輪機模擬器考核自動評分算法研究

聶 偉 巫 影 胡大斌 李玉東

（海軍工程大學動力工程學院1） 武漢 430033） （鎮(zhèn)江船艇學院2） 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

世界海事組織（IMO）的研究報告表明，水上交通事故中的80%與人為因素有關.如何最大程度的減少人為失誤，培養(yǎng)出高素質的航海人員成為航運界和航海院校普遍關心的問題.輪機模擬器可用較短時間使受訓人員得到實船長期累積才能得到的實際經(jīng)驗，同時還可以操練在實船上比較困難甚至不允許隨便試驗的訓練內容.因此，STCW78／95公約對船員利用輪機模擬器進行訓練制定了非常詳細嚴格的要求，我國海事局也對船員適任考試增加了評估項目，并突出了對實際技能的考核［1－2］.針對學員的操作表現(xiàn)進行評估，也是工程系統(tǒng)仿真環(huán)境中要達到的一個重要目標.輪機仿真訓練的評估分為主觀評估和計算機自動評分.主觀評分人為因素比較大，沒有一個客觀、統(tǒng)一的評估標準.而計算機自動評分是根據(jù)一定的推理機制和原理自動對操縱者的操縱水平進行評估，能以客觀的標準對操作者的水平做出評價并給出指導性的意見.

某輪機模擬器設計實現(xiàn)了自動評分系統(tǒng)，在分析其工作原理后，研究了自動評分的基本方法.實現(xiàn)輪機模擬器考核自動評分主要方法包括：分解綜合法將整個系統(tǒng)化解為小的基本模塊，降低了自動評分的難度；模糊綜合法解決了自動評分中主觀、模糊和受多因素影響的問題.專家系統(tǒng)理論是評分準則建立和推理算法實現(xiàn)的理論依據(jù).

1 輪機模擬器簡介

輪機模擬器是一種經(jīng)濟、安全、高效的培訓方式，通過在岸上還原實船的操作環(huán)境和感覺，實現(xiàn)培訓海員的目的.某船舶的動力系統(tǒng)由柴油機、發(fā)電機、推進系統(tǒng)以及其他輔助控制設備組成.所開發(fā)的輪機模擬器，是一種半實物仿真系統(tǒng).它包含船舶動力控制系統(tǒng)的所有設備，并且盡量做到與實船一樣的工作環(huán)境.因此，控制臺的放置，艙室的布置情況，以及聲音的模擬等，都做到了與實船一致或接近，讓培訓人員找到在實船上操作的感覺.該輪機模擬器的組成原理，見圖1.

圖1 輪機模擬器組成原理圖

輪機模擬器的硬件組成主要包括，動力系統(tǒng)控制臺，PLC控制器，監(jiān)控計算機，仿真計算機以及聲模擬系統(tǒng)等.其運行機制如下，PC機系統(tǒng)與PLC控制器等采用TCP／IP協(xié)議連接在同一級以太網(wǎng)上，形成一個以交換機為中心的星形拓撲的網(wǎng)絡結構，保證了數(shù)據(jù)高效實時傳遞.仿真建模系統(tǒng)由仿真支撐平臺軟件SimuEngine實現(xiàn)，其主要用于船舶動力系統(tǒng)主要設備的動、穩(wěn)態(tài)特性仿真，動力系統(tǒng)正常和故障工況的操作仿真，以及與其它系統(tǒng)之間的互聯(lián)等.系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要由組態(tài)軟件開發(fā)實現(xiàn)，通過OPC程序與仿真系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，能夠利用SimuEngine提供的API接口函數(shù)實現(xiàn)考核工況、運行狀態(tài)和各種故障的設置.系統(tǒng)中，PLC控制器與控制臺上的硬件設備相連，并通過監(jiān)控軟件與仿真軟件之間進行通信；同時，PLC將控制臺上開關和按鈕的狀態(tài)實時的傳遞給監(jiān)控軟件，仿真軟件將運算后的數(shù)據(jù)傳遞給PLC，控制控制臺上指示燈和儀表的變化.模擬器系統(tǒng)運行起來后，培訓人員在相應的模擬艙室，可以完成教學和考核任務［3－4］.

2 自動評估的一般方法

2.1 分解綜合法

對于一個復雜的系統(tǒng)，在分析研究過程，通常將該過程分解為一系列相對簡單、獨立的子過程，如果這些子過程仍然比較復雜，則將每個子過程分解為更小的子過程，如此反復進行下去，直至便于分析研究或不能再分，該過程被稱為“分解”.求解的過程則相反，即首先分析研究最小的子過程，然后再分析研究上一層的子過程，直至求得整個過程的解，該過程被稱為“綜合”［5］.艦船動力系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，根據(jù)此方法可將整個系統(tǒng)分解為主推進系統(tǒng)、輔推進系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及各種輔助設備，它們是一級子系統(tǒng).這些一級子系統(tǒng)又可進一步被分解為二級子系統(tǒng)，例如可將推進系統(tǒng)分為左推進系統(tǒng)和右推進系統(tǒng)，二級子系統(tǒng)又可以繼續(xù)分解為三級子系統(tǒng).如此，可將整個系統(tǒng)最終分解到一系列子系統(tǒng)或設備級子系統(tǒng).而設備的操作過程也可以按照類似的方法進行“分解”，如將柴油發(fā)電機組操作分解為柴油機操作、發(fā)電機操作等一級子過程；這些一級子過程又可以被分解為二級子過程，以柴油機為例，可分解為啟動前準備、啟動、調試、停車等；根據(jù)需要將系統(tǒng)分解成最小的單元，在評分算法研究中，以這些單元為基礎；實現(xiàn)了最基本的單元評估后，就可以采用“綜合”的方法對全部操作進行評估.

2.2 模糊綜合評估法

模糊綜合評估法是應用模糊關系合成的特性，根據(jù)給出的評價準則和實測值，從多個指標對被評判事物隸屬等級狀況進行綜合性評估的一種方法.在輪機模擬器對受訓人員的考核中，評估的結果會受到多個因素的影響，且具有模糊性，應用模糊綜合評估法，能較好地解決模糊的、難以量化的問題和各種非確定性問題的解決［6］.

2.3 專家系統(tǒng)理論

專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內部含有大量的某個領域專家水平的知識與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領域問題.專家系統(tǒng)主要由規(guī)則知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋程序、知識獲取及人機界面等幾部分組成.在某輪機模擬器自動評分系統(tǒng)的應用中，其結構見圖2.

圖2 專家系統(tǒng)理論應用原理圖

3 評估準則建立

評估準則嚴格按照操作規(guī)范制定，而操作規(guī)范是這領域專家在理論和實踐中總結的最佳操作方法.知識的獲取主要通過開發(fā)人員與領域的專家、教授和具有豐富的實際經(jīng)驗的技術人員和艇員共同協(xié)作完成.評估準則將以知識庫的形式存儲在計算機中.知識表示一般是產(chǎn)生式規(guī)則，其表示的知識形式簡潔，便于理解和解釋，規(guī)則之間相互獨立，有利于知識的提取和形式化.

產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關系的知識，其基本形式是：

if P then Q

其中：P為產(chǎn)生式的前提，用于指出產(chǎn)生式是否可用的條件，前提可以是簡單條件或者是復合條件，復合條件由多條簡單條件的邏輯與和或組成；Q為產(chǎn)生式的結論或操作，用于指出當前提P所指出的條件被滿足時，應該得出的結論或應該執(zhí)行的操作.

前提表示一種可能的錯誤操作情況，可以是n條前提條件相與或者相或組成；結論是操作錯誤嚴重程度的表示.結論采用了模糊數(shù)學的思想，將操作錯誤分為幾個等級，若分為三個等級為：重大事故、中等事故和一般事故.每個等級對應程序算法中的不同扣分數(shù)，如擬定，重大事故的扣分值為41，中等事故的扣分值為21，一般事故的扣分值為9.對于每種可能的操作錯誤屬于何種錯誤等級或者兩種等級之間，可以分別賦予不同的權值.如在電機操作過程中出現(xiàn)漏操作，通風機未啟動，相應的權值分配為α＝（0，0.75，0.15）.

為了取得科學合理的扣分權數(shù)，采用2種方法［7］：（1）根據(jù)操作的危害性選取扣分權數(shù) 從一般誤操作類到嚴重事故類，相應的扣分權數(shù)隨著操作的危害性逐漸增大；（2）采取經(jīng)驗擬定的方法 選取具有代表性的好、中、差3組參訓人員分別進行模擬考核評分，結合現(xiàn)場考核專家的打分反復修正各類評分標準的扣分權數(shù)，直到評分程序能適應不同水平的參訓人員，并且給出的考核分數(shù)與專家考評分數(shù)基本一致為止.

4 評估模型建立及求解的方法

依據(jù)分解綜合法，將系統(tǒng)分解為一些最基本的單元.在研究這些單元時，首先進行如下假設，將考生操作錯誤的情況分為5種情況，并給出每一種情況下推理求解的方法.

操作手冊規(guī)定的正確的操作步驟為：A→B→C→D→E.A～E分別表示一個操作動作.存在的錯誤操作分為以下幾種：漏操作、多操作、順序誤操作、重復操作、操作時機錯誤.

第一種情況是出現(xiàn)漏操時，如A→B→D→E，操作過程中C沒有完成.對于這種情況的評判方法是，推理機的推理過程與操作的先后順序一致，即首先搜索所有的操作，判斷是否有A操作.如果沒有就與規(guī)則庫的規(guī)則進行匹配，記錄操作錯誤的類型，然后進入B操作的判斷；如果有直接進入B操作的判斷.依次進行評判，記錄下所有漏操的情況.

第四種情況是出現(xiàn)重復操作時，如A→B→C→C→D→C→E.這種評判的方法是，首先進行操作步驟的編號；然后保留B與D之間C的第一次操作并剔除其他重復操作，并與規(guī)則庫中的規(guī)則進行匹配，記錄錯誤的操作.如果B與D之間沒有操作，就保留C的第一次操作，接下的操作與上面類似.接著是對分析后的結果進行重新編號，編號后為

第五種情況對操作時機正確與否的判斷方法，如在主推電機的啟動與調速操作時有如下的操作環(huán)節(jié)，確信勵磁手輪在勵磁電流最小時，將正倒車開關置于前進或者后退位置和當電樞電流逐漸下降且穩(wěn)定后，立即將運行開關置于前進二位置.這種情況的推理方法是，在進行第二種情況分析的基礎上，第一步找到需要操作的開關或者按鈕，如正倒車開關和前進二開關，并將它與操作的時間對應起來.第二步是，在確定了考生操作開關或按鈕的時刻后，查找這個時刻附近勵磁電流和電樞電流的數(shù)值I，并進行與理論值比較的運算.如正確操作的最大勵磁電流為I，則實際的偏差值為m100%，然后與規(guī)則庫中的規(guī)則進行匹配，記錄錯誤的操作.對于下降且穩(wěn)定的判斷，可以通過操作時刻t的前一段時間Δt內電樞電流的方差或是最大值與最小值之差進行判斷.

5 評估成績計算方法

專家系統(tǒng)可以判斷考生操作某項操作是否正確，如果錯誤，判斷其錯誤的類型.對每類操作錯誤，都要相應的扣分方法，在判斷結束后扣除考生相應的分數(shù).在某型輪機模擬器自動評分系統(tǒng)中，將其錯誤類型分為三類：重大事故、中等事故和一般事故.對每類錯誤的定義和扣分方法如下［8］.

1）重大事故 重大事故是指在由于操作過程中發(fā)生了嚴重的失誤，導致等個動力系統(tǒng)不能運行或設備損壞，造成災難性后果的事故；或者考生的操作完全沒有達到預定的要求.該類誤操作的評分標準可表示為

式中：i為事故類型，共有n類；ai為扣分的權重系數(shù)；xi為操作過程中第i類發(fā)生的次數(shù)；f（i）為第i事故發(fā)生的邏輯條件；Xi為第i類事故發(fā)生.

2）中等事故 規(guī)定的操作目標基本實現(xiàn)，但操作過程中考生動作不規(guī)范，沒有按照指定的步驟和操作最佳時機完成，可能損傷設備或影響運行效果.該類誤操作的評分標準可表示為

式中：i為事故類型，共有n類；bi為扣分的權重系數(shù)；xi為操作過程中第i類發(fā)生的次數(shù)；ci為第i事故發(fā)生的邏輯條件；Yi為第i類事故發(fā)生.

3）一般事故 表示規(guī)定操作目標基本實現(xiàn)，也沒有對設備造成危害的操作，但操作過程不熟練，可能存在一些安全隱患.該類誤操作類的評分標準可表示為

式中：i為事故類型，共有n類；ci為扣分的權重系數(shù)；xi為操作過程中第i類發(fā)生的次數(shù)；h（i）為第i事故發(fā)生的邏輯條件；Zi為第i類事故發(fā)生.

若在評價體系Q中，如果對各評價指標的權重分配為A＝（a1，a2…am），即A 是 評價Q 上 的一個模糊向量，＝1.權重的確定采用主觀賦值法，一般通過專家和實踐經(jīng)驗豐富的技術人員確定.如在某次考核中，其權重分配如下

則采用加權平均法求得總的評價向量為

B＝a?R1＝（0.257 3，0.172 4，0.443 2）

總的評價向量為B＝（0.257 3，0.172 4，0.443 2），如果設定出現(xiàn)一次重大事故的扣分為41，中等事故的扣分為21，一般事故扣分為9，則將評分結果轉化為分值為

式中：SR為綜合扣分的結果.因此，考生綜合成績?yōu)?1.840 5.

6 結束語

本文結合某型輪機模擬器自動評分系統(tǒng)的研究，分析了評分系統(tǒng)設計中的基本方法，建立了自動評分的準則，及評分系統(tǒng)的模型和其求解的方法，給出了考生成績計算的方法.輪機模擬器自動評分系統(tǒng)在實際應用中，也取得了較好的效果，為提高教學效率發(fā)揮了重要作用.

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