船舶機艙協(xié)作式模擬訓練評估方法

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

《STCW 78/102公約》中有一項新增強制性適任標準，稱為機艙資源管理，要求輪機部的高級船員需要借助訓練評估等方法，促進各個部門協(xié)作配合，以降低機艙發(fā)生人為失誤的概率，加強海上交通安全。已有的研究工作沒有或較少考慮對于團隊成員協(xié)作能力[1-5]，為此，基于協(xié)作式的基本思想，提出基于模糊數(shù)學理論的評價方法，該方法運用模糊綜合評價進行底層運算，同時利用集合相似度分析的理論來考量團隊成員的協(xié)作能力，以達到協(xié)作式評估的目的。

1 船舶機艙協(xié)作式模擬訓練

機艙資源管理概念見圖1。

圖1 機艙資源管理概念示意

機艙資源同時包括內(nèi)部和外部資源，船員既要協(xié)同同船人員管理內(nèi)部資源，也要求對于外部環(huán)境有敏銳的感知。顯然，機艙資源管理是一個協(xié)作式的任務，要求各人員間協(xié)調(diào)配合，共同完成任務。

所謂協(xié)作能力是指作團隊成員間共享資源，相互溝通、相互幫助并努力融入團隊，最終使得整個團隊圓滿完成任務的這樣一種能力[6]。這就需要所有成員相互溝通和協(xié)調(diào)，彼此分享與交流，迅速有效地應對所處環(huán)境做出判斷和反應[7]。利用機艙資源管理的相關理論，分析當前協(xié)作式訓練的特點，針對協(xié)作式模擬訓練的特點，利用合理的方法確定特定情境下協(xié)作訓練的評估結果。

2 協(xié)作式評估方法

2.1 評估特點

使用層次分析法作為計算權重的方法，計算出的權重直接用于模糊綜合評價[8]。利用模糊綜合評價得出結果，通過考慮團隊內(nèi)部的協(xié)作性程度，計算相似系數(shù)，與模糊綜合評價結果合成即為最終的協(xié)作式評估結果。

協(xié)作式評估方法主要關注團隊內(nèi)部的協(xié)作能力。用相似系數(shù)解決團隊內(nèi)部的協(xié)作性量化問題。

2.2 層次分析法步驟

步驟1建立層次結構模型。結構模型分為三層：最高層；中間層；最低層。低層和高層分別為因素層和目標層[9]。

步驟2構造判斷矩陣。aij所表示的為要素i和要素j重要性比較的結果。重要性等級賦值見表1。

(1)

步驟3層次單排序及其一致性檢驗。

(2)

計算Mi的n次方根。

(3)

(4)

計算最大特征值λmax。

(5)

之后，根據(jù)表2進行一致性檢驗。

表2 平均隨機一致性指標RI標準值

判斷矩陣的一致性指標CI。

(6)

通過查表可知判斷矩陣同階平均隨機一致性的指標RI。

計算隨機一致性比率CR。

(7)

步驟4層次的總排序。計算最高層相對重要性權值[10]。

2.3 模糊綜合評價步驟

1)建立因素集U={u1,u2,…,un}，評價集V={v1,v2,v3…vm}。

2)構造評價矩陣。將對應的關系在m個評語和n個因素之間建立矩陣[11]。

(8)

3)建立因素重要程度模糊集A=(a1,a2,…,an)。ai為因素的重要程度系數(shù)。

4)取TR(A)=A°R即為對n個因素綜合考慮后所得到的綜合評價結果。作為V上一個模糊集合，稱為抉擇等級模糊集。

2.4 團隊內(nèi)部的協(xié)作能力分析

在輪機實操評估中對協(xié)作能力的要求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：時序性、成員間的相互依賴、冗余操作及越權操作、成員間的通信與交流、與規(guī)則的對應程度等。集合相似度系數(shù)是分析2個集合一致性程度的系數(shù)，通過面向評估過程來分析團隊內(nèi)部的協(xié)作程度。

Dice系數(shù)用于衡量2個集合的相似程度[12]。將評估規(guī)則和學員實際操作分別視為一個集合，由于集合內(nèi)部是無序的，所以需要利用IIS信息流分析法[13]對2個集合進行預處理。所謂預處理就是對集合中的同類型信息流進行合并，然后按照時間先后順序進行編號處理，預處理后的集合中的元素形成了信息流序列，具有了時序性。故時序性原則可以利用Dice系數(shù)進行量化。

根據(jù)基于規(guī)則和時序性的原理，前一條規(guī)則未完成時無法進行下一條規(guī)則。例如：前一規(guī)則要求操作者α檢查某一系統(tǒng)并在完成時向領導者匯報。下一規(guī)則要求操作者β檢查另一系統(tǒng)并在完成時向領導者匯報。而操作者α未完成其任務，導致操作者β的任務無法進行或無法按時進行。根據(jù)這一原則，成員間的相互依賴以及成員間的通信與交流得以體現(xiàn)，利用Dice系數(shù)進行量化。

Tversky系數(shù)強調(diào)2個事物的相似程度與其共同屬性呈正相關[14]。認為Dice系數(shù)注重操作過程，Tversky系數(shù)注重操作細節(jié)。根據(jù)這一屬性，學員操作時的冗余操作、越權操作及其與規(guī)則的對應程度可以利用Tversky系數(shù)來量化。冗余操作可以理解為理論培訓中涉及的操作在實際評估規(guī)則中并未涉及，是否進行此操作對操作結果不會產(chǎn)生影響，但在協(xié)作評估過程中會有一定影響。將越權操作理解為，本應由操作者α完成的任務被操作者β代替完成，盡管完成度很高，但是仍對協(xié)作評估的結果有一定的影響。

Dice及Tversky系數(shù)(sDice∈[0,1]，sTversky∈[0,1])的計算式為

(9)

式中：D1為團隊領導者制訂的應完成的操作的數(shù)量；D2為團隊成員實際完成的操作的數(shù)量;D1∩D2為團隊操作過程中與制訂操作要求一致對應的操作的數(shù)量。

(10)

式中:T1為評估規(guī)則具體細則的數(shù)量；T2為評估過程中實際完成的操作數(shù)量；T1∩T2為規(guī)則要求且評估時也完成的操作數(shù)量；T1-T2為未按規(guī)則完成的操作的數(shù)量；T2-T1為規(guī)則未規(guī)定但操作過程中涉及的操作的數(shù)量。

本案例鉆孔彈模測試是在系統(tǒng)深孔水泥灌漿后，淺孔系統(tǒng)復合灌漿前后測得的，未能得到整個洞段圍巖處理前的圍巖變形參數(shù)。但從隧洞開挖過程中的地質(zhì)資料看，隧洞開挖支護完成后，圍巖存在斷層塌洞、空腔、軟弱斷層物質(zhì)，及節(jié)理密集帶等，整體強度低和變形參數(shù)低、透水性強，系統(tǒng)深孔水泥灌漿過程中鉆孔塌孔嚴重，涌水、涌泥和涌沙現(xiàn)象多，經(jīng)水泥灌漿處理后，圍巖整體變形模量增加到了1.7 GPa～8.6 GPa之間，均值為5.0 GPa，且透水率滿足85%小于2 Lu的要求。

記模糊綜合評價得出的評價結果為F，團隊最終評價結果為M，則

M=sDice·sTversky·F

(11)

式(11)的合理性在于，假設該團隊完全按照評估規(guī)則及協(xié)作式訓練的要求進行操作，則不會對評估結果產(chǎn)生任何影響。如果該團隊在操作過程中出現(xiàn)了影響協(xié)作程度的操作，那么2個相似系數(shù)的值小于1，對最終評估結果產(chǎn)生影響。

3 實例驗證

對于常規(guī)的協(xié)作式評估船舶備車操作而言，船舶發(fā)電機組的備車操作是其下屬子任務中的一項[14]。例如，現(xiàn)有一6人團隊進行該項目的評估，領導者X負責協(xié)調(diào)分配任務，5名隊員u、v、w、y、z分別完成檢查起動空氣系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)以及并車等5項操作。部分實驗數(shù)據(jù)見表3。規(guī)則集合信息流的預處理結果見表4，限于篇幅，這里略去了其他的預處理過程。計算Dice系數(shù)的對照表見表5，計算Tversky系數(shù)的對照表見表6。表6中二者的差異用[]表示。

表3 實驗數(shù)據(jù)

注：該團隊人工評估得分為100。

表4 規(guī)則集合信息流預處理

表5 Dice系數(shù)計算對照表

表6 Tversky系數(shù)計算對照表

對表5進行分析可知，評估規(guī)則的要求是按照I1-I12的順序進行的，評估操作是按照J1-J9的順序進行的，協(xié)作式評估中的時序性得以體現(xiàn)。評估操作與I1-I12規(guī)則有6條一一對映：I1-J1，I2-J2，I3-J3，I4-J4，I6-J6，I7-J7。成員y與成員w共同完成燃油系統(tǒng)的檢查，這與規(guī)則要求是相悖的。后續(xù)由于成員y檢查完冷卻水系統(tǒng)后未及時通知領導者X，導致領導者X未及時通知成員z啟動發(fā)電機，進而導致并車操作不及時，最終未能按時完成該項目。主要原因在于，成員z的操作依賴于其他所有成員完成各自的操作，成員y為最后一環(huán)，成員y未能及時與其他成員通信交流，導致成員z的操作延遲進行。成員y也未能滿足協(xié)作式評估中的通信與交流以及成員間相互依賴的要求，影響了整個團隊的協(xié)作能力。根據(jù)表5進行計算，得到SDice=0.517 4。

對表6進行分析可知，該團隊在細節(jié)操作上的完成度較高，但仍存在一些問題：成員u與y在過程中出現(xiàn)了兩次冗余操作，且成員y存在越權操作：代替成員w完成了燃油系統(tǒng)的檢查。成員u與y的冗余操作皆為規(guī)則中未涉及的操作，的確符合維護管理要點中的要求。成員u和y未能滿足協(xié)作式評估中關于越權操作與冗余操作的要求，對團隊的協(xié)作能力產(chǎn)生了一定的影響。根據(jù)表6進行計算，得到STversky=0.869 6。

3.1 評價矩陣的計算

利用隸屬函數(shù)法計算評價矩陣，隸屬函數(shù)由模糊分布來確定，主要涉及：三角分布、梯形分布、布爾分布。

計算得到評價矩陣

R=(1，1，1，1，1，1，1，1，0.85，0.93，1，1，1)T。

3.2 結果計算

利用層次分析法計算起動空氣壓力，滑油進機溫度，滑油進機壓力，燃油進機黏度，燃油進機壓力，冷卻水進機溫度，冷卻水進機壓力，相位差，頻率差，待并機電壓，操作時間，是否均功，是否關閉同步表的權重向量。

A=(0.260 1，0.130 1，0.130 1，0.130 1，0.130 1，0.068 8，0.068 9，0.020 5，0.024 6，0.016 4，0.004 1，0.008 2，0.008 2)

令

B=A°R

(12)

將B中元素乘以100得到該團隊模糊綜合評價得分為F=99.52。

在考慮Dice系數(shù)及Tversky系數(shù)后，該團隊的協(xié)作式評估得分為M=49.45。

3.3 結果分析

根據(jù)上述計算結果可見，團隊內(nèi)部的協(xié)作程度是影響團隊最終評估結果的關鍵因素。對于該團隊而言，盡管該團隊在每個評估項目上都具有較高的完成度，但該團隊各個成員間的協(xié)作性較差。在上述評估過程中，由于成員y與領導者X的通信不及時，導致成員z無法按時完成既定操作，違背了協(xié)作式評估中對于協(xié)作能力的要求，使整個評估項目延遲完成。同時成員u與成員y均出現(xiàn)了冗余操作，成員y還出現(xiàn)了越權操作。造成這種情況的原因主要有兩個方面：一，評估規(guī)則的制定不夠細致；二，學員對其所學無法做到靈活應用。綜上所述，由于成員u與成員y在評估過程中造成的錯誤，使得整個團隊的協(xié)作能力受到了影響，最終導致該團隊未能取得理想的協(xié)作式評估結果。

4 結論

1)協(xié)作式的評估方法可以同時對團隊完成度及協(xié)作能力進行評估，并且可以體現(xiàn)出團隊協(xié)作性存在問題的具體環(huán)節(jié)，符合協(xié)作式評估的要求。

2)應用時，可以針對不同的評估項目制訂具體評估要求，詳細的規(guī)則能夠保證協(xié)作式評估的精確度，細致體現(xiàn)學員的協(xié)作能力。