船舶動力系統模擬器自動評分系統的設計與實現

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(海軍工程大學 船舶與動力學院，武漢 430033)

隨著計算機技術的不斷發展，模擬器的功能也不斷完善，其在教育和培訓中的作用也越來越大。尤其是在大型電廠、航海、汽車駕駛和核電站等危險性大、成本高的行業，優點表現更加明顯[1]。船舶動力系統模擬器主要用于培訓學員熟練掌握操作和管理設備的技能以及應對突發事件的能力[2]。使用模擬器進行培訓不但效率高、成本低，而且，模擬器可以反復操練在實際裝備上比較困難甚至不允許隨便試驗的訓練內容，可用較短時間使受訓人員得到長期工作累積才能得到的實際經驗[3-4]。然而，如何評價學員實際使用設備和處理故障的能力一大難題。如果僅依靠教練員的主觀評判，評分帶有很大的主觀性、延時性，會有失公正，同時還需要大量的人力物力資源。自動評分系統可解決這一難題。基于某船動力系統模擬器自動評分系統提出自動評分系統設計的總體思路和實現的重點工作。

1 系統總體設計

1.1 模擬器簡介

模擬器由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括船舶動力系統所有的集中控制臺和各分控制臺，軟件部分主要由仿真建模軟件、監控軟件和網絡軟件等組成[5]。各控制臺的內部組成模塊和功能與實船完全相同，不同的是他們的連接終端不是執行機構和傳感器，而是通過PLC與仿真計算機相連，然后利用仿真計算機模擬實現執行機構和傳感器的功能。

模擬器軟件部分的核心功能是對數據的采集、分析和處理，各軟件和設備之間的數據交換關系見圖1。其中，監控軟件處在一個中心樞紐的位置，與仿真建模軟件之間有數據的交換，且接受從硬件設備傳輸過來的信息，同時將處理后的信息反饋給硬件設備。自動評分系統與監控軟件之間進行通信，通過監控軟件記錄下來的數據是自動評分的基礎，自動評分系統的考核信息也可以傳輸給監控軟件進行輸出。

圖1 模擬器各部分間數據流動圖

1.2 自動評分系統功能需求分析

模擬器培訓面向的對象是一個極大的群體。自動評分系統首先必須實現對這個群體基本信息的管理以及考核后一些相關信息的管理。自動評分主要由兩部分組成：評分的準則和評分的方法。評分準則的建立是以專家系統理論為基礎，通過咨詢此領域的專家和工作技術人員，構建船舶動力系統操作使用的知識庫作為對考生操作過程進行評估的主要依據。評分方法則利用模糊綜合評判法，根據實際情況將系統分為多個層次，并結合動態權重分配的思想實現合理評分。

自動評分系統除了合理地評估操作使用能力，還能在一定的權限內對評分規則和評分參數進行動態修改，同時完成考核人員基本信息及考核信息的輸出、打印已及存檔。系統主要由四大部分組成，見圖2。

圖2 自動評分系統的總體結

1.3 各模塊的組成和功能簡介

1) 評分系統管理。主要由用戶信息管理、系統初始化和數據的備份、還原幾大子模塊組成。實現的主要功能是管理自動評分系統的用戶信息及其使用權限，包括添加、修改、刪除用戶；完成系統的初始化任務，為下一次評分做好準備；對數據庫數據進行備份，提高系統的安全性，一旦數據出現錯誤或丟失，可以進行數據恢復。

2) 專家系統管理。由專家知識庫、評分參數設計和專家知識打印三部分組成。專家知識庫子模塊為培訓人員提供模擬器操作使用的幫助信息，評分參數設計子模塊主要是設置考核過程中的各參數要求以及動態修改各個部分的權重分配。每次設置或修改后，新值將取代原值作為系統的默認值。

3) 評分項目管理模塊。由若干個項目的評分模塊組成。每個子項目都是模擬器的一個獨立的培訓模塊，是針對實船某個特定崗位的培訓，子項目又分為若干個子過程，教練員在考生考核前設置好考核的項目或子過程以及考核的難易等級。當教員參與評分時，計算機根據權重的分配給出考生的綜合成績。如果需要完全實現教練員評分或者自動評分，只需將教練員的權重分別置1和0。評分結束后可以查看和打印操作過程。

4) 考核信息管理。包括考生基本信息管理，考核成績管理和考生信息打印。基本信息管理是指對考生的培訓編號、姓名、職位、單位、聯系電話等基本信息進行添加，修改，刪除等操作，同時可以對已有的信息進行查詢。如果考生信息需要長期保存，還可以將考生信息存檔。考核成績管理主要對考生的綜合成績和考核過程中的錯誤操作進行管理，并且可以打印輸出或存檔。

2 系統操作一般流程

利用自動評分系統對考生進行評估大概可以分為四步：①系統初始化，主要內容有清空數據庫、變量賦初值以及設置控件屬性等，目的是消除上次操作可能留下的隱患；②存儲考試的相關信息，包括考生基本信息、評分參數的設置和考試項目和難度的設置，這些設置可有效提高訓練的效率和靈活性；③在考生操作結束后進行評分，輸出考生的操作成績及相關的一些信息；④考生的考核信息存檔或打印輸出，例如可以打印考生的操作過程和錯誤的操作和步驟，了解需加強改進之處。自動評分系統進行評分的一般流程，見圖3。

圖3 自動評分系統操作流程

3 系統實現的鍵技術

3.1 操作過程的記錄與識別

模擬器培訓系統硬件和軟件都準備完畢，教練員發出開始考試的指令后，考生開始考試，同時開始記錄數據。當考生操作某個開關或者按鈕，或是信號燈的狀態發生變化時，監控軟件組態王中與之相對應的變量也會隨之發生改變。通過記錄變量的變化情況，就能記錄下考生的操作過程。這些記錄考生操作過程的變量可以分為兩類：一類是離散變量，如工作方式選擇手輪、進倒車開關、停車按鈕、通風機接通指示燈,等等；另一類是連續變量，如勵磁電流、電源電壓、主軸轉速等等。兩類變量記錄的要求不一樣，所以記錄時分別以不同的形式進行記錄。對于離散變量，當其中任何一個變量改變時必須進行記錄，在組態王數據改變命令語言中，可通過語句SQLInsert將變量改變信息存儲到指定的數據庫表格之中。對于連續變量，按固定周期進行記錄，周期的長短可根據評估的要求進行調整。在本評估系統實際應用中，設置連續變量的記錄周期為160 ms，能很好地滿足評估要求。

考生操作過程的識別。考核結束后，考生的操作過程被以數據的形式保存在數據庫[6-7]中，通過訪問數據庫中的數據識別考生的操作，并將其保存到一個數組變量中。在VB6.0編程環境中，實現上述任務的關鍵是識別過程的算法。而對于離散變量的記錄，是在其發生變化時才進行記錄，即數據庫里的每一條記錄都與考生的一個操作相對應，所以在訪問數據庫時可以通過檢測數據的變化唯一確定考生操作的按鈕或開關，這是識別算法的一個重要基礎。圖4是程序實現過程的簡單示意圖。

圖4 考試操作識別過程

在程序的總體設計中，考慮到VB6.0與Access數據庫的數據交換量大而且頻繁，建立了一個單獨訪問數據庫的模塊實現對Access數據庫的訪問以及添加、修改和刪除數據。 模塊中主要的函數有：數據庫鏈接函數Private Sub Connect()，數據庫斷開函數Private Sub Disconnect()，對數據庫進行查詢的函數Public Function Search(ByVal Sent As String) As ADODB.Recordset和對數據庫進行添加、修改或刪除的函數Public Sub SQLExt(ByVal Sent As String)等。

3.2 評分方法

模擬器培訓由多個相互獨立的培訓項目組成，而每個項目又可以分為若干各相互獨立的子模塊。當考生選擇其中多個項目或子模塊考核時，就構成了一個二級模糊綜合評判的問題，若教練員參與評分則構成三級模糊評判的問題，見圖5。

圖5 模糊綜合評判的層次結

應用模糊綜合評判的另一個重點工作是確定各評判因素的權重分配。結合專家評判法和統計評價法的優點，建立動態的權重分配方法。首先采用專家評判法確定權重分配的默認值并保存在數據庫中，然后在自動評分系統中設計模糊綜合評判權重分配修改系統，動態修改權重分配。主要根據實際考核應用情況進行改動，使自動評估結果更加合理。系統界面見圖6。

對于考生某些方面的素質，例如，口令傳達的質量，處理故障的心態等，現在設計的自動評分系統還不能評估，因此，這部分繼續采用考官評分的方法。當不設考官評分時可將教練員評分的權重分配設置為0或給教練員打分設置一個默認值。

[1] 何 英，孟 晨．模擬器設備的操作評估系統[J]．電力自動化設備，2001，21(2)：45-47.

[2] 包國江．基于航海模擬器的船舶操縱評估系統的研究[D]．大連：大連海事大學，2008.

[3] 余建喜，刁亞奇，魯順清，等.司爐工仿真培訓自動評分系統研究[J]．中國安全生產科學技術，2007,3(3)：93-96.

[4] 董秀成，俎金花．模擬器操作評分系統[J]．核動力工程，2005，26(6)：645-647.

[5] 魏楠楠．帆船輔助訓練專家系統的研究與實現[D]．青島：中國海洋大學，2008.

[6] 張正璽．數據庫及其應用[M]．北京：國防工業出版社，2006.

[7] 嚴 暉，劉衛國．數據庫技術與應用實踐教程[M]．北京：清華大學出版社，2007.