标准化的驾驶台资源管理实操自动评估题卡的制作方法与流程

本发明属于船员适任能力自动培训评估领域，特别涉及一种标准化的驾驶台资源管理实操自动评估题卡的制作方法；

背景技术：

船员适任能力培训评估是对船员业务能力素质的一种认可评估方式，驾驶台资源管理评估作为船员适任能力评估的科目之一，其训练评估题卡设置的标准化和自动化一直以来都属于船员培训领域的研究重点和研究前沿；

目前驾驶台资源管理实操评估是在航海模拟器人工设置的训练环境中进行的，现阶段评估题卡的设置采用了纸质题卡手动转化的方式；在具体船员评估考试的操作中，评估教练员须依据纸质题卡的要求不断修改模拟目标船的状态参数和模拟主本船所处的环境要素，船员成绩极易受评估教练员个人经验和主观判断的影响，题卡变动随意性大且须耗费教练员的大量体力精力，造成船员评估标准的差异，无法实现评估标准的统一；现阶段船员适任能力评估自动化的相关研究主要是集中在划分好的评估阶段的评估模型的建立，并没有有效解决各评估阶段的相互衔接与耦合，不能很好地应用于具体实践；

航海模拟器训练评估经数年发展，已产生了诸多优秀的评估理论成果；大部分理论成果现阶段还不能诉诸实践，一方面是因为大部分评估方法采用先进理论，算法复杂，很难通过人工评估的方式应用于实践，另一方面，理论算法与实践应用之间还存在一段距离，理论成果产业化进程缓慢；须通过计算机自动评估整合理论评估的复杂算法，在理论研究与实践应用上架起一座桥梁；

技术实现要素：

为解决现阶段驾驶台资源管理评估题卡设置过程中评估标准不一、情景设置随意、控制台教练员意外干预的问题，本发明设计了一种标准化的驾驶台资源管理实操自动评估题卡的制作方法；本发明在船员培训评估过程中可自动修改模拟目标船的状态参数和模拟主本船所处的水域环境要素：

本发明包括以下步骤：

1)题卡制作准备，包括：明确题卡的适用对象是船长、大副、二副还是三副，不同职位的船员业务能力不同，其考核标准和评判依据也不同；依据海船船员培训评估大纲的要求,在驾驶台资源管理科目上船长需要掌握全面的技能知识；

2)制定考核任务：参照培训评估大纲制定题卡的考核任务，进行考核；如：训练对象是无限航区船长大副，可选择中国沿海范围作为训练水域；上海地区的评估可选择长江口锚地起锚经长江北槽深水航道航行到外高桥靠泊的船舶作业任务；

3)阶段划分：依据考核任务在电子海图上进行评估阶段划分，确定评估阶段划分数目，各阶段的时间和空间范围；船长大副作为甲板部管理级船员，现有的驾驶台资源管理评估大纲对其制定的考核项目主要是在船舶操纵技能运用与避碰规则理解的基础上对船舶资源的有效协调与综合运用，特别是突发事件的应急操作；将长江口北槽深水航道到外高桥的航段依据空间范围划分，将锚地区域作为起锚操作区，航道区域作为航行阶段区，交通流密集区域作为避碰阶段区，选择航道区域的一部分通过在航海模拟器上设置雾的浓度来改变训练主本船的能见度，该航道区域作为能见度不良阶段，选择航道区域的一个范围在航海模拟器上设置训练主本船的偶发及应急事件，该航道区域可作为偶发事件应急操作阶段，偶发及应急事件常见设置包括但不限于：主机失灵、舵机故障、罗经故障、船舶火灾、船舶溢油、人员落水，训练主本船航行到外高桥港口泊位附近时需要进行靠泊操作，该区域可划分为靠泊操作阶段，训练主本船在整个的航行任务中，考虑到驾驶台班组人员都须与交管中心(VTS)和其他目标船发生通信交流，可将整个区域划分为船舶通信阶段；

若划分完成进入下一步，未划分完成重新返回上一步；

4)建立评估模型：针对划分好的各阶段进行进一步的细化，确定各个阶段的评估模块、评估指标体系、评估模型方法、编写目标船状态修改函数和航行环境设置参数；若各阶段是以空间范围进行划分的，以能见度不良阶段为例，当训练主本船经纬度属于能见度不良的空间范围时会触发雾浓度设置函数，训练主本船刚进入能见度不良范围时雾浓度设置函数增调雾浓度，训练主本船驶出能见度不良范围时雾浓度函数消解雾浓度将能见度恢复正常，雾浓度函数依据训练主本船与能见度阶段的空间范围之间的相对位置修改雾的浓度；评估训练主本船在雾航阶段的操作情况的影响因素分为主观因素和客观因素，其中：号灯号型设置、汽笛开关设置、船舶与航道边距、船位与计划航线的偏移距离及船舶航向的把定时间，这些属于客观影响因素，可利用操作值与标准值比对的方法判断其优劣，而船员操纵表现和瞭望通信的时效性属于主观影响因素，需要运用模糊评估法进行评判；雾航阶段的最终操作结果需要汇总客观影响因素和主观影响因素的评估结果，如下式所示

其中，客观影响因素的权重(obWeigh)和主观影响因素的权重(subWeigh)依据经验法和专家调查法确定，确定了m个客观影响因素和n个主观影响因素，obWeight(i)表示第i个客观影响因素的权重，subWeigh(j)表示第j个主观影响因素的权重；obResult(i)和subResult(j)分别表示对应的第i个客观影响因素的评价结果和第j个主观影响因素的评价结果；i∈[1，m]，j∈[1，n]；

5)汇总整理划分好的六个阶段的评估结果，依据实践经验法和专家调查法确定每个阶段的评估结果在整个评估中所占的比重即权重，保证权重的归一化处理，如下式所示

其中，

6)依据求出最终的评估结果，其中R(i)表示第i阶段的评估结果，Weigh(i)表示第i阶段的权重；

7)题卡保存；

8)题卡制作结束；

在第三步和第四步之间设置:阶段修改进行微调，如模式修改、范围修改、权重修改；

若修改完成进入下一步，若未修改完成返回上一步；

设置好的评估题卡在航海模拟器的教练员控制台单元完成加载，用于船员培训评估；

设置好的评估题卡可在航海模拟器的教练员控制台单元中反复加载，多次重复地应用于船员培训评估；

有益效果：本发明中所述的航海模拟器并不局限于某一设备厂商研发的航海模拟器，本题卡的设置具有通用性，设置好的题卡可用于符合IMO相关标准规范的航海模拟器；本发明设置的题卡可方便地用于航海模拟器操纵、避碰与驾驶台资源管理的培训评估；

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为制作题卡过程中依据时间和空间范围进行阶段划分的逻辑关系图；

图3为能见度不良雾航行驶阶段的场景的自动化生成；

图4为雾航阶段和避碰阶段可能存在的交集区域；

图5为使用题卡进行船员评估的一般流程；

图6为一种操作值与标准值比对的评估方法的函数曲线；

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合附图和实例作进一步的详细描述；

本题卡设置的关键是参照培训评估大纲，将完整的训练考试流程分为起抛锚操作、能见度不良、船舶通信、船舶避碰、偶发事件及应急、靠离泊操作六个船舶作业阶段，对每个阶段分别完成时间/空间范围划分、模式识别、情景生成函数编写、评价指标体系建立、阶段权重设置操作；针对每个评价指标，提出了一种利用实际操作值和理想值进行比对的评价方法，给出了评价指标的合理操作值区间；本题卡最终的评估操作是在汇总各阶段模块的基础上，利用各阶段模块的权重建立评价函数关系，给出评价结果值；

如图1所示题卡的制作流程，在阶段划分过程中利用划分完成与否条件判断确定题卡制作流程是否进入阶段修改流程；明确了6个船舶作业阶段，需要对6个阶段进行一一划分，第i个阶段划分完成以后的下个阶段划分用i++表示，i的取值范围是[1,6]；同理，第j个阶段修改完成以后的下个阶段的修改用j++表示，由于划分好的6个阶段并非都需要进行修改，j的取值范围是[0,6]；

1)题卡制作准备：在开始制作评估题卡时需要进行相应的准备工作，包括：明确题卡的适用对象是船长、大副、二副还是三副，不同职位的船员业务能力不同，其考核标准和评判依据也不同；依据海船船员培训评估大纲的要求,在驾驶台资源管理科目上船长需要掌握全面的技能知识；

2)制定考核任务：准备工作完成以后就需要制定题卡的考核任务，以题卡的适用对象是船长为例，航行任务是驾驶值班团队在船长领导下，操纵船舶从锚地起锚进港口直至靠泊过程，或操纵船舶离泊驶出港口直至抛锚的过程；在船舶操纵过程中，驾驶值班团队需要完成航线计划制定、起抛锚、航道正常行驶、能见度不良操作、船舶避碰与通信、应急事件处置、靠离泊操作；

3)阶段划分：明确好航行任务以后，可以将整个船舶操纵过程划分为6个阶段(起抛锚操作、能见度不良、船舶通信、船舶避碰、偶发事件及应急、靠离泊操作)，需要对每个阶段进行单独的设置和划分；训练和评估开始之前，要根据培训学员的在船职责进行分组；保证一组学员的职务均衡分配，按照职位晋升需要，受训学员可以担任船长、大副、二副、三副角色职务；训练过程中根据不同职务需完成不同的职责，保证每位学员能够得到充分训练，同时又能兼顾不同职位学员团队合作；训练评估的题卡设置以船长/大副为同一题卡，根据STCW公约及中国海船船员培训条例做出适当调整；二副/三副为同一题卡，同时根据STCW及中国海船船员培训条例做出适当调整；以船舶应急事件处置阶段为例，首先需要确定评价应急事件处置合理与否的影响因素指标体系，每个影响因素需要设置恰当的权重，进而构建评价模型；然后需要对应急事件处置阶段进行范围划分，可以是时间范围或空间范围的划分，以确定船舶航行到某一时间段或空间段时模拟主本船是否会发生主机故障、舵机故障、溢油、人员落水、火灾突发性状况；接下来需要确定值班团队处理该应急事中表现出来的业务能力在整体的6个阶段中所占的比重，用阶段权重表示；

4)阶段修改：以此类推，6个阶段划分完成以后可能需要对划分完成的6个阶段进行细致地一一修改；具体的修改包括：模式修改、范围修改和权重修改；

5)修改完成以后，需要对6个阶段的权重进行归一化操作，常用的归一化处理如下式所示

其中

weigh(i)表示第i个阶段的权重，weigh’(i)表示归一化后的第i个阶段的权重，其中i是[1,6]范围内的整数；

6)确定无误后，接下来就是保存操作；

7)将题卡保存好以后，题卡制作也随即完成；

题卡的制作思想：制作自动化评估题卡的核心是各阶段的划分，如图2所示过程划分内部逻辑的坐标化；可以选择模拟船舶位置坐标或时间进度控制题卡进程，参照海图经纬度和模拟船舶的速度合理地进行阶段范围的划分是自动化题卡制作的关键；

如图2所示，依据空间范围将训练主本船的整个训练任务在第一层次划分为起锚、航行、靠泊三个阶段，以航行阶段为例在第二个层次将其划分为能见度不良、船舶通行、船舶避让、船舶应急(偶发事件应急)四个阶段；

训练过程情景的设置：评估题卡自动化的最大体现是在船舶航行过程中减少控制台教练员的干预，如图3所示，以能见度不良的雾航阶段为例，说明训练情景自动生成的设置；选择空间位置作为进展标度，模拟主本船是OS1，模拟目标船是TS，OS1驶到A点时进入雾航阶段，OS1驶到B点时将要离开雾航阶段，OS1从A点航行到B点的过程中就处于雾航阶段；因此需要编写合理的雾浓度控制函数，当OS1位于A点时开始起雾，当OS1位于B点时雾浓度变淡，在A点到B点之间模拟主本船OS1经历了雾浓度由淡到浓再到淡的过程；同时为了保证一定的交通密度，可编写合理的目标船舶状态修改函数，使模拟主本船OS1在AB段航行时航行的模拟目标船TS保持在一定的数量；假设训练主本船在能见度不良阶段范围内遭遇的模拟目标船数量是n，训练主本船的目视能见距是d,训练主本船当前雷达的观测量程是dr,训练主本船当前电子海图的观测量程是de,计算d、dr和de三者中的最大值maxD(d，dr，de)，OS1在进入能见度不良阶段区间时，初始化的n条目标船Ts(n)依据当前航向和速度开始运动，随着OS1和AB的相对运动，OS1和AB在能见度不良阶段空间区间内会发生位置变化；在训练主本船的位置仍然属于该空间范围内时，若第i条目标船Ts(i)驶离该空间范围，就要对Ts(i)的位置进行重新设定，目标船的相对船位：

Pos_Ts(i)＝(maxD*cosf(θ)，maxD*sinf(θ))

其中θ表示目标船Ts(i)与训练主本船的相对方位角，θ的取值范围是[0，2*PI)，可利用随机函数求得θ＝2*PI*rand()，rnad()是随机数产生函数，其值域是[0，1]；考虑到坐标变换，若训练主本船OS1在海图上的绝对位置是Pos_OS1＝(x，y)，则需要重新设定的第i条目标船的位置是

Pos_Ts(i)＝(x，y)+(maxD*cosf(θ)，maxD*sinf(θ))，

x是船位横坐标取值，y是船位纵坐标取值，(x，y)常取经、纬度值；

由于空间范围的不同，每个阶段的目标船数量n、主本船的可视距离d、雷达的观测量程dr、电子海图的观测量程de会发生变化，因此目标船的位置Pos_Ts可按下式求的，Pos_Ts＝(Pos_Ts(1)，Pos_Ts(2)，......，Pos_Ts(n))；

各阶段范围的交集区域：各阶段范围的合理划分影响着自动评估题卡的设置，在划分范围的过程中，某个阶段很可能与其他阶段存在交集区域，需要根据题卡的适用对象及评估大纲要求采取合理的权重系数设置交集区域内的情景模式；

如图4所示，雾航阶段和避碰阶段存在阴影部分交集区域，如果评估对象是大副船长，依据现有的海船船员培训评估大纲的要求，值班训练团队需要进行能见度不良情况下号灯、号型的开启操作和与目标船的沟通协调操作以及将主本船控制在合理的速度范围内的操作，这些操作的主要目的是为了保证训练主本船的安全航行，与避碰阶段的训练目的一致；因此，阴影区域的初始化设置按照下式

Initia＝Weigh(fog)*Initia(fog)+Weigh(anti)*Initia(anti)

进行；其中，Initia(fog)、Intia(anti)分别代表雾航阶段和避碰阶段的初始化设置，Weigh(fog)、Weigh(anti)分别代表在图4所示交集区域范围内雾航阶段和避碰阶段的权重系数；Weigh(fog)＜Weigh(anti)表示模拟主本船OS1航行到图4所示的交集区域时需要同时采取雾航操作和避碰操作，但是以避碰操作为主；

使用题卡评估的流程：制作好的评估题卡可用于船员适任能力评估，如图5所示，本发明题卡用于船员适任能力自动评估的流程；评估开始后，首先需要加载提前设计好的题卡，驾驶值班团队操纵模拟主本船开始航行任务，模拟主本船依次进行起锚阶段、能见度不良阶段、船舶通信阶段、船舶避碰阶段、偶发事件应急阶段和靠泊操作阶段，在每个阶段范围内完成对应的操作后得到对应的评价操作行为的成绩R(i)，按照每个阶段评估权重Weigh(i)的大小汇总得到最终的评估结果；如下的计算公式所示

其中，FinalR表示总成绩，R(i)表示阶段i得到的评估成绩，Weigh(i)表示阶段i对应的权重；接下来是对成绩的文档操作，常规的文档操作包括成绩的保存、打印以及筛选；对最终的评估成绩完成好文档操作之后，评估过程也随之结束；

评估模型方法的使用：评估最终成绩的获得依赖于每个划分好的过程阶段的评估，每个过程阶段可采取不同的评估模型，合理的评估模型可以得出理想的评估值；

如图6所示，本发明给出的一种将实际操作结果与理想操作结果比对的评估方法，实际操作结果接近于理想操作结果(标准值)时，评估结果趋向于100％；实际操作结果在最低要求操作结果(及格值)和理想操作结果(标准值)之间时，评估结果在60％～100％之间；以能见度不良航行阶段的船舶速度影响因素为例，模拟主本船速度太快会降低驾驶值班团队的反应时间可能使船舶处于紧迫局面，模拟主本船速度太慢可能会导致船舶处于被动局面从而影响船舶安全，速度太快太慢都不合适，船速需要控制在合理的范围内；若取Vs作为模拟主本船在能见度不良航行阶段的理想速度，Va1和Va2作为模拟主本船在能见度不良航行阶段可接受的最低速度和最高速度；为了保证安全，模拟主本船在能见度不良阶段航行时，驾驶值班团队需要把船速控制在Va1和Va2范围内；同时，Vs、Va1、Va2的具体值并不是明确规定的，需要根据船舶操纵性、航道自然情况、交通密度以及能见度大小等实际情况具体确定；而船速与评价值的函数关系以及船速评价值在整个能见度不良阶段操作的评价值中的权重，可通过专家调查法、经验法等多种方法来确定。