基于網(wǎng)絡(luò)云的船舶機(jī)艙多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)

徐飛翔 盧佳音 林葉錦 石澤宇 趙思博

1(大連海事大學(xué) 遼寧 大連 116026)

2(大連海智科技有限公司 遼寧 大連 116026)

0 引 言

《STCW公約馬尼拉修正案履約指南》做出了公約附則條款的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn),從機(jī)艙輪機(jī)員與管理工作方面,對(duì)工作計(jì)劃、人員協(xié)調(diào)、時(shí)間、順序安排上有了嚴(yán)格要求,并要求通過(guò)輪機(jī)部門(mén)多人協(xié)作實(shí)操,完成有效的機(jī)艙資源管理[1]。然而,用傳統(tǒng)的輪機(jī)模擬器培訓(xùn)時(shí),具有訓(xùn)練模式單一,訓(xùn)練受到時(shí)間、區(qū)域限制,訓(xùn)練者缺乏情景意識(shí)和不能以團(tuán)隊(duì)協(xié)作方式訓(xùn)練等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[2]開(kāi)發(fā)了基于幀同步網(wǎng)絡(luò)模型的多人協(xié)作輪機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)室,可進(jìn)行多人異地協(xié)同操作,主要基于MIMIC屏和控制箱完成系統(tǒng)的訓(xùn)練操作,系統(tǒng)缺乏三維動(dòng)態(tài)模擬效果。文獻(xiàn)[3]依據(jù)船舶舵機(jī)原理建立了舵機(jī)數(shù)學(xué)邏輯模型,并將其融入到三維仿真系統(tǒng)中,且實(shí)現(xiàn)了虛擬舵機(jī)室中舵機(jī)的交互操作,訓(xùn)練操作場(chǎng)景只包括舵機(jī)室。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要為了拓寬虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同船型的不同艙室中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]為滿足機(jī)艙資源管理評(píng)估的特殊需求,提出了基于駕機(jī)聯(lián)動(dòng)的任務(wù)型協(xié)作訓(xùn)練模式和基于遺傳算法優(yōu)化的機(jī)艙協(xié)作智能評(píng)估方法。建立不同需求下的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),采用熵權(quán)法和歷史評(píng)估數(shù)據(jù)調(diào)整指標(biāo)的權(quán)重,經(jīng)多重模糊綜合評(píng)判得出結(jié)果。最后讓高級(jí)輪機(jī)員在局域網(wǎng)環(huán)境下,使用該系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練效果驗(yàn)證。文獻(xiàn)[5]針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)艙訓(xùn)練評(píng)估方法不能反映團(tuán)隊(duì)內(nèi)部協(xié)作性問(wèn)題,結(jié)合了基于層次分析法的模糊綜合評(píng)價(jià)方法和Dice、Tversky集合相似度系數(shù),對(duì)團(tuán)隊(duì)任務(wù)完成度和協(xié)作能力進(jìn)行評(píng)估,這種協(xié)作式評(píng)估方法可以體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作性存在的細(xì)節(jié)問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]開(kāi)發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)了第一人稱視角漫游及基本的模擬操作。系統(tǒng)中僅有主機(jī)虛擬模型,不利于訓(xùn)練者的機(jī)艙情景意識(shí)的形成和實(shí)踐技能的提升。文獻(xiàn)[7]通過(guò)德?tīng)柗品ǖ玫皆u(píng)判的最初云滴,利用逆向云發(fā)生器生成原始評(píng)價(jià)權(quán)重云,然后構(gòu)建評(píng)價(jià)云矩陣,并進(jìn)一步計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的云權(quán)重。最后通過(guò)三個(gè)相關(guān)示例驗(yàn)證了云模型理論引入模糊綜合評(píng)價(jià)方法中的有效性。

機(jī)艙輪機(jī)管理工作中實(shí)踐技能和團(tuán)隊(duì)合作是重要部分。輪機(jī)操作和突發(fā)事件的處理體現(xiàn)了高級(jí)輪機(jī)員的反應(yīng)能力,但這種能力并不是與生俱來(lái)的,而更多的是通過(guò)后天學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的結(jié)果。機(jī)艙操作任務(wù)具有種類(lèi)多元、步驟復(fù)雜、模式分化的特點(diǎn),航海類(lèi)學(xué)生使用傳統(tǒng)培訓(xùn)方式接受任務(wù)實(shí)操訓(xùn)練受到時(shí)間、空間和教學(xué)成本的限制[8],而在協(xié)作虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬操作,可有效培養(yǎng)航海類(lèi)學(xué)生機(jī)艙情景意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí),提升學(xué)生對(duì)突發(fā)緊急事件的應(yīng)對(duì)處理能力。為此本文開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)云的船舶機(jī)艙多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)云為輪機(jī)全任務(wù)多角色協(xié)作培訓(xùn)提出了一條新途徑。在云訓(xùn)練模式下,每個(gè)用戶經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)庫(kù)上傳虛擬交互數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖形處理任務(wù)后,將運(yùn)算后的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶,即完成多人協(xié)作虛擬操作任務(wù)。最后系統(tǒng)采用基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)估方法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)估考核,并顯示評(píng)估指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)值。

1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

綜合運(yùn)用虛擬仿真技術(shù),以VLCC油輪為虛擬對(duì)象構(gòu)建高逼真度的虛擬機(jī)艙場(chǎng)景,多名訓(xùn)練者可同時(shí)在共享協(xié)作虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行輪機(jī)任務(wù)協(xié)作訓(xùn)練,在故障、安全事件模擬情景中提升故障診斷和應(yīng)變處理能力,這對(duì)于解決在機(jī)艙中由于人為誤操作引起的安全事故,突發(fā)緊急重大事故不可重現(xiàn)、不可逆,拓展輪機(jī)理論知識(shí)深度與廣度,提高機(jī)艙高危事件教學(xué)效果,鍛煉航海類(lèi)學(xué)生實(shí)操和應(yīng)急能力等意義重大[3]。基于網(wǎng)絡(luò)云的船舶機(jī)艙多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 船舶機(jī)艙多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

(1) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層用于存放和管理仿真系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù),并完成數(shù)據(jù)的運(yùn)行處理,是系統(tǒng)的靈魂部分。主要包括三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)景動(dòng)態(tài)優(yōu)化、程序腳本、數(shù)學(xué)邏輯模型、知識(shí)庫(kù)、評(píng)估任務(wù)庫(kù)、評(píng)估情景庫(kù)。

(2) 運(yùn)行層。運(yùn)行層主要包括場(chǎng)景動(dòng)態(tài)渲染、第一人稱視角漫游、訓(xùn)練過(guò)程記錄、多角色協(xié)作訓(xùn)練、智能評(píng)估考核、顯示考核指標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),訓(xùn)練者通過(guò)程序接口從數(shù)據(jù)層中讀取和往數(shù)據(jù)層中寫(xiě)入訓(xùn)練過(guò)程記錄數(shù)據(jù)、多角色協(xié)作訓(xùn)練數(shù)據(jù)、智能評(píng)估數(shù)據(jù)和考核指標(biāo)數(shù)據(jù),這部分?jǐn)?shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入功能由運(yùn)行層完成。

(3) 虛擬仿真層。虛擬仿真層主要包括機(jī)艙火災(zāi)、機(jī)艙漏水、聲光模擬、CO2滅火系統(tǒng)、水霧噴淋、設(shè)備故障。虛擬仿真層為訓(xùn)練者提供了多種高擬真度的機(jī)艙重大故障現(xiàn)象情境,訓(xùn)練者可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)、實(shí)操練習(xí)和綜合測(cè)試。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維視景設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三維視景設(shè)計(jì)信息流程如圖2所示。首先創(chuàng)建高精度的模型,渲染烘焙所需貼圖,用于讓模型呈現(xiàn)更貼近實(shí)物的細(xì)節(jié)。制作火災(zāi)、細(xì)水霧噴淋、漏水等特效模擬機(jī)艙突發(fā)緊急情景。分析輪機(jī)設(shè)備工作原理,利用Maya制作其工作動(dòng)畫(huà)。編寫(xiě)腳本實(shí)現(xiàn)虛擬交互體的動(dòng)作或顯示功能。虛擬場(chǎng)景效果如圖3所示。

圖3 虛擬場(chǎng)景效果

(1) 場(chǎng)景搭建與視景優(yōu)化。本文用3ds MAX創(chuàng)建機(jī)艙結(jié)構(gòu)、設(shè)備高精度模型,采用紋理映射、UV展開(kāi)貼圖、環(huán)境光遮蔽(AO)等方式渲染烘焙輸出材質(zhì)貼圖,用于提高模型表面細(xì)節(jié)和增強(qiáng)光影效果,從而增強(qiáng)沉浸感。使用細(xì)節(jié)層次控制技術(shù)(LOD),根據(jù)虛擬人物與模型距離和人物視角信息決定使用不同精度細(xì)節(jié)模型[9]。采用Drawcall優(yōu)化算法,同類(lèi)對(duì)象附貼同一種材質(zhì),通過(guò)批處理技術(shù)減少所渲染物體的材質(zhì)種類(lèi)。通過(guò)視景優(yōu)化提升系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度。

(2) 機(jī)艙緊急情景及故障情景的實(shí)現(xiàn)。機(jī)艙緊急情景被開(kāi)發(fā)出來(lái)。借助Unity3D自帶粒子系統(tǒng),進(jìn)行機(jī)艙漏水、火災(zāi)、細(xì)水霧噴淋效果的動(dòng)態(tài)模擬。火災(zāi)位置在發(fā)電柴油機(jī)、主機(jī)、分油機(jī)、焚燒爐、輔鍋爐等設(shè)備處,火災(zāi)場(chǎng)景包括了起火、火勢(shì)蔓延、轟然、持續(xù)燃燒及逐漸熄滅等階段,通過(guò)故障設(shè)置后,機(jī)艙中模擬發(fā)生火災(zāi)[10]。同時(shí)動(dòng)態(tài)模擬了細(xì)水霧噴淋場(chǎng)景,細(xì)水霧噴淋過(guò)程包括噴頭噴水、噴頭水霧化、霧化水吸熱及冷卻滅火[11]。在細(xì)水霧噴淋持續(xù)滅火作用下,火勢(shì)逐漸減小直到火熄滅。通過(guò)漏水故障設(shè)置,機(jī)艙固定位置出現(xiàn)室內(nèi)漏水現(xiàn)象,且水位逐漸升高。在虛擬場(chǎng)景中模擬緊急情景是理論知識(shí)的深入拓展,以這種形式代替展示實(shí)船中不可模仿的場(chǎng)景,幫助沒(méi)有實(shí)船經(jīng)驗(yàn)的航海類(lèi)學(xué)生“零距離”學(xué)習(xí)機(jī)艙火災(zāi)、漏水、細(xì)水霧噴淋滅火,提升學(xué)生緊急事故的情景意識(shí)和對(duì)突發(fā)安全事件應(yīng)急處理能力。

(3) UI交互界面設(shè)計(jì)。虛擬機(jī)艙是一個(gè)整體的虛擬場(chǎng)景,又以分布式場(chǎng)景進(jìn)行布局。本文利用UGUI圖形用戶界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主菜單,如圖4所示。系統(tǒng)運(yùn)行后,通過(guò)選擇不同的分場(chǎng)景,系統(tǒng)加載選擇的場(chǎng)景模型,人物視角切換到指定場(chǎng)景中,實(shí)現(xiàn)不同艙室場(chǎng)景之間的快速切換。

圖4 系統(tǒng)主菜單界面

機(jī)艙操作流程復(fù)雜,交互對(duì)象數(shù)量龐大且外形相似,對(duì)航海類(lèi)學(xué)生或經(jīng)驗(yàn)不足的培訓(xùn)人員來(lái)說(shuō),訓(xùn)練時(shí)不好區(qū)分要操作的交互對(duì)象,為此本文利用UGUI圖形技術(shù)設(shè)計(jì)了HUD系統(tǒng)以提供良好輔助操縱體驗(yàn)。根據(jù)機(jī)艙設(shè)備詳細(xì)技術(shù)數(shù)據(jù),HUD中配置相應(yīng)的信息,滿足培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)和使用需求。HUD系統(tǒng)的框架如圖5所示,包括數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、人機(jī)交互模塊。經(jīng)數(shù)理模型計(jì)算后返回的數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)處理模塊,當(dāng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算后,被分發(fā)到顯示模塊。顯示模塊是一個(gè)UI矩形界面,用于顯示HUD、設(shè)備技術(shù)參數(shù)及交互對(duì)象信息。人機(jī)交互模塊可以提供不同視角的UI界面,當(dāng)沒(méi)有被激活時(shí),UI界面處于隱藏狀態(tài)。當(dāng)交互點(diǎn)被檢測(cè)到交互后,顯示交互點(diǎn)詳細(xì)數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)參數(shù)。HUD顯示器效果如圖6所示。

圖6 HUD顯示器效果圖

(4) 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。針對(duì)機(jī)艙設(shè)備的繁瑣復(fù)雜動(dòng)作過(guò)程,難以使用常規(guī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn),可以通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)的方式直觀地展示出來(lái)。首先使用Maya軟件創(chuàng)建設(shè)備模型,分析設(shè)備運(yùn)動(dòng)原理后,制作動(dòng)畫(huà)的關(guān)鍵幀,指定對(duì)象在特定時(shí)間內(nèi)的屬性值[12],從而完成設(shè)備連續(xù)動(dòng)作動(dòng)畫(huà)的制作。然后通過(guò)程序腳本控制動(dòng)畫(huà),模擬設(shè)備在不同工況下的工作過(guò)程。采用三維動(dòng)畫(huà)方式展示工作過(guò)程的設(shè)備主要有船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)、速閉閥、液壓泵等。動(dòng)畫(huà)模擬方式可以展示工作過(guò)程和細(xì)節(jié),把枯燥的理論知識(shí)生動(dòng)地展示出來(lái),能夠有效地輔助航海類(lèi)學(xué)生對(duì)設(shè)備工作原理和不同工況下設(shè)備狀態(tài)特點(diǎn)的深入理解,使學(xué)生牢牢地掌握輪機(jī)原理知識(shí)。

(5) 人機(jī)交互技術(shù)。虛擬機(jī)艙交互點(diǎn)數(shù)量龐大,為方便管理和節(jié)約系統(tǒng)開(kāi)發(fā)資源和成本。首先對(duì)模型功能需求進(jìn)行分析,把相同屬性、相同功能的模型劃分為一類(lèi)。再為不同模型行為功能設(shè)計(jì)各自的行為模型,并用C#語(yǔ)言編寫(xiě)腳本生成通用組件行為模型,實(shí)現(xiàn)模型行為的控制。根據(jù)實(shí)體模型屬性選擇對(duì)應(yīng)的組件行為模型,并配置不同參數(shù)。當(dāng)虛擬角色通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備交互操作調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)后,實(shí)體模型配置的組件行為模塊會(huì)接收來(lái)自數(shù)理模型的變量數(shù)據(jù),通過(guò)調(diào)用行為模型中執(zhí)行函數(shù)來(lái)控制實(shí)體模型的相關(guān)動(dòng)作[13]。

2.2 虛擬人技術(shù)

虛擬人物功能的實(shí)現(xiàn)包括虛擬人物模型的搭建和行為動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。其主要分為角色模型的建立、人體骨架的搭建、蒙皮綁定、貼圖渲染、動(dòng)畫(huà)制作和動(dòng)作控制幾個(gè)主要部分。選用3ds MAX軟件建立場(chǎng)景中虛擬角色模型。創(chuàng)建虛擬角色網(wǎng)絡(luò)模型和骨骼模型,并將蒙皮和骨骼綁定,完成人物模型構(gòu)建后[12],通過(guò)控制骨骼關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛擬人動(dòng)作動(dòng)畫(huà)顯示。本文采用反動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)人物關(guān)節(jié)進(jìn)行仿真,以提高對(duì)虛擬人物的更高精度的模擬操作。連接著的骨骼關(guān)節(jié)間夾角為θ,末端骨骼節(jié)點(diǎn)位置為X,關(guān)系式如下：

θ=f-1(X)

(1)

當(dāng)操作虛擬人物時(shí),在反向動(dòng)力學(xué)技術(shù)作用下,通過(guò)IK求解器實(shí)現(xiàn)模擬控制虛擬人物的行為動(dòng)作,然后IK求解器通過(guò)改變IK控制柄位置的旋轉(zhuǎn)和平移來(lái)實(shí)現(xiàn)IK鏈中對(duì)應(yīng)骨骼關(guān)節(jié)的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn),其中IK控制柄是指骨骼起始關(guān)節(jié)點(diǎn)和末關(guān)節(jié)點(diǎn)的向量。

圖7為人物動(dòng)作過(guò)程的IK控制柄求解流程,圖7(a)為初始動(dòng)作時(shí)骨骼狀態(tài),當(dāng)子骨骼BC發(fā)生旋轉(zhuǎn),控制柄向量變?yōu)锳D,圖7(b)為動(dòng)作更新后的骨骼狀態(tài),β表示控制柄向量AC轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,求解如下：

(a) (b) (c)圖7 IK控制柄求解流程

cosβ=AC·AD/(|AC|×|AD|)

(2)

當(dāng)AB父骨骼最后朝反方向旋轉(zhuǎn)β角度后,子骨骼跟隨著一起動(dòng)作,AC向量和AD向量重合,圖7(c)為更新后的骨骼狀態(tài)。基于反向動(dòng)力學(xué),部分虛擬人動(dòng)作效果如圖8所示。

圖8 虛擬人動(dòng)作

3 通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)云多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)通信架構(gòu)如圖9所示,系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、知識(shí)庫(kù)服務(wù)器、情景庫(kù)服務(wù)器等為中心,以太網(wǎng)作為關(guān)聯(lián)橋梁,通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)多用戶聯(lián)動(dòng)。仿真系統(tǒng)中包含有知識(shí)庫(kù)、評(píng)估情景庫(kù)和評(píng)估任務(wù)庫(kù)。針對(duì)評(píng)估任務(wù)內(nèi)容,評(píng)估任務(wù)庫(kù)中提前內(nèi)嵌狀態(tài)參數(shù)文件。當(dāng)訓(xùn)練者選擇訓(xùn)練或評(píng)估任務(wù)后,系統(tǒng)自動(dòng)加載預(yù)嵌入的相關(guān)系統(tǒng)參數(shù),訓(xùn)練者在此基礎(chǔ)上完成訓(xùn)練或考核任務(wù)即可。訓(xùn)練或者評(píng)估具有單一或多人協(xié)作兩種模式,多人協(xié)作模式模仿遠(yuǎn)洋船舶四名輪機(jī)員協(xié)作完成實(shí)際操作的方式。基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞方式進(jìn)行多人協(xié)作評(píng)估時(shí),PC1、PC2、PC3和PC4四名學(xué)員實(shí)際操作數(shù)據(jù)均通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器,經(jīng)過(guò)服務(wù)器運(yùn)算后的數(shù)據(jù)反饋給四位學(xué)員仿真系統(tǒng)中,使四名學(xué)員虛擬場(chǎng)景中各操作狀態(tài)保持一致,共同完成評(píng)估任務(wù)。

圖9 網(wǎng)絡(luò)云多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)通信架構(gòu)

4 多人協(xié)同操作考評(píng)系統(tǒng)

4.1 多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估原理

如圖10所示,基于網(wǎng)絡(luò)云的多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)流程步驟如下：運(yùn)行系統(tǒng)并初始化,然后選擇一個(gè)虛擬角色登入系統(tǒng),系統(tǒng)判斷用戶是否載入系統(tǒng),是則登入系統(tǒng),可以進(jìn)行下一項(xiàng)工作,否則中止考評(píng);然后選擇具體的考評(píng)任務(wù)進(jìn)行虛擬操作;其他協(xié)同操作人員發(fā)出加入系統(tǒng)請(qǐng)求,被允許進(jìn)入系統(tǒng)后,多人在同一系統(tǒng)中協(xié)同完成操作。選擇完具體考評(píng)任務(wù)后,系統(tǒng)根據(jù)考評(píng)項(xiàng)目?jī)?nèi)容自動(dòng)加載預(yù)制狀態(tài)參數(shù);用戶按照角色職責(zé)做與角色匹配的項(xiàng)目操作,在完成了考評(píng)項(xiàng)目后,按結(jié)束考評(píng)按鈕,用戶在虛擬場(chǎng)景中虛擬訓(xùn)練結(jié)果會(huì)記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)考評(píng)模型根據(jù)實(shí)操后獲得的參數(shù)數(shù)據(jù),結(jié)合操作變量與數(shù)據(jù)的匹配度、變量數(shù)值和操作步驟順序,利用熵值法估算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量,再利用模糊數(shù)學(xué)的模糊矩陣合成算子,得到綜合評(píng)估得分。最后,系統(tǒng)給出考評(píng)分?jǐn)?shù)結(jié)果、考評(píng)指標(biāo)具體參數(shù)值和正常值范圍。

4.2 評(píng)價(jià)模型建立

1856年,德國(guó)物理學(xué)家道夫·克勞休斯首次提出熵的概念。熵在熱力學(xué)中表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一,是體系混亂程度的度量。而在信息論中,信息熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量,信息是有序程度的度量,二者絕對(duì)值相等,符號(hào)相反。熵權(quán)法就是根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的信息熵來(lái)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)權(quán)重,熵權(quán)值代表著各指標(biāo)在競(jìng)爭(zhēng)意義上的相對(duì)激烈程度,具有較強(qiáng)的客觀性[14]。本文采用基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)價(jià)方法,首先根據(jù)熵權(quán)法來(lái)確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,然后建立模糊關(guān)系評(píng)判矩陣,最后利用模糊數(shù)學(xué)的模糊矩陣合成算子,得到綜合評(píng)判集。具體可分為以下5個(gè)步驟。

1) 假設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象集V={v1,v2,…,vm},有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集X={x1,x2,…,xn},其中xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)指標(biāo)的最初數(shù)值,對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y見(jiàn)式(3),矩陣中元素值按式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

2) 任一評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值hj按式(5)計(jì)算,其中k為調(diào)節(jié)系數(shù),與系統(tǒng)評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量有關(guān),k=1/lnm。

(5)

3) 熵權(quán)法利用指標(biāo)信息熵來(lái)估算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,該指標(biāo)提供信息量越多,其在綜合評(píng)價(jià)中作用越強(qiáng),所占權(quán)重越大。第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重wj計(jì)算如下：

(6)

4) 將m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象和n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)構(gòu)建模糊關(guān)系評(píng)判矩陣表示：

(7)

5) 利用模糊數(shù)學(xué)的模糊矩陣合成算子,得到綜合評(píng)判集如下：

B=w°R

(8)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 評(píng)估結(jié)果

選取40名航海類(lèi)學(xué)生,隨機(jī)分成10個(gè)由4人組成的團(tuán)隊(duì)。每個(gè)團(tuán)隊(duì)分別協(xié)同操作考評(píng),為了方便數(shù)據(jù)分析,本文讓10個(gè)團(tuán)隊(duì)完成相同的任務(wù)。船舶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,離港備車(chē)是常規(guī)協(xié)作且最基本的評(píng)估情景之一。其中發(fā)電機(jī)并車(chē)操作是很重要的一個(gè)子環(huán)節(jié),為后續(xù)的備車(chē)操作提供重要基礎(chǔ)。本文選擇發(fā)電機(jī)的手動(dòng)并車(chē)操作任務(wù),每個(gè)團(tuán)隊(duì)協(xié)同完成任務(wù)后,獲得了相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù),組成了評(píng)估指標(biāo)集,評(píng)估指標(biāo)集包括完成任務(wù)時(shí)間、頻率差值、電壓差值、相位差、電壓、頻率和同步表狀態(tài)7個(gè)指標(biāo),用評(píng)估指標(biāo)集X表示：

X={x1,x2,…,x7}

(9)

10個(gè)團(tuán)隊(duì)完成發(fā)電機(jī)手動(dòng)同步并車(chē)考評(píng)任務(wù)后,各個(gè)評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)

5.2 評(píng)估結(jié)果分析

本系統(tǒng)基于熵權(quán)法的模糊評(píng)估對(duì)團(tuán)隊(duì)操作結(jié)果進(jìn)行評(píng)估打分。首先基于熵權(quán)法估算發(fā)電機(jī)手動(dòng)同步并車(chē)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,結(jié)果如表2所示。結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,系統(tǒng)通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià),得到最終的分?jǐn)?shù)。此外請(qǐng)5位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)10個(gè)團(tuán)隊(duì)操作結(jié)果進(jìn)行人工評(píng)估打分。系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)估和專(zhuān)家人工評(píng)估的分?jǐn)?shù)如表3所示。

表2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

表3 系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)估和專(zhuān)家人工評(píng)估的分?jǐn)?shù)

本文基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)估和專(zhuān)家評(píng)估方法得到的結(jié)果對(duì)比如圖11所示,系統(tǒng)給出評(píng)估結(jié)果樣例如圖12所示。本文系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果和專(zhuān)家的結(jié)果誤差很小,兩種結(jié)果最大誤差為4.28百分點(diǎn),最小誤差為0.08百分點(diǎn),系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果達(dá)到了和專(zhuān)家評(píng)估一樣的精度,同時(shí)也得到專(zhuān)家們的一致認(rèn)可。調(diào)查訪問(wèn)參加考評(píng)的學(xué)生表示經(jīng)過(guò)訓(xùn)練考評(píng)后,他們的協(xié)作實(shí)操能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)有了大幅提升,對(duì)他們以后工作有很大的幫助。

圖11 兩種方法的評(píng)估結(jié)果對(duì)比

圖12 本系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果

熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重的過(guò)程中,權(quán)重分配時(shí)克服了人為賦值引起的主觀誤差,極大程度降低了人為干預(yù)的影響,保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀、合理。現(xiàn)階段該方法只能在確定權(quán)重的過(guò)程中使用,適用范圍有限。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)云的多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng),為訓(xùn)練者提供了一個(gè)貼近實(shí)船的虛擬共享三維環(huán)境。只要有網(wǎng)絡(luò),就可以實(shí)現(xiàn)在這個(gè)共享的三維環(huán)境中,多人可同時(shí)在線遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)、遠(yuǎn)程訓(xùn)練和遠(yuǎn)程考評(píng)操作。此外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),系統(tǒng)中融入了機(jī)艙火災(zāi)、機(jī)艙漏水等緊急情景,輔助沒(méi)有實(shí)船經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生深刻理解實(shí)船無(wú)法演示的故障現(xiàn)象,提升學(xué)生的緊急情景應(yīng)對(duì)能力。最后可以通過(guò)模糊綜合評(píng)估方法對(duì)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行客觀評(píng)估,同時(shí)請(qǐng)5位專(zhuān)家對(duì)這評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,表明本系統(tǒng)評(píng)估方法與專(zhuān)家評(píng)估方法計(jì)算出的結(jié)果高度一致,也得到了專(zhuān)家的一致認(rèn)可。基于網(wǎng)絡(luò)云的多人協(xié)作訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)旨在提供一個(gè)“訓(xùn)練-評(píng)估”的多人在線協(xié)同學(xué)習(xí)、考評(píng)平臺(tái),改變了傳統(tǒng)船員考試模式,提高了航海類(lèi)教學(xué)質(zhì)量,也增強(qiáng)了航海類(lèi)學(xué)生的協(xié)作能力和團(tuán)隊(duì)的合作意識(shí)。