团队协作式评估方法在机舱模拟训练中的应用

曹辉, 张均东, 魏来

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

一、引言

随着航海事业的发展及科学技术的进步，新兴技术与装备正逐渐应用于现代船舶上，航运业正朝着专业化、智能化、现代化方向发展[1]，与此同时，也对船员的综合素质提出了更高的要求。国际海事组织STCW公约马尼拉修正案将船员培训中机舱资源管理一项从“建议性标准和指导”提升为“强制性标准”[2]，这对当前船员培训体系和评估方式提出了新的挑战，对机舱工作人员团队协作能力的培养提出了更高的要求，有效的机舱资源管理成为船员适任评估的热点。船舶机舱模拟器实施评估时主要以个人操作为主，并侧重于对任务完成度的考量，导致模拟器评估系统在应用中存在多人协作式评估盲点；同时在船舶机损事故中，有80%的事故是由于人为操作失误因素导致的，其根本原因在于机舱团队协作能力不足，包括资源分配不均、任务分配不合理、领导人员决策力不足等。为了有效解决以上缺陷和问题，亟待在机舱模拟训练中研究一种有效的团队协作式智能评估方法。

智能评估方法在机舱模拟训练中的研究与应用现状如下：文献[3]利用桌面化轮机模拟器对参训人员进行分组评估测试，发现开展有效的协作式训练可以降低实际工作中的操作失误；文献[4]改进了海事教学过程中的评估方法，并将其与模拟器相结合来开展模拟训练与评估；文献[5]基于模糊综合评估方法，设计并开发了机舱操作自动评估系统，实现了海事局对于船员实操考试大纲规定项目的评估；文献[6]在基于仿真的船舶动力系统培训中，研究了影响机舱工作人员操作能力的因素，建立了评价数学模型，完成了对人员操作的评估；文献[7]基于模糊评估方法设计了一种机舱虚拟训练评估系统，通过建立自定义评估项，在三维虚拟机舱中进行了实施；文献[8]在大量的实操数据的基础上，通过逐层贪婪训练算法对限制玻尔兹曼机逐层训练，提出基于深度信念网络的机舱实操智能评估方法；文献[9]提出了基于智能优化的人力资源系统模型和方法，利用遗传算法和博弈策略进行评估因素权重设定，并在机舱三维仿真系统进行了评估应用。除此之外，智能评估方法在类似工程领域中的研究还包括：文献[10]分析了影响导弹防御系统作战效能的主要因素，设计了分层赋权的导弹防御作战效能模糊评估模型，并进行了实例验证；文献[11]将层次分析法、绩效分析和二元模糊语言表示模型进行了集成，对士兵作战效益进行了评估；文献[12]在构建航迹评价指标体系的基础上，建立单船进出港模拟训练航迹综合评价模型，提出了基于二维正态云模型参数的单船进出港航迹评估算法；文献[13]在仿真环境中针对直升机机组的救援训练，建立评估指标，实现了一种基于虚拟仿真的培训效果评估方法；文献[14]通过问卷调查、权重比例因子增强和相似度度计算三种方式，将专家知识和经验进行结合，提出一种新的方法来评估海上行动中的视觉注意力。

综上所述，尚未见协作式评估方法在船舶机舱模拟训练中的应用研究。本文借鉴已有研究成果，提出了一种机舱团队协作式智能评估方法，以积极促进该领域智能化评估技术的发展。

二、机舱协作式评估的概念及指标

协作式的评估方法与传统的评估方法相比存在较大差别。传统方法主要着眼于团队中最优秀的成员个体，或最重要的操作环节，从而忽略了整个团队的协作能力，其评估结果不能客观反映团队的协作能力，不能实现对1加1大于2的考量。协作式评估方法则能有效克服上述不足，实现对团队协作能力的客观评估。

1.协作式训练概念

由于船舶机舱工作形式主要以团队协作为主，可根据不同的资源管理要求，开展全任务式船舶机舱协作训练，因此，机舱协作式模拟训练是指在机舱模拟操作环境中，受训人员按照实际工作等级进行分工，分配权限，相互激励，共同完成一项机舱任务的训练模式。机舱协作式模拟训练与传统的单人训练模式的区别在于，前者以团队为训练对象，它不仅关注的是任务指标的完成度，还兼顾对团队成员协作能力的培养和提高，更加贴近真实的工作状态。

2.机舱协作能力与评价标准

机舱协作能力是指建立在团队工作基础上，机舱工作人员之间基于个人职责、权限，通过资源共享、相互激励、交流与协调，迅速有效地应对所处环境的变化，做出有效判断和积极反应，以达到团队最大工作效率的能力。针对团队协作过程中所发生的各种操作，能够反映出团队的协作力，且可以进行量化的操作，可概括为时序性操作、互动性操作、冗余性操作、越权性操作、规范性操作等，可分别由代表协作程度的时序性、互动性、冗余性、越权性、规范性等指标来量化。

(1)时序性操作

时序性操作是指根据规范、客观条件等因素，相同或不同操作人员以时间流的形式进行的操作事件，上一步操作未完成时不应进行下一步操作。例如船舶主柴油机完车操作，需在停车前做一次全面检查，逐渐降速，解除负荷，待主机温度降低后停车，若不遵守时序性，主机温度过高，会导致热应力过大，可能会发生气缸断裂事故。各项操作都需按照时序性进行，否则会有发生事故的风险。

(2)互动性操作

互动性操作是指根据规范，为达成操作信息分享、成员激励等团队成员之间进行的交替、互动性操作，它注重的是操作者之间的信息交流与协调。在机舱内某些设备发生故障时，单个轮机员可以找到故障原因再进行修复，但整个过程耗时较长，若是多个轮机员互相配合通力解决问题，可大大缩短修复时长，保证船舶的安全航行。

(3)冗余性操作

冗余性操作是指在团队协作过程中发生的实际规则中并未要求的操作，虽然此类操作短期内对目标结果不会产生影响，但影响了团队合作的一致性，降低了团队的工作效率，并可能滋生潜在的不稳定或危险因素。例如在发电机组并车操作过程中，经同步操作后，若已满足电力负荷需求之后再操作第三台发电机组进行投网运行，则该操作可视为冗余性操作，这将大大降低团队的合作效率，对机舱工作产生消极的影响。

(4)越权性操作

越权性操作是指操作者未能按照机舱工作的职责与等级规范，进行了个人职责或操作权限之外的操作，尽管它不会影响团队任务的完成，但破坏了团队的组织力。在船员职责分工中，大管轮应负责维护主推进动力装置、机舱逃生门、舵机、制冷机等设备，二管轮应负责维护发电柴油机以及轮机长指定的设备，三管轮应负责维护锚机、绞缆机、起货机等。若三管轮未经授权对主动力系统进行操作，则该操作属于越权性操作，它破坏了组织间的协作配合。

(5)规范性操作

规范性操作是指操作者未按照实际规则进行的同时对完成度以及协作能力产生影响的操作。例如在柴油机备车操作中，需先检查燃油系统，打开燃油箱放残阀，排尽油箱内的积水和杂质，检查燃油管路各接头螺丝是否有渗油现象，再检查润滑油系统的滑油黏度以及油量是否达标，还有冷却水系统水泵皮带松紧程度和水箱水位等。若没有进行上述检查核实就启动柴油机，则可能会发生机器故障，对团队协作产生消极影响，同时也不利于船舶的安全航行。

三、智能协作式评估方法

在协同训练时，会有多个不同职务的人员参与，而不同职务的人员对设备的操作权限是不同的，对于同一设备，只有对应职务的人员才能进行操作，这样就保证了协作分工的合理性[15]。对于协作式评估而言，最终目标就是对团队协作能力进行评估，相关的评估指标包括顺序类指标、成员个体操作能力指标、团队协作能力指标等。其评估需要一个明确且相对完整的流程，才能得出一个合理的协作能力评估结果，如图1所示。

图1 智能协作式评估的流程

对智能协作式评估流程的描述如下：

在进入协作式评估前，参与评估人员需在机舱虚拟操作环境下按照各自预先分配的角色/职务登录到协作式评估系统，权限管理系统会在用户认证通过后根据用户角色类型对其开放相应的权限，以完成多角色组队。

组队完成后，教练员(手动模式)或教练系统(自动模式)会根据评估任务在机舱模拟训练平台中加载指定的评估项、评估情景、评估初始状态等信息，完成评估前的准备工作。

在进入正式评估环节后，评估系统将根据评估任务完成评估要素、权重的计算与分配，并全程监视、记录、分析团队成员的协作表现、设备系统的状态变化等，为分析各项团队协作因素收集有用信息。

当协作式评估被提交后，系统将采用如下计算方法对团队的各项协作指标进行计算：

a)目标完成度计算。采用模糊层次综合计算[5]，上层中各节点的评价值将被视为其下一层各子节点的模糊综合计算结果，并以此类推，直到完成对最顶层“目标完成度”的计算。该算法的关键是各层评估因素的量化、对应隶属度函数的选择以及权重设定等。

b)协作力指标计算。利用集合相似度方法计算团队协作过程中的时序性、互动性、冗余性等协作力指标[16]。根据指标的性质不同，时序性、互动性可采用Dice系数来对标准集合和待评价集合进行相似度计算，如式(1)所示；而冗余性、越权性和规范性可采用Tversky系数来进行集合相似度计算，如式(2)所示。

(1)

式中，|D1∩D2|为两个集合具有相同元素的数量；D1+D2为两个集合元素数量和。

(2)

式中，|T1∩T2|表示两个集合具有相同元素的数量；T1-T2、T2-T1表示两个集合相对补集的元素数量；参数α,β表示对两个集合的重视程度，和为1。

c)综合计算。将代表目标完成度的模糊综合评价结果与各项协作力指标进行加法合成或乘法合成计算，如式(3)(4)所示，输出最终的协作式评估结果。

(3)

(4)

式中，i为待合成的项数，Ei为i项评估值，wi为与Ei对应的单项权重。

四、机舱协作式评估的特点

我国的船员适任能力评估仍然采用评估员人工分配项目的评估方式，具有较强的主观性，且耗费大量的人力物力资源。对于传统的评估方式，即便项目是由多人协作完成的，但评估机制仍将其视为独立“个体”所进行的操作，因此机舱模拟器的评估机制在设计开发时主要关注的是任务的完成度，并没有着重考虑对团队协作能力进行客观评价。相比之下，协作式评估与传统的评估方式有较大区别，它在对个体操作对象的能力考核基础上，综合考虑任务完成度及团队协作能力对评估结果的影响[17]，因此协作式评估具有如下特点：

1.完善的综合性

传统评估方式着眼于“个体”操作成效，最终目标是整体的完成程度，却忽略了团队内部的协作配合能力；而协作式评估有效地改善了这种情况，在实施过程中兼顾了“操作成效”“个体操作者能力”“团队协作能力”三者的综合效果，将以往的单个评估标准提升为多个标准并行评估，这使得协作式智能评估在综合性考量上更加全面。

2.更强的客观性。

传统的评估方法掺杂过多主观的因素，例如专家评判法，是基于相关领域专家的经验和知识进行判断和协商所得出的最终评估结果，具有较强的主观性。而智能协作式的评估方法与传统的评估方法之间最大的区别就是能够对团队协作能力进行量化，可以给出一个可以观测到的数值依据，且基于评估过程中发生的情景也可以给出更加客观的考量，避免以往人为主观因素所导致的评估结果的不确定性，使结果更加具有说服力。

3.更高的智能性

传统的评估方式主要针对整体完成度进行评估，即使团体配合不佳，只要最终完成度高，评分就会较高；而协作式评估方式具有更高的智能性，其评估针对的是整个团体的操作过程，即使团队中每个操作者都表现出较强的个体操作能力，但由于团队的协作力没有得到很好的发挥，评估机制仍将对评估结果给予一定程度的减分处理，甚至认定此次评估结果为不及格。

五、机舱智能协作式评估的作用

1.弥补机舱协作式智能评估方法的空缺

协作式评估主要是针对团队人员协作能力进行评估，国内外的研究主要方向在协作学习、协同作战、人机协作等，在医药领域还有协作护理，多学科协作治疗等研究方向。目前，国内外在协作式评估方面的研究较少，针对机舱人员的协作式评估方法一直处于空缺状态，已有研究也并没有提出如何对协作能力进行评估，没有提出对协作能力的量化方法。本文提出的方法能够较好地弥补机舱协作式评估研究的空缺，对该技术的应用与发展具有一定的先导意义。

2.遵循国际公约的要求

国际海事组织(IMO)在2010年缔约国外交大会上通过了STCW公约马尼拉修正案，对海员培训、发证和值班标准进行了较大的修订，其中机舱资源管理一项从“建议性标准”提升为“强制性标准”，这也代表机舱团队协作能力被列入重点考核对象，机舱评估标准不再是个人主义，而是集体合作精神。本文提出的协作式评估方法能够有效地将国际公约的履约要求付诸实践。

3.培养机舱人员团队协作积极性

机舱智能协作式评估方法可以将协作能力指标进行量化处理，通过相应的计算得出团队协作力的评估分数。该分数与每个团队成员的操作都相关，可以直观显示因个体不当操作对团队协作效果的影响，并向个体操作进行反馈，更加有利于提高机舱内人员的合作意识，锻炼团队的协作能力，完善机舱内的操作制度，促进每个船员的协作积极性，使机舱工作进行得更加顺利。

4.提高船舶航行的安全性

远洋船舶发生事故的主要因素为人为操作失误，这表明船员的操作能力和协作能力对于船舶的安全航行至关重要。在机舱模拟训练中，智能协作式评估方法可以找出船员的配合缺陷，让船员提前知晓机舱团队的不足，为他们敲响警钟，在此基础上加以改正和完善，能够有效降低在正式航行过程中由于人为失误导致事故发生的概率，从而大大提高船舶航行的安全性。

5.完善航海教育协作训练方面的不足

在航海教育方面，轮机模拟器的使用很大程度上改善了船员的培训环境，使其能够最大限度地适应真实的机舱环境，提高了培训效率；但是这仅仅从个体角度提高了船员对机舱操作的熟悉度，船员间的协作能力却仍没有得到有效的训练。协作式智能评估能够很大程度上解决该问题，其训练过程包括人员角色选择、权限分配、协作配合等，能够有效提高船员的综合素质和能力。

六、总结与展望

船舶机舱的运行状况决定了船舶的航行安全，而机舱内的各系统以及设备的操作和维护离不开机舱工作人员的经验、能力和协作。机舱内可能发生的故障是复杂多样且不可预测的，此时就需要团队出色的合作能力和明确的分工协作，尽快解决突发问题，保证船舶的安全航行。本文结合国内外的协作式评估方法，以及STCW公约马尼拉修正案的履约要求，提出一种机舱协作式智能评估方法，在通过网络平台部署后，已与轮机模拟器进行融合，应用于机舱模拟训练中。该方法可结合任务完成度和协作力量化指标对团队协作成效进行评估，兼具综合性、客观性、智能性等特点，为机舱协作式训练提供了一种更为合理的考评方式。目前，在海运强国等国家战略的影响下，为充分履行STCW公约的要求，我国对于船员间协作能力的重视程度已逐渐加强。未来，协作式训练评估与大数据、云计算等技术手段的结合，可对船员的历史操作数据进行分析，更为详细、严谨、有针对性的评估方法将逐渐完善，以更好地满足高质量航海教育的需求。