輪機模擬器智能評估系統

聶 偉，巫 影，胡大斌，李玉東

(1.海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢 430033;2.鎮江船艇學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

隨著仿真技術的快速發展，輪機模擬器在海員培訓任務中越來越突出，現在的模擬器包含系統仿真工作站、服務器、相關控制臺、配電盤和星型網絡結構等，構成了分布式仿真系統［1］。輪機模擬器實現了學員進入機艙有臨場感，操縱有真實感，并通過三維透視圖像可看到真實機艙設備封閉著的部件的運動情況，使故障設置更為形象，并具有機艙巡回檢查和結構維修功能［2］。智能評估系統作為訓練模擬器的一個重要組成部分，也不斷發展?，F在的評估系統不僅能夠實現評估功能，還能夠對培訓考核過程進行管理，對考核數據進行分析，找出培訓人員的薄弱環節，及時對訓練項目進行調整，同時，具備有非常好的交互界面［3］。

與傳統培訓模式相比，仿真培訓擁有效率高、成本低等優勢。因此得到迅速發展和廣泛應用。近幾年，國內各單位不僅把仿真培訓作為崗位練兵的重要內容之一，而且把仿真培訓與技術比武和技能鑒定結合起來，使仿真培訓成為生產裝置中不可缺少的重要培訓手段［4－5］。考核評估是仿真培訓中十分重要的一個環節，一般依靠教練員主觀評判打分的方式。但這種方式不僅評估結果具有極大的主觀性、延時性，還需耗費大量的人力物力資源。

智能評估系統將相關領域的專家知識和技術人員豐富的實際經驗作為評估標準，使用編程技術實現對考核人員的智能評估，這不僅提高了評估的效率和公正性，而且節省了大量經費。智能評估系統的研究不但具有很大的技術價值，而且擁有相當大的應用前景。

1 智能評估系統的基本原理及組成

智能評估系統的總體設計主要包括兩方面:1)怎樣評分，即評估方法的研究;2)怎樣構建和實現智能評估系統，包括系統的組成、功能和系統開發環境等。

在一般仿真培訓考核過程中，教練員對考生的操作水平做出判斷，然后，給出成績等級。這個過程中教練員的專業知識和實際經驗發揮決定性作用，它是評估過程中的一個無形準則。智能評估系統是以專家系統理論為指導，綜合專家、技術人員的專業知識和實際經驗并以一定的形式存儲在數據庫中，同時記錄考核人員的操作信息，然后利用計算機編程技術實現對考生水平的合理評判。

智能評估系統的結構原理如圖1所示，考核人員在控制臺上操作，監控軟件將操作數據記錄到數據庫之中。分析數據庫中的數據，對考核人員的實際操作水平進行評估，然后給出客觀、合理的評估結果。智能評估系統還能實現對培訓過程進行各種管理，如人員信息的存儲、查詢、打印等。

圖1 智能評估系統原理結構圖Fig.1 The principle diagram of intelligent evaluation system

智能評估系統主要有兩部分組成:一部分是數據庫，功能是記錄和管理數據。包括3類數據，第一類數據是用于記錄考生的操作信息，它是智能評估的基礎，這些數據主要記錄考生操作時各變量隨時間的變化。第二類數據是進行評估的知識庫，它是對考生操作進行評估的準則。知識庫是評估的關鍵，它是總結實際操作經驗并以一定的形式存在計算機中的專家知識。第三類數據是用于記錄考生的基本信息和考生的考核成績，這些數據可以進行備份或是打印輸出，為培訓的完善提供依據。這些數據又可以分為動態的和靜態的，動態的包括記錄考生操作信息的數據等;靜態的有評估知識庫和考生基本信息的管理等。

另一部分是對數據庫中數據進行處理給考生評判的程序和人機交互界面，主要由4大模塊組成:

評估系統維護管理模塊:對整個系統進行維護和管理，包括系統的使用權限、系統初始化、數據的備份和恢復等;完成系統的初始化任務，為下一次評估做好準備;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。

評估規則和參數管理模塊:主要由專家知識庫和評估參數設計2個模塊組成。專家知識以規則的形式存儲在數據庫中，實現對規則的修改、添加和刪除，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;評估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。

評估的項目管理模塊:一個大的評估項目可分為多個單獨的子項目，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。當教員參與評估時，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估或者智能評估，只需將教練員的權重分別置1或0即可。

考生信息管理模塊:由考生基本信息管理，考核成績管理和考生信息打印3個部分組成?；拘畔⒐芾硎侵笇忌拘畔⑦M行添加、修改、刪除查詢等操作。如果考生信息需要長期保存，還可以將考生信息存檔?？己顺煽児芾碇饕獙忌木C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 評估算法和準則

評估算法在系統的設計中非常關鍵，一種合理高效的評估算法的建立可有效地提高考核評估的準確性和公正性。智能評估系統的評估方法主要結合了專家系統理論和模糊綜合評判思想。專家系統理論主要由知識庫和推理機組成。知識庫是領域專家的知識在計算機中的表示;推理機是專家系統解決實際問題的推理方式。模糊綜合評判是在考慮多種因素的影響下，運用模糊數學工具對某事物進行綜合評價。每個項目重要性或是操作錯誤的判定都具有模糊性，在考慮多個項目和多個因素時，評估過程就是模糊綜合評判的問題［6］。

知識表示方法主要研究各種數據結構的設計，通過這種數據結構把問題領域的各種知識結合到計算機系統的程序設計過程。知識表示的目的在于通過知識的有效表示，使專家系統能夠利用這些知識進行推理和做出決策。知識表示的好壞主要由以下幾個方面決定［7］:知識編碼的難易程度、知識使用的效率、可理解性和知識維護的難易程度。對于同一知識，一般都可以采用多種方法進行表示，但所產生的效果會有很大不同。每一種知識的表示方法都有其自己的特點，應用到不同的領域也各有其優勢和不足。因此，根據知識表示領域的不同，選取一種合適的知識表示方法;有時也可以結合幾種表示方法實現某個領域的知識表示。

在輪機模擬器智能評分系統中，以產生式規則表示評估的知識。評估的依據是教練員的專家知識和實際經驗，利用專家系統理論，在計算機中以規則的形式存儲在數據庫中作為評估的準則。產生式規則表示的基本形式為:

其中，P是規則前提，Q是結論。例如某條規則為，若操作開關Ⅰ之前沒有打開閥門Ⅱ，則記中等失誤一次。其中，前提是由2條簡單條件構成的復合條件，即開關Ⅰ變化和閥門Ⅱ沒打開，結論是記中等失誤一次，在采用扣分制的算法中，結論可以由低到高分為幾個等級，等級越高扣分越多。

針對輪機模擬器考核評估的特點，智能評估系統以專家知識為指導，結合模糊綜合評判法，將考核過程中可能出現的錯誤進行分類，重點研究操作過程中的報警量、過程量和過程曲線，總結各種錯誤操作對艦船安全性的影響，并對其進行分類，賦予相應的權重。一般可將模擬器操作錯誤分為以下幾類:重大操作錯誤，可能會危及到船舶人員安全，損壞設備，導致重大的安全事故;中等操作錯誤，不會危及人員安全，但可能造成設備損傷，影響船舶正常運行;一般操作錯誤，一般對設備和人員都不會有危害，但不符合正確的操作規程。分別賦予它們不同的權重，每個考核的工況都依靠這樣的方法去建立評估準則，實現考評目的。同時，智能評估系統也開發了對評估規則進行修改或添加的操作界面，實現評估規則在應用過程中不斷完善。在產生式規則的表示形式中，若判斷操作錯誤的程度是在中等失誤和重大失誤之間，則可引進模糊數學思想，結論的表示方式為，中等失誤的權值為a，重大失誤的權值為b，a+b=1，0≤a，b≤1，當a=1時，即記中等失誤一次。

推理機是專家系統的組織控制機構，通過合理的推理機能有效地利用知識庫的規則解決實際問題。推理的過程也是一個規則匹配過程。智能評估系統從綜合數據庫獲得推理的初始狀態，按照一定的推理機制，將綜合數據庫中獲得的信息與規則庫中的規則進行匹配，實現對考生操作的評估。推理機的實現主要包括兩方面:1)從整體上考慮，操作的順序和時機是否出現錯誤;2)從每個單獨的操作模塊考慮，每個單獨的操作模塊操作是否準確。

在目前的專家系統中常用的推理實現方法有正向推理、反向推理和正反向混合推理3種。在智能評估系統中，采用的推理方式是正向推理。正向推理［8］是以已知事實作為出發點的推理，又稱數據驅動推理。正向推理的基本思想是:首先從用戶提供的初始事實出發，在知識庫中找出當前可適用的知識，構成可適用知識集，然后按照某種沖突消解策略從知識集中選出一條知識進行推理，并將推出的新事實加入到數據庫中作為下一步推理的已知事實;在此之后再在知識庫中選取可適用知識進行推理，重復進行這一過程，直到求得所要求的解或知識庫中再無可適用的知識為止。正向推理的主要優點是允許用戶主動提供有用的事實信息，而不必使用戶等到系統需要時才提供。某推進電機啟動操作的推理機的實現方法如圖2所示。

圖2 推進電機啟動操作推理機制圖Fig.2 The diagram of propulsion motors operation

在某次操作結束后，如出現了以下錯誤操作:沒有正確完成正倒車轉換開關前進或者后退的操作;航行轉換開關置于啟動2時勵磁電流偏離最大值40%;操作時間超過正常時間的2.5倍以上。根據推理機的搜索策略，與知識庫前提知識進行匹配，得出相應結論。分別以重大操作錯誤、中等操作錯誤、一般操作錯誤出現的概率形式記錄在評分的結果中。然后可將記錄的結果轉化為百分制。

在輪機模擬器對受訓人員的考核中，評估結果會受到多個因素的影響，且具有模糊性，應用模糊綜合評判對培訓考核進行評估，是一種十分有效和簡潔的方法。因素集、判斷集和評判矩陣是模糊綜合評判的3要素。培訓考核評估的因素集是考生選擇考核的項目和子項目，判斷集可以根據實際情況設置，而評判矩陣由程序按照預定的算法計算出來。權重向量由教練員根據實際經驗確定，但也可在系統的運行過程中進行調整，調整后的權值作為新的默認值覆蓋原值。模糊綜合評判法較好地解決了智能評估系統中模糊的、難以量化的問題以及各種非確定性問題。

3 自動評估系統軟件設計

自動評估系統軟件設計要實現的目標:1)建立對考核人員實際操作的語言評價機制，根據評估結果，對考核人員的不同方面，如熟練程度﹑排出故障的能力以及知識掌握情況等，進行評價;2)對評估結果進行全面的記錄，通過分析記錄的數據，掌握考核人員的學習狀況。3)評估系統能靈活的修改相關評估參數，并有相當的人機交互界面。

評分系統開發的基礎是已經熟練地掌握了動力系統的操作使用和模擬器運行原理，同時已經知道了評分算法和軟件實現方法。在分析研究輪機模擬器軟件和硬件特點的基礎上，提出智能評估系統的總體設計方法。其中關鍵是弄清它們之間如何通信以及軟件之間怎樣進行數據傳輸，并設計如何獲取原始數據進行分析。輪機模擬器軟件之間數據的流通圖如圖3所示。

圖3 輪機模擬器軟件之間數據的流通圖Fig.3 Data circulate in the engine room simulator software

開發智能評估系統可以采用不同的編程語言，通常采用的開發工具有VC++、VB.net和C++Buider。針對某潛艇動力系統模擬器培訓開發的自動評分系統，編程開發環境采用VB2008.net，數據庫為 SQL Server2005。模擬器的仿真建模軟件為SimuEngine，監控軟件是組態王。在輪機模擬器軟件之間數據的流通圖中，SimuEngine從組態王中獲取需要的數據信息，同時將運算后的數據反饋給組態王，然后組態王再傳遞給其他軟件。PLC控制器將控制臺的操作信息處理成計算機能識別的信號，并與組態王軟件之間進行通信，將操作信息記錄到組態王軟件的變量中。組態王軟件再將需要記錄的變量存儲到數據庫的表中。

輪機模擬器智能評估系統核心功能是，在考生操作了相應的考試科目后，對考生的操作進行自動評估，并給出評估結果。一個好的評分系統應該能夠真正面向的對象，是培訓的考核任務。它不僅能夠評分，還能夠對考核過程進行管理，對考核數據進行分析，以及考核結果保存。智能評估系統工作的主要流程，如圖4所示。

圖4 評估系統操作流程圖Fig.4 The operation diagrem of evaluation system

啟動評分系統以后，可以設置考核的狀態，實現考核工況的管理。在考核前，對控制臺實現初始化狀態的檢測，并對系統進行初始化，實現數據庫的清空、變量賦初值以及控件屬性的設置。

進入考試后，能夠采集考試過程中考生的操作數據，實現相應的評分算法，同時，在考核過程中還能實時的顯示一些重要信息，例如剩余時間、考生的操作步驟、模擬量的變化情況。

考試結束后，可對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。

系統開發過程中主要解決的技術難題，獲取考生操作的數據及數據的預處理，評估算法的實現，良好的人機界面的開發，數據庫問題。

評估系統的調試主要是發現系統存在的錯誤和缺陷，同時調整權重系數的分配使評估算法更加合理，使評估的結果更可信。在與輪機模擬器的聯調過程中，不斷的修正評估系統，使兩者能緊密協同工作。

4 結語

輪機訓練模擬器在培養船舶操縱人員中發揮著重要作用，能提高培訓效率，節約培訓時間，降低培訓成本。論文在研究某輪機模擬器工作原理后，以智能評估系統實際開發過程為基礎，提出了模擬器訓練考核評估系統設計過程中必須解決的關鍵性問題及相應的解決方案。重點介紹了智能評估系統設計的一般原理，系統各部分的功能，評分算法研究以及系統實現和調試方法。

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