張 健， 周曉梅， 郭勝軍

(中遠(yuǎn)海運(yùn)科技股份有限公司，上海 200135)

0 引 言

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)組織、機(jī)構(gòu)及船公司等對(duì)海員整體素質(zhì)的要求不斷提高，海船船員適任考試制度越來(lái)越嚴(yán)苛，考試內(nèi)容日趨多樣化、復(fù)雜化。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)要求各國(guó)根據(jù)國(guó)際航運(yùn)業(yè)發(fā)展的實(shí)際要求研制一套權(quán)威的、具有示范意義的評(píng)估系統(tǒng)和評(píng)估設(shè)施[1]。我國(guó)交通運(yùn)輸部海事局為保障航運(yùn)安全、促進(jìn)航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，出臺(tái)了一系列涉及船員注冊(cè)、培訓(xùn)、考試、評(píng)估和發(fā)證等內(nèi)容的船員管理法規(guī)及相關(guān)管理措施，制定了《海船船員適任評(píng)估大綱與規(guī)范》[2]，對(duì)船員評(píng)估的內(nèi)容和相關(guān)評(píng)估設(shè)備提出了要求。目前海船船員實(shí)操評(píng)估主要采用評(píng)估員現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判的方式開(kāi)展，評(píng)估過(guò)程和評(píng)判結(jié)果易受評(píng)估員的專業(yè)水平、主觀情緒等因素的影響，無(wú)法做到完全公正、客觀。因此，需建立一套公平、公正和公開(kāi)的海船船員模擬駕駛智能化評(píng)估管理系統(tǒng)。

本文依托上海船員評(píng)估示范中心工程信息化集成項(xiàng)目，建立一個(gè)支持未來(lái)評(píng)估中心應(yīng)用的運(yùn)行高效、管理智能、信息公開(kāi)的評(píng)估評(píng)分綜合系統(tǒng)，充分整合現(xiàn)行的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，梳理并改造現(xiàn)行的業(yè)務(wù)流程，建立統(tǒng)一運(yùn)維、智能考務(wù)管理、考試過(guò)程管理、評(píng)判管理和人員管理等子系統(tǒng)?；谟?guó)船商公司[3]的NTPRO 5000模擬器，開(kāi)發(fā)出一套智能化評(píng)估管理系統(tǒng)。船商公司的NTPRO 5000模擬器內(nèi)置有一套E-Tutor評(píng)估系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為場(chǎng)景編輯模塊和評(píng)估監(jiān)控模塊，其中：場(chǎng)景編輯模塊可讓評(píng)估員在模擬器中錄入考試試題，包括航線、拋錨區(qū)域和海況等；評(píng)估監(jiān)控模塊可對(duì)考生考試期間的操作要素進(jìn)行實(shí)時(shí)打分并輸出結(jié)果。E-Tutor使得考生能在練習(xí)過(guò)程中顯著減少對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的控制時(shí)間和降低手動(dòng)操作帶來(lái)的延誤影響，并能保存培訓(xùn)數(shù)據(jù)，向第三方平臺(tái)輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1 智能化評(píng)估管理系統(tǒng)的需求和功能

海船船員模擬駕駛智能化評(píng)估管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

1)評(píng)估過(guò)程透明化：實(shí)現(xiàn)模擬駕駛評(píng)估全過(guò)程可追溯，提升評(píng)估過(guò)程的透明度。

2)評(píng)判方式多樣化：提供豐富的評(píng)判方式，計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)判與專家評(píng)判相結(jié)合。

3)人工評(píng)估公正化：消除個(gè)人價(jià)值體系差異和主觀情緒等因素引起的評(píng)判偏差。

圖1 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

4)提供科學(xué)的題庫(kù)管理功能。

系統(tǒng)總體功能架構(gòu)見(jiàn)圖1，主要包括綜合服務(wù)門戶、題庫(kù)管理、考務(wù)管理、智能評(píng)估評(píng)分管理和數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計(jì)分析等。

智能評(píng)估評(píng)分管理是本文研究的核心，擬引入一個(gè)自動(dòng)評(píng)判模型進(jìn)行分析。評(píng)估過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)會(huì)被統(tǒng)計(jì)記錄，評(píng)估的結(jié)果會(huì)得到及時(shí)輸出，同時(shí)整個(gè)評(píng)估過(guò)程可追溯。此外，數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計(jì)分析也是本文研究的重點(diǎn)，采集的數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。本文基于船商公司的NTPRO 5000模擬器，對(duì)評(píng)估過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，制定一個(gè)統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，便于后續(xù)對(duì)不同模擬器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接。

2 智能化評(píng)估管理系統(tǒng)打分模型的建立

智能化評(píng)估管理系統(tǒng)的核心是自動(dòng)評(píng)判，自動(dòng)評(píng)判的核心是建立評(píng)估模型，即建立考生在模擬考試中所得結(jié)果與最后得分之間的聯(lián)系。考試題目基于船商公司的E-Tutor模擬器擬定，評(píng)估員和相關(guān)專家可在E-Tutor評(píng)估系統(tǒng)上編輯題目，并能在后臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)估。

基于E-Tutor模擬器的題目設(shè)計(jì)涉及諸多評(píng)判要素，船舶航行過(guò)程中的操控、避碰和拋錨是3個(gè)重要考查方向?？忌蠙C(jī)操作涉及到的考試動(dòng)作較多，因此需將每道試題拆分成多個(gè)操作，每個(gè)操作都包含一些要素，最終根據(jù)最小要素進(jìn)行打分。將各操作分解至最小要素是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)判的關(guān)鍵。操作拆解的過(guò)程以《海船船員適任評(píng)估大綱與規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)。

要素拆解完成之后，需對(duì)參數(shù)進(jìn)行量化，每個(gè)可自動(dòng)評(píng)判的評(píng)分要素都對(duì)應(yīng)模擬器中的1個(gè)或多個(gè)參數(shù)，不同的要素對(duì)應(yīng)的模擬器參數(shù)有可能相同。因此，需整理出模擬器參數(shù)中的重要參數(shù)，并判斷是否可進(jìn)行量化。由于模擬器參數(shù)眾多，部分參數(shù)無(wú)法直接輸出并進(jìn)行評(píng)判打分，因此僅整理出涉及模擬航行的部分重點(diǎn)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

對(duì)于可量化的參數(shù)，可結(jié)合評(píng)判要求對(duì)輸出的結(jié)果進(jìn)行打分，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比擬合，建立一套打分模型。由于可量化的具體參數(shù)較多，對(duì)不同參數(shù)采用的打分模型有所不同，因此本文以船舶余速(即nciExtSensorCurrentSpe)為例闡述建模情況，其他參數(shù)的建模情況與此類似。表2為評(píng)估員對(duì)考生“船舶余速控制”的歷史打分?jǐn)?shù)據(jù)，其中：船員實(shí)際靠泊余速為考生考試時(shí)模擬器輸出的余速值；標(biāo)準(zhǔn)余速為相關(guān)條件下評(píng)估員給出的理想值。評(píng)估員根據(jù)考核要求和水域情況等對(duì)考生的實(shí)際靠泊余速進(jìn)行打分，得分以百分比的形式呈現(xiàn)，100%即滿分。

分別以船員實(shí)際靠泊余速和評(píng)估員所打分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)x和縱坐標(biāo)y建立坐標(biāo)系進(jìn)行曲線擬合?？荚嚇颖緮?shù)據(jù)越多，評(píng)判曲線模型的分布規(guī)律越明顯，與標(biāo)準(zhǔn)得分的差異越小。圖2為對(duì)應(yīng)該數(shù)據(jù)的擬合曲線。該曲線的近似擬合方程為

表1 船商模擬器參數(shù)

表2 評(píng)估員對(duì)考生“船舶余速控制”的歷史打分?jǐn)?shù)據(jù)

(1)

式(1)中：x為船員實(shí)際靠泊余速；y為得分情況；e為自然底數(shù)；k為控制常量，取值越小收斂越快。通過(guò)改變控制常量k的取值，可調(diào)節(jié)曲線的收斂程度。對(duì)于后續(xù)考生的考試結(jié)果，系統(tǒng)能根據(jù)該方程進(jìn)行自動(dòng)評(píng)判并輸出結(jié)果。同理，其他評(píng)估要素均可采用該方法進(jìn)行曲線擬合，得出對(duì)應(yīng)的打分計(jì)算方程。不同評(píng)估要素的權(quán)重各有不同，各評(píng)估要素的打分權(quán)重分配見(jiàn)表3，其中：ωN為考生考試過(guò)程中實(shí)際操作的數(shù)據(jù)；YN為對(duì)應(yīng)實(shí)操數(shù)據(jù)所得分?jǐn)?shù)；QN為每個(gè)評(píng)估要素對(duì)應(yīng)的打分權(quán)重，需結(jié)合層次分析法[4]確定。對(duì)于k的計(jì)算，首先設(shè)定k=1，采用相關(guān)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果y;求取y與實(shí)際評(píng)分z的差值得M=y-z；計(jì)算所有歷史數(shù)據(jù)的差值Mn；綜合所有的偏離度并進(jìn)行調(diào)整，可得k的計(jì)算式

(2)

圖2 擬合曲線

評(píng)估要素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果權(quán)重X1(抵泊間距)w1Y1Q1X2(抵泊角度)w2Y2Q2X3(余速控制)w3Y3Q3????XNwNYNQN

層次分析法是一種將定性分析與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，主要通過(guò)將復(fù)雜問(wèn)題分解為若干層次和若干因素, 對(duì)各指標(biāo)的重要程度進(jìn)行比較, 建立判斷矩陣, 通過(guò)計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量得出不同方案重要程度的權(quán)重, 為選擇最佳方案提供依據(jù)。結(jié)合層次分析法和專家討論可得到最終的加權(quán)分為

S=Y1Q1+Y2Q2+…+YNQN

(3)

在輸出考生考試成績(jī)的同時(shí)，需對(duì)評(píng)估模型的算法和實(shí)際的補(bǔ)償進(jìn)行調(diào)整，初始值的設(shè)定不是一成不變的，涉及到模型的分段函數(shù)設(shè)定、隱含層設(shè)定和收斂趨勢(shì)等方面的研究，需對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行長(zhǎng)期觀察，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

3 智能化評(píng)估管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 智能化評(píng)估管理系統(tǒng)總體架構(gòu)和服務(wù)器部署

智能化評(píng)估管理系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖3，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層等4個(gè)層次，其中：感知層連接評(píng)估考試時(shí)所用的設(shè)備和評(píng)估過(guò)程；網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信管理；平臺(tái)層用于建立各個(gè)平臺(tái)；應(yīng)用層涉及自動(dòng)評(píng)分模型。服務(wù)器部署圖見(jiàn)圖4。

圖3 智能化評(píng)估管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖4 服務(wù)器部署圖

3.2 平臺(tái)對(duì)接接口設(shè)計(jì)

智能化評(píng)估管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作需遵循規(guī)范化的數(shù)據(jù)同步標(biāo)準(zhǔn)，從而盡可能地減少系統(tǒng)之間的切換，節(jié)省數(shù)據(jù)同步時(shí)間，提高數(shù)據(jù)同步效率。

NTPRO 5000模擬器數(shù)據(jù)使用的接口協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)IEC 61162-1協(xié)議，采用的數(shù)據(jù)格式是海事通用的NMEA0183協(xié)議[5]格式，采用的接口形式是RS-422接口或TCP/IP以太網(wǎng)接口。在數(shù)據(jù)傳輸方面，使用TCP/IP接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端需完成數(shù)據(jù)包的封包、加密和傳輸?shù)热蝿?wù)。

智能化評(píng)估管理系統(tǒng)采用Web Service接口進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互。接口數(shù)據(jù)傳輸采用XML數(shù)據(jù)交換格式，UTF-8編碼。在接口服務(wù)中，需建立數(shù)據(jù)映像對(duì)照表，在映像中轉(zhuǎn)換為智能化評(píng)估管理系統(tǒng)能識(shí)別和使用的數(shù)據(jù)格式。在初始化數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用船員管理子系統(tǒng)的接口，以數(shù)據(jù)全量同步的方式獲得船員信息和單位信息等基礎(chǔ)信息。此后一旦發(fā)生數(shù)據(jù)變動(dòng)，由船員管理子系統(tǒng)主動(dòng)以數(shù)據(jù)增量同步的方式向智能化評(píng)估管理系統(tǒng)發(fā)送信息。交互頻率均支持定點(diǎn)輪詢，也可根據(jù)業(yè)務(wù)需要支持手工同步。

3.3 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

智能化評(píng)估管理系統(tǒng)的建設(shè)選用工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議Modbus。該系統(tǒng)平臺(tái)的建設(shè)選用的是Modbus在以太網(wǎng)上傳輸?shù)陌姹綧odbus TCP。通信由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起，請(qǐng)求信息中包含傳感器的定位信息IP和Address ID，子節(jié)點(diǎn)獲取定位信息之后將對(duì)應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)響應(yīng)給主節(jié)點(diǎn)完成通信。

智能化評(píng)估管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)(如電子海圖數(shù)據(jù)庫(kù)、船舶資料數(shù)據(jù)庫(kù)等)包含共享程度最高的數(shù)據(jù)，是所有應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這類數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)要求有完整性校驗(yàn)，主要分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)2類，其中：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(Oracle或MySQL數(shù)據(jù)庫(kù))存儲(chǔ)方式(見(jiàn)圖5)，中間數(shù)據(jù)庫(kù)的交互見(jiàn)圖6；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用文件存儲(chǔ)方式(FastDFS)[6]。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方式

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集機(jī)制、數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線和數(shù)據(jù)采集核心流程等3方面內(nèi)容。

1)數(shù)據(jù)采集機(jī)制包括實(shí)時(shí)機(jī)制、定時(shí)機(jī)制、單向機(jī)制和雙向機(jī)制；

2)數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線包括socket方式、FTP文件交換、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)交換和Modbus方式；

3)數(shù)據(jù)采集核心流程包括數(shù)據(jù)校驗(yàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)比對(duì)。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)集成方式見(jiàn)圖7。

圖6 中間數(shù)據(jù)庫(kù)交互

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)集成方式

4 結(jié) 語(yǔ)

海船船員模擬駕駛智能化評(píng)估管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)航海模擬器的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，建立自動(dòng)評(píng)判模型，采用TCP/IP和Modbus網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸，目前已完成理論搭建工作和數(shù)據(jù)建模分析工作。待項(xiàng)目完成之后，需導(dǎo)入實(shí)際測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期驗(yàn)證分析并對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。屆時(shí)評(píng)估員只需在控制臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控評(píng)估，即可實(shí)現(xiàn)船員考試端無(wú)人監(jiān)考的模式，提高評(píng)估員的工作效率。最終給出學(xué)員加權(quán)綜合成績(jī)，降低評(píng)估員評(píng)估的主觀性，既保證評(píng)估結(jié)果的公正性，又提高評(píng)估的效率和質(zhì)量。