海船船员模拟驾驶智能化评估管理系统设计

张 健， 周晓梅， 郭胜军

(中远海运科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

随着航运业的不断发展，相关组织、机构及船公司等对海员整体素质的要求不断提高，海船船员适任考试制度越来越严苛，考试内容日趋多样化、复杂化。国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)要求各国根据国际航运业发展的实际要求研制一套权威的、具有示范意义的评估系统和评估设施[1]。我国交通运输部海事局为保障航运安全、促进航运业的发展，出台了一系列涉及船员注册、培训、考试、评估和发证等内容的船员管理法规及相关管理措施，制定了《海船船员适任评估大纲与规范》[2]，对船员评估的内容和相关评估设备提出了要求。目前海船船员实操评估主要采用评估员现场评判的方式开展，评估过程和评判结果易受评估员的专业水平、主观情绪等因素的影响，无法做到完全公正、客观。因此，需建立一套公平、公正和公开的海船船员模拟驾驶智能化评估管理系统。

本文依托上海船员评估示范中心工程信息化集成项目，建立一个支持未来评估中心应用的运行高效、管理智能、信息公开的评估评分综合系统，充分整合现行的业务系统，梳理并改造现行的业务流程，建立统一运维、智能考务管理、考试过程管理、评判管理和人员管理等子系统。基于英国船商公司[3]的NTPRO 5000模拟器，开发出一套智能化评估管理系统。船商公司的NTPRO 5000模拟器内置有一套E-Tutor评估系统，该系统主要分为场景编辑模块和评估监控模块，其中：场景编辑模块可让评估员在模拟器中录入考试试题，包括航线、抛锚区域和海况等；评估监控模块可对考生考试期间的操作要素进行实时打分并输出结果。E-Tutor使得考生能在练习过程中显著减少对复杂场景的控制时间和降低手动操作带来的延误影响，并能保存培训数据，向第三方平台输出统计数据。

1 智能化评估管理系统的需求和功能

海船船员模拟驾驶智能化评估管理系统主要实现以下目标。

1)评估过程透明化：实现模拟驾驶评估全过程可追溯，提升评估过程的透明度。

2)评判方式多样化：提供丰富的评判方式，计算机自动评判与专家评判相结合。

3)人工评估公正化：消除个人价值体系差异和主观情绪等因素引起的评判偏差。

图1 系统总体功能架构

4)提供科学的题库管理功能。

系统总体功能架构见图1，主要包括综合服务门户、题库管理、考务管理、智能评估评分管理和数据管理与统计分析等。

智能评估评分管理是本文研究的核心，拟引入一个自动评判模型进行分析。评估过程中采集的数据会被统计记录，评估的结果会得到及时输出，同时整个评估过程可追溯。此外，数据管理与统计分析也是本文研究的重点，采集的数据将被存储在Oracle数据库中。本文基于船商公司的NTPRO 5000模拟器，对评估过程中产生的大量数据进行归类，制定一个统一的接口标准，便于后续对不同模拟器的数据进行对接。

2 智能化评估管理系统打分模型的建立

智能化评估管理系统的核心是自动评判，自动评判的核心是建立评估模型，即建立考生在模拟考试中所得结果与最后得分之间的联系。考试题目基于船商公司的E-Tutor模拟器拟定，评估员和相关专家可在E-Tutor评估系统上编辑题目，并能在后台进行实时监控和评估。

基于E-Tutor模拟器的题目设计涉及诸多评判要素，船舶航行过程中的操控、避碰和抛锚是3个重要考查方向。考生上机操作涉及到的考试动作较多，因此需将每道试题拆分成多个操作，每个操作都包含一些要素，最终根据最小要素进行打分。将各操作分解至最小要素是实现自动评判的关键。操作拆解的过程以《海船船员适任评估大纲与规范》为标准。

要素拆解完成之后，需对参数进行量化，每个可自动评判的评分要素都对应模拟器中的1个或多个参数，不同的要素对应的模拟器参数有可能相同。因此，需整理出模拟器参数中的重要参数，并判断是否可进行量化。由于模拟器参数众多，部分参数无法直接输出并进行评判打分，因此仅整理出涉及模拟航行的部分重点参数(见表1)。

对于可量化的参数，可结合评判要求对输出的结果进行打分，并结合历史数据进行对比拟合，建立一套打分模型。由于可量化的具体参数较多，对不同参数采用的打分模型有所不同，因此本文以船舶余速(即nciExtSensorCurrentSpe)为例阐述建模情况，其他参数的建模情况与此类似。表2为评估员对考生“船舶余速控制”的历史打分数据，其中：船员实际靠泊余速为考生考试时模拟器输出的余速值；标准余速为相关条件下评估员给出的理想值。评估员根据考核要求和水域情况等对考生的实际靠泊余速进行打分，得分以百分比的形式呈现，100%即满分。

分别以船员实际靠泊余速和评估员所打分数为横坐标x和纵坐标y建立坐标系进行曲线拟合。考试样本数据越多，评判曲线模型的分布规律越明显，与标准得分的差异越小。图2为对应该数据的拟合曲线。该曲线的近似拟合方程为

表1 船商模拟器参数

表2 评估员对考生“船舶余速控制”的历史打分数据

(1)

式(1)中：x为船员实际靠泊余速；y为得分情况；e为自然底数；k为控制常量，取值越小收敛越快。通过改变控制常量k的取值，可调节曲线的收敛程度。对于后续考生的考试结果，系统能根据该方程进行自动评判并输出结果。同理，其他评估要素均可采用该方法进行曲线拟合，得出对应的打分计算方程。不同评估要素的权重各有不同，各评估要素的打分权重分配见表3，其中：ωN为考生考试过程中实际操作的数据；YN为对应实操数据所得分数；QN为每个评估要素对应的打分权重，需结合层次分析法[4]确定。对于k的计算，首先设定k=1，采用相关历史数据进行计算，得到结果y;求取y与实际评分z的差值得M=y-z；计算所有历史数据的差值Mn；综合所有的偏离度并进行调整，可得k的计算式

(2)

图2 拟合曲线

评估要素数据计算结果权重X1(抵泊间距)w1Y1Q1X2(抵泊角度)w2Y2Q2X3(余速控制)w3Y3Q3︙︙︙︙XNwNYNQN

层次分析法是一种将定性分析与定量分析相结合的多目标决策分析方法，主要通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素, 对各指标的重要程度进行比较, 建立判断矩阵, 通过计算判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量得出不同方案重要程度的权重, 为选择最佳方案提供依据。结合层次分析法和专家讨论可得到最终的加权分为

S=Y1Q1+Y2Q2+…+YNQN

(3)

在输出考生考试成绩的同时，需对评估模型的算法和实际的补偿进行调整，初始值的设定不是一成不变的，涉及到模型的分段函数设定、隐含层设定和收敛趋势等方面的研究，需对评估模型进行长期观察，对大量数据进行研究。

3 智能化评估管理系统架构设计

3.1 智能化评估管理系统总体架构和服务器部署

智能化评估管理系统总体架构见图3，分为感知层、网络层、平台层和应用层等4个层次，其中：感知层连接评估考试时所用的设备和评估过程；网络层实现网络通信管理；平台层用于建立各个平台；应用层涉及自动评分模型。服务器部署图见图4。

图3 智能化评估管理系统总体架构

图4 服务器部署图

3.2 平台对接接口设计

智能化评估管理系统的数据交换和协同工作需遵循规范化的数据同步标准，从而尽可能地减少系统之间的切换，节省数据同步时间，提高数据同步效率。

NTPRO 5000模拟器数据使用的接口协议是标准IEC 61162-1协议，采用的数据格式是海事通用的NMEA0183协议[5]格式，采用的接口形式是RS-422接口或TCP/IP以太网接口。在数据传输方面，使用TCP/IP接口进行数据传输，数据发送端和接收端需完成数据包的封包、加密和传输等任务。

智能化评估管理系统采用Web Service接口进行业务数据交互。接口数据传输采用XML数据交换格式，UTF-8编码。在接口服务中，需建立数据映像对照表，在映像中转换为智能化评估管理系统能识别和使用的数据格式。在初始化数据时，调用船员管理子系统的接口，以数据全量同步的方式获得船员信息和单位信息等基础信息。此后一旦发生数据变动，由船员管理子系统主动以数据增量同步的方式向智能化评估管理系统发送信息。交互频率均支持定点轮询，也可根据业务需要支持手工同步。

3.3 平台网络设计和数据库设计

智能化评估管理系统的建设选用工业领域广泛应用的网络通信协议Modbus。该系统平台的建设选用的是Modbus在以太网上传输的版本Modbus TCP。通信由主节点发起，请求信息中包含传感器的定位信息IP和Address ID，子节点获取定位信息之后将对应传感器的数据响应给主节点完成通信。

智能化评估管理系统的基础数据库(如电子海图数据库、船舶资料数据库等)包含共享程度最高的数据，是所有应用系统的基础。这类数据入库时要求有完整性校验，主要分为结构化数据和非结构化数据2类，其中：结构化数据采用关系型数据库(Oracle或MySQL数据库)存储方式(见图5)，中间数据库的交互见图6；非结构化数据采用文件存储方式(FastDFS)[6]。

图5 数据库存储方式

数据库系统主要包括数据采集机制、数据采集技术路线和数据采集核心流程等3方面内容。

1)数据采集机制包括实时机制、定时机制、单向机制和双向机制；

2)数据采集技术路线包括socket方式、FTP文件交换、数据库数据交换和Modbus方式；

3)数据采集核心流程包括数据校验、数据转换和数据比对。

数据库系统集成方式见图7。

图6 中间数据库交互

图7 数据库系统集成方式

4 结 语

海船船员模拟驾驶智能化评估管理系统通过对航海模拟器的数据进行收集，建立自动评判模型，采用TCP/IP和Modbus网络数据传输模型进行动态数据和静态数据的传输，目前已完成理论搭建工作和数据建模分析工作。待项目完成之后，需导入实际测评数据进行后期验证分析并对模型进行调整。届时评估员只需在控制台进行监控评估，即可实现船员考试端无人监考的模式，提高评估员的工作效率。最终给出学员加权综合成绩，降低评估员评估的主观性，既保证评估结果的公正性，又提高评估的效率和质量。