艦船動力裝置操作訓練考核評估*

(1.91447部隊 大連 116041)(2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

艦船動力裝置操作訓練考核評估*

張緒夫1聶偉2

(1.91447部隊 大連 116041)(2.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

艦船動力裝置訓練系統在培養操縱人員中發揮著重要的作用,它提高了培訓效率,并降低了培訓成本。論文在研究了艦船動力裝置訓練系統工作原理后,以系統實際開發過程為基礎,提出了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。重點介紹了評估系統設計的一般原理,研究的基本方法,評估算法研究以及系統實現和調試的方法。

艦船動力裝置;考核評估;評估算法

ClassNumberU644.1

1 引言

當實船培訓已經不能滿足日益增長的對海員的需求時,人們就在尋找更加高效、安全和低成本的培訓方式。20世紀60年代,荷蘭制造了第一臺航海訓練模擬器,為培訓海員指引了一個很好的途徑。此后,更好且接近實船的訓練模擬器不斷被制造出來,20世紀70年代后,很多國家開始進行航海訓練模擬器的研究和生產[1～3],挪威的NORCON公司先后研制出Dieselsim和PPT2000系列輪機模擬器,英國Transas公司研制的ERS2000型和ERS3000型輪機模擬器、德國STN公司研制的SES4000系列輪機模擬器,代表了國際較高水平。船舶訓練模擬器在海員培訓的任務也越來越突出。現在的輪機訓練模擬器包含系統仿真工作站、服務器、相關控制臺、配電盤和VR工作站以星型網絡結構構成的分布式仿真系統[4]。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,還增加了機艙巡回檢查和結構維修功能。考核評估系統作為訓練模擬器的一個重要組成部分,也不斷得到發展。現在的評估系統不僅能夠實現操作評估的功能,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。

2 艦船動力裝置訓練系統

論文研究的艦船動力裝置操作訓練系統,所有控制臺都與實船一致,控制臺中的模塊可以與實船進行互換,訓練模擬器的操作有很強的真實感。了解實際動力系統的運行原理和操作使用方法是開發考核評估系統的基礎,是評估算法實現的關鍵,通過熟悉操作,需要對所有操作進行分類,這是對可能出現的錯誤操作進行判斷的根據,也是錯誤操作權重分配的重要依據。

輪機訓練模擬器是現代科技的產物,通過在岸上還原實船的操作環境和感覺,實現培訓海員的目的。艦船動力裝置操作訓練系統由柴油機、發電機、推進系統以及其他輔助控制設備組成。所開發的輪機模擬器,是一種半實物仿真系統。它包含船舶動力控制系統的所有設備,并且盡量做到與實船一樣的工作環境。因此,控制臺的放置、艙室的布置情況以及聲音的模擬盡量做到和實船一致,讓培訓人員有在實船上操作的感覺。艦船動力裝置操作訓練系統的組成原理,如圖1所示。

圖1 艦船動力裝置操作訓練系統組成原理圖

艦船動力裝置操作訓練系統的硬件組成主要包括動力系統控制臺,PLC控制器,監控計算機,仿真計算機以及聲模擬系統等。

PC機系統與PLC控制器等采用TCP/IP協議連接在同一級以太網上,形成一個以交換機為中心的星形拓撲的網絡結構,保證了數據高效實時傳遞。仿真建模系統由仿真支撐平臺軟件SimuEngine實現,其主要用于船舶動力系統主要設備的動、穩態特性仿真,動力系統正常和故障工況的操作仿真,以及與其它系統之間的互聯等。

監控系統主要由組態軟件開發實現,它通過OPC程序與仿真系統之間實現數據通信,能夠通過SimuEngine提供的API接口函數來實現考核工況、運行狀態和各種故障的設置。

PLC控制器與控制臺上的硬件設備相連,并通過監控軟件與仿真軟件之間進行通信。PLC將控制臺上開關和按鈕的狀態實時地傳遞給監控軟件,仿真軟件將運算后的數據傳遞給PLC,PLC控制控制臺上指示燈和儀表的變化。模擬器系統運行起來后,培訓人員在相應的模擬艙室,可以完成教學和考核任務。

3 考核評估系統關鍵技術

考核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。一個好的評估系統應該能夠真正面向對象,是培訓的考核任務。它不僅能夠評估,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。同時,應該具備有非常好的交互界面。

3.1 考核評估系統主要功能

艦船動力裝置操作訓練系統如果沒有評估系統,也能夠完成所有項目的訓練任務。但在考核時,只能依靠考官實現考核人員的操作評估,這對考官的專業知識要求非常高,同時效率也比較低。自動評估系統替代考官后,能更客觀、更公開、更專業評估被考核人員的操作水平。

評估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,同時已經知道了評估的算法和軟件實現的方法。所開發的評估系統應具備以下功能:

首先能夠實現考核的管理,啟動考核評估系統以后,可以設置考核的工況,在考核前,對控制臺實現初始化狀態的檢測;

然后,在進入考試后,能夠采集考試過程中考生的操作數據,實現相應的評估算法,同時,在考核過程中還能實時地顯示一些重要的信息,例如剩余時間、考生的操作步驟、模擬量的變化情況;

最后是考試結束后,重要信息的輸出和存檔。

3.2 考核評估系統組成原理

考核評估系統要實現對動力系統模擬器考核過程的管理,必須有自己獨立的操作界面,能夠與仿真軟件之間進行通信,有相應的評估算法和數據庫系統。所設計的考核評估系統主要組成和原理,如圖2所示。

圖2 考核評估系統組成原理圖

良好的人機交互界面有利于模擬器系統的使用和管理,其開發的基本原則是簡單、易操作、重點突出、外觀流暢。

數據接口程序,實現訪問仿真平臺軟件SimuEngine變量的功能,并通過API函數實現對仿真過程的啟動、運行、凍結和停止的功能,同時對獲得的數據進行初步的處理。

初始化程序,主要是判斷控制臺設備的初始狀態是否與考核工況一致,如果不一致,進行相應的提示,并不能進行考核。

評估算法,不同的考核工況對應不同的算法程序,評估算法中的權重分配和規則的修改都可以通過人機界面進行修改。

數據庫,用來保存考試過程中的一些重要信息,主要包括考生的操作信息和考核結果信息。

3.3 評估算法研究

評估算法是系統設計中最困難的工作,一種合理高效的評估算法對評估系統的建立是非常重要的。文獻[5]提出了根據模糊綜合評判的方法,建立多級評判,并且根據群組決策AHP的基本方法確定各因素在整體中的權重。它將操作員培訓成績分為操作質量、操作步驟、事故處理和教師印象四個部分。文獻[6]中針對船舶電站仿真訓練器提出以專家知識為指導,建立基本涵蓋船舶電站所有操作的五類考核評估準則,并以此為基礎,研制了一套船舶電站仿真訓練器的培訓評估軟件。文獻[7]中提出采用模糊數學結合系統分析的理論進行模擬器自動評估的方法。文獻[8]對司爐工仿真培訓自動評估系統進行了研究。文獻[9]采用大系統理論中的“分解-綜合”方法,以電站領域的專家知識為基礎,提出了六類考核評估準則,建立了一種應用于電站仿真機培訓評估系統。

在綜合分析了各種方法后,針對實際的研究對象,本文采用了一種比較高效合理的算法。以專家知識為指導,結合層次分析法,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潛艇安全性的影響,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的準則,實現考評的目的。同時,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的完善。

3.4 考核評估系統設計

開發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。本系統采用VB2008.net進行開發。系統工作的主要流程,如圖3所示。

圖3 評估系統操作流程圖

系統開發過程中主要解決技術難題,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,不斷地修正評估系統,使兩者能緊密協同工作。

4 結語

從開發艦船動力裝置操作訓練考核評估系統的角度出發,介紹了研究對象的基本原理,研究了考核評估系統主要功能和組成原理,并提出了一種新的考核評估算法。論文以所開發的評估系統為對象,探討了艦船動力裝置操作考核評估所涉及的關鍵性問題。考核評估系統在實際應用中也取得了較好的效果。

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ExaminationandScoringofOperationTrainingofShipPowerEquipment

ZHANG Xufu1NIE Wei2

(1. No. 91447 Troops of PLA, Dalian 116041)

(2. Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The training system of ship power equipment plays an important role in training operating personnel as it improves the training efficiency and reduces training costs. Based on the practical experience of the ship power system, the working principle of training system of ship power equipment is studied, the key issues and the corresponding solutions of examination and scoring of proposed training system design process are proposed. The assessment of the general principles of system design, basic research methods, evaluation algorithm and system implementation and debugging methods are emphasized.

ship power equipment, examination and scoring, evaluation algorithm

2013年11月2日,

:2013年12月10日

張緒夫,男,助教,研究方向:艦船動力裝置自動化。

U644.1DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.029