擬器上進(jìn)行的教學(xué)內(nèi)容有冰區(qū)操縱和破冰船護(hù)航操作，共計(jì)7個(gè)學(xué)時(shí)的模擬操縱訓(xùn)練。

1.2 基于實(shí)踐需求的實(shí)操內(nèi)容

俄羅斯尼維爾斯特海事大學(xué)在極地船舶操縱模擬訓(xùn)練方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，其培訓(xùn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：在極地航行操縱模擬訓(xùn)練中，因讓冰操作不當(dāng)或不及時(shí)約占20%；冰中迷路、錯(cuò)失機(jī)會(huì)進(jìn)入清水或大范圍冰區(qū)、損壞船體等冰中航行不熟悉的占26%；冰情分析不當(dāng)或不及時(shí)導(dǎo)致找不到航路受困等占16%。[5]這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都為極區(qū)水域船舶操縱模擬要點(diǎn)和相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)提供了可借鑒的依據(jù)，見圖1。

SOUTHWELL[6]于2017年統(tǒng)計(jì)的冰區(qū)海上事故類型反映出損壞舵和車葉引起的事故在所有事故中的占比高達(dá)42%，其中:螺旋槳受損達(dá)30%;撞擊冰山、多年浮冰等達(dá)22%;舵葉受損達(dá)12%;因讓冰不當(dāng)致使船殼受損達(dá)16%。冰區(qū)航行海上事故類型和比例見圖2，這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為極區(qū)水域模擬航行任務(wù)設(shè)計(jì)和評(píng)估指標(biāo)提供了良好依據(jù)。

表1 基本培訓(xùn)示范課程項(xiàng)目及課時(shí)安排

圖1 極地航行受訓(xùn)學(xué)員失誤類型和比例

1.3 模擬航行實(shí)操內(nèi)容與訓(xùn)練任務(wù)

1.3.1實(shí)操內(nèi)容

圖2 冰區(qū)航行海上事故類型和比例

《STCW公約》對(duì)值班駕駛員提出了安全操作船舶、法律法規(guī)要求、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和環(huán)境保護(hù)等4個(gè)方面的適任要求。具體在執(zhí)行適任能力培訓(xùn)時(shí)，示范課程7.11建議從9個(gè)方面進(jìn)行理論與實(shí)訓(xùn)教學(xué)(如表1所示)，其中第4項(xiàng)、第5項(xiàng)和第6項(xiàng)可在模擬器上進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，但“航行計(jì)劃和報(bào)告部分”不涉及計(jì)劃的具體制訂，要求學(xué)員根據(jù)計(jì)劃執(zhí)行即可，可將其整合到第4部分中進(jìn)行整體安排。另外，極區(qū)船舶航行模擬器實(shí)操有必要有針對(duì)性地將第1.2節(jié)涉及的國(guó)外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)總結(jié)的船員常見操作失誤和實(shí)際極地海上事故種類整合到極區(qū)船舶航行模擬器實(shí)操內(nèi)容中，以提高船員在實(shí)操中的相應(yīng)能力。因此，用于開展極區(qū)水域基本培訓(xùn)的航行模擬器的實(shí)操內(nèi)容可設(shè)計(jì)為以下3個(gè)方面：

(1)進(jìn)出冰區(qū)的船舶操縱包括對(duì)出入冰時(shí)的速度和角度的控制。

(2)穿越冰區(qū)的操作內(nèi)容包括：對(duì)速度和航向的及時(shí)控制；避免舵、槳和船體損壞的后退、順勢(shì)操縱；冰區(qū)綜合導(dǎo)航方法，該方法是極區(qū)水域船舶值班駕駛員基本培訓(xùn)的主要內(nèi)容，要求學(xué)員會(huì)利用駕駛室內(nèi)的各種資源進(jìn)行安全導(dǎo)航，使船舶沿著既定航路的大致方向航行，包括使用探冰燈、雷達(dá)回波探冰、獨(dú)立的冰圖或電子海圖上疊加的冰圖等冰情資料、冰雷達(dá)(如裝配)等模擬設(shè)備或輔助工具，結(jié)合視覺系統(tǒng)觀察識(shí)別冰山、冰脊、冰巖和冰間水道或湖等影響船舶安全的主要冰情；保持船舶連續(xù)航行，避免船舶受困。

(3)破冰船輔助操作包括：與破冰船間通信的設(shè)備和方法的使用；與破冰間的安全距離控制；護(hù)航過(guò)程中的速度控制。

1.3.2訓(xùn)練任務(wù)設(shè)計(jì)

這些模擬實(shí)操內(nèi)容需輔以相應(yīng)的實(shí)操訓(xùn)練任務(wù)，讓學(xué)員在完成訓(xùn)練任務(wù)過(guò)程中掌握相關(guān)的知識(shí)和技能，結(jié)合中國(guó)“雪龍”船和“雪龍2號(hào)”船南北極水域航行經(jīng)驗(yàn)和水域的實(shí)際情況，訓(xùn)練任務(wù)設(shè)計(jì)如下。

1.3.2.1 稀疏浮冰區(qū)航行

PC6級(jí)單漿極區(qū)客船計(jì)劃穿越前方4～6成分散的1 a浮冰區(qū)，冰區(qū)中分布有冰山、冰巖、碎冰和不同程度的亂冰。水域內(nèi)有北風(fēng)5級(jí)，強(qiáng)流2～3 kn，能見度良好。盡量利用清水和薄冰航行，以順利穿越冰區(qū)。

1.3.2.2 密集浮冰區(qū)航行

傍晚時(shí)分，PC6級(jí)極區(qū)客船按計(jì)劃航線穿越前方7～8成1 a浮冰區(qū)，這些浮冰中分布有巨型冰山、小冰山、冰巖和厚度不一的冰脊，浮冰中有可用的冰間水道和薄冰。所在水域有北風(fēng)5級(jí)，強(qiáng)流2～3 kn，前方有大雪，可能導(dǎo)致能見度低下。調(diào)用計(jì)劃好的航線，按航線大致方向航行，利用冰間水道，避開冰山、冰脊、冰巖和厚浮冰等危險(xiǎn)冰況，盡量保持連續(xù)航行不被冰困住，成功穿越冰區(qū)。

1.3.2.3 破冰船護(hù)航操作

PC7級(jí)單漿極區(qū)客船隨著破冰船穿越一片固定冰區(qū)，該冰區(qū)內(nèi)有各種冰脊和冰山，破冰船有可能停下來(lái)撞擊破冰，按破冰船的指令調(diào)整和控制本船與破冰船之間的距離和航速，成功穿越冰區(qū)。

2 模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)

在極區(qū)水域船舶航行模擬器實(shí)操內(nèi)容中，除了調(diào)用相應(yīng)冰級(jí)的船模供學(xué)員操縱以外，需還提供航行水域、相應(yīng)冰況和極地特有的通航環(huán)境，通航環(huán)境包括極地典型的風(fēng)流變化、高緯度的晝夜變化、影響能見度的雨雪霧、陰暗天氣、兩極典型水上動(dòng)物和極地航用資料等。

2.1 水域設(shè)置

《極地規(guī)則》規(guī)定60°S以南及60°N緯度線和北大西洋多個(gè)點(diǎn)的恒向或大圓連線以北的水域?yàn)闃O區(qū)。訓(xùn)練水域應(yīng)設(shè)計(jì)在這些水域內(nèi)，并考慮以下幾個(gè)方面的因素。

1)極區(qū)水域的高緯度水文氣象特點(diǎn)、晝夜變化和測(cè)繪數(shù)據(jù)不詳盡的海圖等。

2)注意訓(xùn)練水域冰情設(shè)置應(yīng)盡量符合以下實(shí)際情況：北極水域以浮冰為主，冰山規(guī)模較小且集中在加拿大東部和格陵蘭東西海岸；在南極的一個(gè)水域內(nèi)可布置各種類型的浮冰、冰山、冰脊和冰巖等冰況。兩極水域的氣候特征、海冰類型和特點(diǎn)存在明顯的不同。

3)需根據(jù)現(xiàn)成的數(shù)據(jù)編制冰情資料，供學(xué)員訓(xùn)練時(shí)使用。如何使用冰情資料是重點(diǎn)訓(xùn)練的內(nèi)容之一。但是，受學(xué)時(shí)數(shù)限制，訓(xùn)練水域范圍較小，需完整地布置從稀疏、密集到復(fù)雜的極區(qū)訓(xùn)練場(chǎng)景和任務(wù)，靠原始的大范圍船用冰情資料難以做到有效匹配。為匹配小范圍覆蓋全類型冰況，需考慮利用冰區(qū)航用電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(ICE Electronic Chart Display Information System, ICE-ECDIS)的輔助功能，在電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(Electronic Chart Display and Information System, ECDIS)模擬器上顯示定制的模擬冰圖和氣象資料。

此外，在設(shè)計(jì)訓(xùn)練水域大小時(shí)，需結(jié)合相應(yīng)冰況中實(shí)際的航速。推薦按以下范圍設(shè)計(jì)冰區(qū)水域，即：稀疏冰區(qū)8 kn航行1 h，共8 n mile；密集冰區(qū)5 kn航行3 h，共15 n mile；固定冰或9～10成冰區(qū)3 kn航行2 h,共6 n mile；3個(gè)任務(wù)共需約30 n mile的訓(xùn)練水域即可。另外，《STCW公約》并沒有包含破冰船引航業(yè)務(wù)的相關(guān)培訓(xùn)內(nèi)容，只從非破冰船的角度考慮培訓(xùn)內(nèi)容，不利于中國(guó)破冰船破冰引航業(yè)務(wù)的熟悉，建議在高級(jí)培訓(xùn)中增設(shè)破冰船破冰引航相關(guān)內(nèi)容的培訓(xùn)。

2.2 冰情定制

極區(qū)水域船舶航行模擬器實(shí)操內(nèi)容主要是冰區(qū)航行，因此設(shè)置相應(yīng)的冰情是模擬場(chǎng)景設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，現(xiàn)成的冰情資料范圍大，局部水域難以完整，包括碎冰、冰山、冰巖、冰脊、冰間湖、冰間水道、冰裂縫、冰丘、浮冰帶、密集浮冰區(qū)及一定范圍內(nèi)的固定冰等冰況。[7-8]冰區(qū)航行模擬器應(yīng)考慮上述各種冰的可視化和冰情的參數(shù)化設(shè)置界面(可視模擬器而定)，并根據(jù)在實(shí)際極地冰區(qū)航行過(guò)程中遇到的典型操作要點(diǎn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練水域內(nèi)的冰情，如船舶舷側(cè)壓力預(yù)判訓(xùn)練的位置點(diǎn)布置、避讓冰時(shí)的轉(zhuǎn)向幅度、浮冰中冰山的提前考慮、冰間水道的分布、冰區(qū)中薄弱環(huán)節(jié)的合理布置和第1.2節(jié)所述各種錯(cuò)誤等，推薦定制如下。

2.2.1稀疏冰區(qū)

應(yīng)布置各種大小且形狀各異的冰山、危險(xiǎn)冰巖、冰山下風(fēng)方向的碎冰、受風(fēng)影響顯著的浮冰帶和天空中有明顯冰光的小范圍浮冰，見圖3。

2.2.2密集浮冰區(qū)

應(yīng)布置厚度、范圍和平整度都不同的浮冰，以及訓(xùn)練學(xué)員在大范圍浮冰內(nèi)尋找行進(jìn)方向的冰光、局部清水上空的暗色天空和可能誤導(dǎo)學(xué)員的巨型冰山上風(fēng)方向的清水區(qū)等，設(shè)置后的整體印象(見圖4)。

結(jié)合通航環(huán)境，布置夜晚、下雪或霧等可能導(dǎo)致能見不良的復(fù)雜環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)員在密集浮冰區(qū)中對(duì)冰的深刻認(rèn)識(shí)、減少冰對(duì)舷側(cè)壓力的操船方法和利用當(dāng)前水域的視覺冰況對(duì)比冰圖資料，培養(yǎng)學(xué)員在密集浮冰區(qū)中通過(guò)視覺觀察進(jìn)行導(dǎo)航的能力。

圖3 稀疏冰情定制

圖4 密集冰區(qū)定制

2.2.3破冰船輔助航行冰情

選擇符合實(shí)際的水域，布置一段固定冰或9～10成冰的冰情。這種冰情可參考“雪龍2號(hào)”在中山站前沿水域?yàn)椤把執(zhí)枴逼票鶞?zhǔn)備貨物運(yùn)輸路線時(shí)的固定冰。[9]提供這樣的冰況環(huán)境主要考慮的是破冰船中途受阻時(shí)尾隨船速度和尾隨船與破冰船間距離的控制、與護(hù)航船的配合操縱和破冰船引航等業(yè)務(wù)的訓(xùn)練。

2.3 通航環(huán)境設(shè)置

以南北極夏季航行為主，考慮極地高緯度冰區(qū)水域明顯的通航環(huán)境，如頻繁地下雪或下霧、多數(shù)時(shí)段低層云籠罩極區(qū)水域等。整體上呈現(xiàn)陰惡、能見度較差、水溫和氣溫低下及特殊日照現(xiàn)象的天氣[7, 10-14]，具體設(shè)置如下。

2.3.1空中天氣要素

主要考慮設(shè)置氣溫、霧或雪、日照時(shí)間、按規(guī)律變化的風(fēng)(布置典型的極區(qū)氣旋即可)和低層云等5種基本要素，并在模擬駕駛室內(nèi)的相應(yīng)儀器設(shè)備中呈現(xiàn)。

2.3.2海面環(huán)境要素

除了上述各種類型的海冰以外，主要考慮海水溫度、下雪或下霧導(dǎo)致的能見度低下、甲板和海冰積雪、冰區(qū)不同階段的海浪和涌浪、所在水域存在的典型洋流、極地海上動(dòng)物等6種環(huán)境要素。

2.4 船模準(zhǔn)備

模擬航行任務(wù)會(huì)用到PC6級(jí)和PC7級(jí)船舶類型，而破冰船類型采用PC3級(jí)船模自動(dòng)航行，或由教練員、指定的破冰船學(xué)員團(tuán)隊(duì)進(jìn)行破冰引航。限于冰區(qū)航行仿真技術(shù)水平，可采用業(yè)務(wù)模擬、部分物理行為仿真和參數(shù)建?；旌线M(jìn)行。在冰區(qū)模擬場(chǎng)景下，安全操縱船舶是模擬航行的重要內(nèi)容，可通過(guò)跟蹤，記錄船舶在航行過(guò)程中的行為和狀態(tài)，包括螺旋槳、舵葉和船體完整度，位置、速度、航向、橫傾角、冰區(qū)綜合導(dǎo)航設(shè)備使用記錄和語(yǔ)音對(duì)話等數(shù)據(jù)，由此評(píng)估學(xué)員是否具備在冰區(qū)安全航行的能力。目前，國(guó)內(nèi)外的航海模擬器能較好地仿真船舶姿態(tài)，包括位置、速度、航向和橫傾角等，但螺旋槳和舵葉受損后仿真船舶行為較難，至少應(yīng)通過(guò)其他方式加以體現(xiàn)。

2.4.1螺旋槳受損船舶行為要求

在相同車鐘命令下，根據(jù)受損程度，輸出功率逐漸減少，按一定步長(zhǎng)衰減，加車時(shí)間變長(zhǎng)，能向使用人員呈現(xiàn)視覺和聽覺感受，轉(zhuǎn)速相應(yīng)發(fā)生變化、振動(dòng)感(根據(jù)受損情況)和模擬駕駛室內(nèi)環(huán)境聲音發(fā)生改變等，直至最終失去動(dòng)力。

2.4.2舵葉受損船舶狀態(tài)要求

在相同航行環(huán)境下，按舵葉變形損壞的程度或形式，使舵效變差，用更大的舵角才能達(dá)到預(yù)期，無(wú)法按使用人員的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣操舵，船舶的旋回要素發(fā)生變化，直至沒有舵效。

2.4.3船體損壞船舶姿態(tài)要求

由于船體受冰撞擊時(shí)的應(yīng)力計(jì)算較為復(fù)雜，建議在設(shè)置冰情參數(shù)時(shí)，根據(jù)沿線的冰類型、厚度和硬度等參數(shù)，結(jié)合撞擊時(shí)船舶的質(zhì)量和航速計(jì)算相應(yīng)受力情況，映射為簡(jiǎn)化船體包圍盒的損壞程度，直至進(jìn)水傾斜，甚至沉沒。

不同品牌的模擬器采用不同的模擬或仿真算法，操作方法也各不相同，但建議在參數(shù)化航行任務(wù)階段，在模擬器的教練員端或獨(dú)立的自動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)中對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.5 輔助資料準(zhǔn)備

準(zhǔn)備在訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)用到的典型冰圖、必要設(shè)備和圖書資料，包括:在模擬駕駛室內(nèi)提供冰情資料，如不來(lái)梅冰圖、光影圖和合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)圖像；運(yùn)用電子版資料在雷達(dá)或電子海圖上自動(dòng)疊加呈現(xiàn)，為學(xué)員提供分析行進(jìn)方向的資料。雷達(dá)模擬器需提供相應(yīng)冰區(qū)的雷達(dá)回波；電子海圖模擬器上呈現(xiàn)當(dāng)前位置的水上、水下要素和冰情資料；測(cè)深儀實(shí)時(shí)跟蹤當(dāng)前位置的水深變化，以培養(yǎng)學(xué)員在海測(cè)數(shù)據(jù)不充分時(shí)的安全意識(shí)，如配置冰雷達(dá)和水下探冰設(shè)備的模擬器，也可準(zhǔn)備模擬信號(hào)，為冰山識(shí)別提供更逼真的訓(xùn)練環(huán)境。這些準(zhǔn)備是基于真實(shí)航行環(huán)境簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的，會(huì)受限于各培訓(xùn)機(jī)構(gòu)使用的模擬器功能完善度，但基本的冰況、天空與海面基本要素和模擬駕駛室常用導(dǎo)航設(shè)備是必要的。

3 模擬航行的組織和評(píng)估

3.1 模擬航行組織

IMO 示范課程7.11建議基本培訓(xùn)總課時(shí)為34個(gè)課時(shí)，模擬器實(shí)操課時(shí)為7個(gè)課時(shí)?？紤]國(guó)內(nèi)船舶操縱模擬器試驗(yàn)課時(shí)的習(xí)慣安排和培訓(xùn)場(chǎng)地船舶操縱模擬器最低配備要求(1艘主本船和4艘副本船)的客觀條件，模擬航行課時(shí)安排為8個(gè)課時(shí)，為期1 d，具體設(shè)計(jì)見表2。

表2 模擬器實(shí)訓(xùn)課時(shí)安排

根據(jù)3個(gè)訓(xùn)練任務(wù)的要求，在極區(qū)船舶航行模擬器上設(shè)置好相應(yīng)的訓(xùn)練水域、各種冰況、通航環(huán)境要素和相應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)等練習(xí)場(chǎng)景。以4艘副本船為1組，每組4～5位學(xué)員的方式，調(diào)用相應(yīng)冰級(jí)的船模，根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)要求設(shè)置好船舶的初始位置，繪制好初始航線，完成后命名保存練習(xí)，按時(shí)間安排組織模擬航行如表2所示，具體可根據(jù)在航海模擬器上進(jìn)行的綜合實(shí)踐教學(xué)方法安排。[15]

3.2 評(píng)估指標(biāo)和流程

模擬極地冰區(qū)航行主要用于訓(xùn)練學(xué)員在冰區(qū)中安全航行，在有限的時(shí)間內(nèi)避開冰山、大范圍浮冰等危險(xiǎn)冰情，沿著要求的大致方向安全穿越冰區(qū)，未造成嚴(yán)重的船舶損壞。評(píng)估時(shí)主要評(píng)估受訓(xùn)學(xué)員的冰區(qū)綜合導(dǎo)航能力、危險(xiǎn)冰情識(shí)別能力、冰區(qū)中船舶操縱能力和在破冰船輔助下的航行能力等4個(gè)方面的適任能力，見表3。

在具體評(píng)估時(shí)，可根據(jù)上述評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行人工評(píng)估。同時(shí)，國(guó)家海事局新標(biāo)準(zhǔn)要求的航海模擬器必須具備自動(dòng)評(píng)估功能，在航海模擬器上進(jìn)行實(shí)操培訓(xùn)也應(yīng)采用自動(dòng)評(píng)估的方式。但是，傳統(tǒng)的自動(dòng)評(píng)估方法多利用最后階段的實(shí)操評(píng)估考試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，未考慮學(xué)員平時(shí)的訓(xùn)練質(zhì)量。在團(tuán)隊(duì)前期實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目ECDIS、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS)、航線設(shè)計(jì)航海儀器船舶駕駛臺(tái)資源管理(Bridge Resources Management, BRM)等模擬器訓(xùn)練自動(dòng)評(píng)估方法[16]的基礎(chǔ)上，借鑒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在飛行模擬器訓(xùn)練質(zhì)量智能評(píng)估[17]的成功應(yīng)用和航海模擬器智能評(píng)估中的應(yīng)用新思路[18]，提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能評(píng)估方法。

該方法連續(xù)跟蹤學(xué)員操作過(guò)程中的登錄退出行為、儀器使用、車舵操作和語(yǔ)音等記錄，自動(dòng)生成學(xué)員實(shí)訓(xùn)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)和上述評(píng)估指標(biāo)，按以下方法生成評(píng)估模型：

1)通過(guò)前期處理和歸一化操作后形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層輸入數(shù)據(jù)Xi。

2)4種適任能力分值作為輸出層的輸出數(shù)據(jù)Ok。

3)中間隱藏層與輸入和輸入層間的權(quán)重分別為Wij和Wjk。

4)專業(yè)評(píng)估人員對(duì)上述抽樣操作數(shù)據(jù)(樣本數(shù)據(jù))進(jìn)行人工評(píng)分，其結(jié)果作為Ot。

5)以Sigmoid函數(shù)作為傳遞函數(shù)或激活函數(shù)進(jìn)行試驗(yàn) (yi為各層網(wǎng)絡(luò)輸出，xi為各層網(wǎng)絡(luò)輸入)，表達(dá)式為

sigmoid(y1,y2,y3，…，yn)=1/(1+exp(-X(x1,x2,x3，…，xn)))

(1)

6)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用常用的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),輸入Xi、Wij和Wjk之后，計(jì)算輸出為Ok，表達(dá)式為

(2)

7)梯度下降的方法較多，試驗(yàn)采用誤差的平方E=(Ot-Ok)2作為剃度下降方法，以盡量減小超調(diào)。對(duì)E進(jìn)行微分處理之后得到每次調(diào)整中間層和輸出層間的權(quán)重，輸入層和中間層的權(quán)重調(diào)整與此類似，表達(dá)式為

(3)

式(3)中：α為學(xué)習(xí)率；Oj為中間層輸出。

通過(guò)對(duì)輸入樣本進(jìn)行多次學(xué)習(xí)，自動(dòng)調(diào)整Wij和Wjk，得到符合誤差要求的2個(gè)權(quán)重矩陣—評(píng)估模型，將2個(gè)權(quán)重矩陣和學(xué)員實(shí)時(shí)關(guān)鍵指標(biāo)矩陣Xi代入式(3)，實(shí)時(shí)計(jì)算出學(xué)員的階段性成績(jī)，流程見圖5。

圖5 自動(dòng)評(píng)估方法的基本流程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以模擬極區(qū)水域船舶航行的船舶操縱模擬器為研究對(duì)象，在國(guó)際公約和示范課程的框架下，借鑒國(guó)外極區(qū)水域航行模擬操作統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和極區(qū)船舶事故資料，結(jié)合我國(guó)南北極科考船航行經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)極區(qū)水域船舶模擬航行的船舶操縱培訓(xùn)內(nèi)容、模擬航行任務(wù)、虛擬場(chǎng)景布置方案、模擬航行質(zhì)量的關(guān)鍵性評(píng)估指標(biāo)和基于航行過(guò)程的自動(dòng)評(píng)估方法，為國(guó)內(nèi)冰區(qū)航行的履約培訓(xùn)、評(píng)估考試和相應(yīng)模擬器的開發(fā)提供參考，尚未對(duì)自動(dòng)評(píng)估方法涉及的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)機(jī)制和獲取自動(dòng)評(píng)估模型的算法進(jìn)行詳細(xì)的介紹，尤其是學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)獲取、自動(dòng)學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容，這將在以后的工作中深入研究。