基于XML的船舶防污染設備實操評估智能仿真系統開發

王永堅, 陳 丹, 陳景鋒

(集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021)

基于XML的船舶防污染設備實操評估智能仿真系統開發

王永堅, 陳 丹, 陳景鋒

(集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021)

針對當前輪機員實操評估存在的問題及虛擬現實等現代信息技術在船員培訓中的創新應用，采用3DSMax等通用建模軟件構建具有交互功能的船舶防污染設備仿真場景。以Visual Studio為開發環境，以Ajax為通信手段，綜合運用C++程序語言和可擴展標記語言XML設計實現防污染設備實操項目在線評估與訓練系統。從系統整體設計結構、高逼真度仿真場景搭建、試題編輯模擬器開發、模糊綜合自動評判系統設計及考核評估過程實現等方面詳細分析系統的設計過程及其應用功能。經船員考試中心測試、應用，該系統取得了令人滿意的效果。

XML； 防污染設備； 實操項目； 智能評估； 仿真

Abstract: Aimed at solving the problems existing in scoring operation skill of marine engineers and introducing modern information technology, such as VR, into the simulator, a three-dimensional scene of marine pollution prevention equipment with interactive features is built with 3DSMax modeling software in Visual Studio environment. The design and implementation of the online training and scoring simulator system of pollution prevention equipment comprehensively applies C++ and XML programming language and Ajax communication design. The simulator system is analyzed in detail and its application functions are described covering the whole design process, the high fidelity simulating scene modeling, the developing of test question compiling simulator, the design of automatic scoring system with fuzzy comprehensive evaluation and the implement of scoring process, etc. Trial operation in the crew test center of MSA gives satisfactory results.

Keywords: XML; pollution prevention equipment; practical operation program; intelligent evaluation; simulation

國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)頒布的《經2010年修正的1978年海員培訓、發證和值班標準國際公約》及我國海事局2011年頒布的《中華人民共和國海船船員適任考試和發證規則》等與船員適任考試相關的法規對船員實操評估提出了比以往更高的要求。當前，輪機員的實操訓練與評估大多采用實物設備，存在受訓人員有限、設備不足等問題[1]，影響培訓質量。針對目前輪機員實操訓練與評估存在的不足及虛擬現實等現代信息技術在船員培訓中的應用[2]，以一艘剛下水的母型船(57 000載重噸散貨船)的防污染設備及機艙實際布置為研究對象，設計高逼真度、遠程、具有人機交互功能、適用于輪機員實操訓練與評估的船舶防污染設備實操評估智能仿真系統。

1 系統開發環境與整體結構介紹

1.1系統開發環境

船舶防污染設備實操評估智能仿真系統二維和三維仿真場景由3DSMax(3D Studio Max)等通用建模軟件搭建而成；采用Visual Studio 2013對場景中各操作設備的狀態、操作邏輯及人機交互功能進行設計；運用C++語言的程序設計風格多樣、支持多種數據庫等優點進行程序編寫；利用可擴展標記語言XML(eXtensible Markup Language)的數據描述能力[3]強大、易于在任何應用程序中讀寫數據及擁有嵌套的信息結構等優點進行實操仿真操作時事件綁定和參數變量數據儲存等文檔的記錄。在通過C++解析XML的過程中，系統首先利用DOM(Document Object Model)解析器，運用樹狀層次結構[4]將每道實操題的XML文件加載到內存中，并構成與之相對應的節點樹；然后使用節點(Node)間的鄰居、父子等邏輯關系讀取這些節點，獲取各道實操題XML文檔的全部信息。

1.2仿真系統的功能及整體結構

防污染設備實操評估仿真系統是建立在虛擬現實環境中的采用B/S(Browser/Server)架構[5]、可進行全景漫游、具有人機交互功能的仿真考試系統。系統可通過網絡，由學員遠程利用交互工具(鼠標和鍵盤)在實操評估仿真系統虛擬場景內完全模擬實際操作環境，進行常規實操項目及設備故障排查項目的訓練與考核評估。

整個系統以仿真模型搭建與評估操作界面設計分開進行的方式實現，以使場景模型在不同實操智能題的編輯設置中得到充分利用，便于試題編輯人員利用該系統完成各類實操智能題的編寫。仿真系統的整體設計結構見圖1。

圖1 仿真系統的整體設計結構

1) 主控程序模塊：通過輸出相應的程序命令和數據完成仿真模型的渲染、試題編輯模擬器實操題編輯信息的存儲與更新及學員進行仿真操作時各種信息的讀取等。此外，系統中其他3部分功能的有機聯系也通過該模塊實現。

2) 試題編輯模擬器：用于試題編輯人員新增實操試題或對原有試題進行修改、編輯。

3) 實操仿真操作界面：學員可利用該界面完成防污染設備實操題的練習與評估。

4) 仿真場景模塊：存放并提供各種具有動畫效果的虛擬仿真模型。

2 仿真系統虛擬仿真場景的搭建

防污染設備實操評估仿真系統虛擬現實仿真場景(模型)搭建包括模型搭建、場景優化和場景對象動畫設計。仿真場景搭建是指首先通過采集經Photoshop處理的母型船機艙實際布置圖、各防污染設備現場圖及相關技術資料，綜合運用3DSMax和Pro/E(Pro/Engineer)等通用建模軟件，完成機艙、油水分離器及生活污水處理裝置等防污染設備虛擬場景的搭建；接著在3DSMax環境中對各模型進行燈光、烘焙和抗鋸齒處理以提升模型的逼真度，并將模型數據格式轉換為*tbd專用格式；最后在3DSMax中加載，使用專用圖形渲染引擎TDuExpertor工具將其轉換為三維仿真引擎的專用優化格式。

為提高仿真場景渲染速度，通過使用TDuExpertor，采用高倍壓縮、優化幾何面、合并相近點[6]、改進貼圖方式、優化和重復貼圖及相同物體采用引用機制等方式對場景模型進行優化。通過以上處理，可獲得數據大小級別為10K～2M的場景模型，達到大小與網頁中使用的JPEG(Joint Photographic Experts Group)圖片大小相同的級別。

為便于在試題編輯模擬器配置文件(XML文件)內根據實際操作步驟和邏輯進行仿真操作過程設計，必須事先在3DSMax環境中對防污染設備場景內的各組成部件設置必要的動畫效果，例如：控制箱上的各種旋鈕、儀器儀表及管路中的閥門等設備的操作采用旋轉命令(變量類型Rotation)獲取動畫路徑，再利用關鍵幀記錄進行動畫設置；控制箱上的啟動/停止按鈕采用點擊命令(變量類型Hit)設置動畫；對于液體的流動，通過利用不同的觸發部件控制粒子流動。圖2為具有動畫效果的船舶生活污水(黑水、灰水)處理裝置仿真場景。

3 實操項目試題編輯模擬器的開發

為便于試題編輯人員和海事主考官根據《海船船員適任評估規范》相關要求，基于已搭建的具有動畫效果的防污染設備虛擬仿真場景進行組題操作，系統開發試題編輯模擬器。該模擬器能為不同類型實操題的新增或修改提供可視化的編輯界面，并可對設置好的試題進行模擬測試。利用該模擬器，教練員或評估員也可根據學員的實際能力和考核重點在仿真練習或評估現場臨時對原有試題進行修改或重置，保存后重新生成一道實操試題，在方便現場考試的同時提高考務管理效率。

圖2 具有動畫效果船舶生活污水(黑水、灰水)處理裝置仿真場景

3.1試題編輯模擬器的設計

試題編輯模擬器主要由位于編輯界面左側的導航編輯模塊、中部的TDuExpertor仿真場景顯示區及右側的對象屬性編輯模塊等3個功能模塊組成(見圖3)，各模塊的功能簡述如下。

圖3 試題編輯模擬器編輯界面

3.1.1導航編輯模塊

該模塊由參數定義與設置、邏輯定義與設置、自動評判設置和視點設置等4個子模塊組成。

(1) 參數定義與設置模塊用于定義不同操作對象變量參數的名稱并通過“對象屬性編輯模塊”設置參數范圍，這些設置能實時保存在管理數據庫配置文件中。

(2) 邏輯定義與設置模塊用于新增邏輯變量或對已定義場景變量的名稱進行修改，其邏輯功能設置可通過“對象屬性編輯模塊”完成。

(3) 自動評判設置模塊：對于每道實操題，首先設置仿真操作邏輯、操作時間、操作動作的違規嚴重程度及操作動作是否到位等；接著采用模糊綜合評判法，通過學員最終操作時間、操作邏輯、操作準確性和是否完成操作等因素集對學員仿真操作過程進行自動評判。

(4) 視點設置模塊用于在仿真操作過程中快速切換到需要的操作設備，在場景內根據設備在操作中的功用設置不同的視點，方便學員根據操作需要切換到相應的界面。

3.1.2TDuExpertor仿真場景顯示區

根據實操題的內容和相關要求加載與試題相對應的二維和三維仿真場景；同時，具有實時顯示“視點設置”不同視點切換畫面及“對象屬性編輯模塊”新增或修改實操題邏輯條件和狀態參數值后場景對象出現的狀態變化的作用，便于試題編輯人員進行試題編輯。

3.1.3對象屬性編輯模塊

對導航編輯模塊中的各個變量進行詳細描述。例如，選中“參數定義與設置”中的某個對象變量時，對象屬性編輯模塊將顯示該變量詳細的內容并可進行參數修改、當前值設置及變量類型改變等操作。通過該模塊，教練員或評估員可根據實際需要臨時進行實操智能題相關參數修改、變量增減及故障點設置等操作，經程序刷新后在TDuExpertor仿真場景顯示區中顯示相應的變化。

此外，試題編輯模擬器還設有新建、打開及保存文件和加載場景等功能。

3.2自動評判模塊的設計

自動評判模塊是防污染設備實操仿真系統的一個重要組成部分，置于“自動評判設置”之中；根據評估規范要求，結合設備實際操作特點，采用模糊綜合評判法對其進行設計。

3.2.1選擇評價因素

模糊綜合評判法的評判因素[7]包括因素集和評價集，其中：因素集是包含影響評判的對象各方面因素的集合；評價集是評判者對評判對象進行評估時可能給出的各種評判結果的集合。根據學員的操作特點和設備故障排查要求，選定操作時間(U1)、操作準確性(U2)、操作完成與否(U3)和故障正確判斷與否(U4)作為評價因素。常規操作題因數集取U常規=(U1,U2,U3)；設備故障排查題因數集取U故障=(U1,U2,U3,U4)。根據規范要求，考核等級分為正確/熟練(100分，V1)、正確/較熟練(80分，V2)、正確/熟練程度一般(60分，V3)和操作差(40分，V4)等4個等級，建立評判集V=(V1,V2,V3,V4)。

3.2.2確定隸屬度和權重

模糊集合Ri=(rij,…,rim)為對第i個考核因素ui的評判結果。rij越大，表明ui與vj之間的聯系越密切。[8]單因素評判矩陣是以各單因素評判集的隸屬度為行組成的矩陣：

(1)

學員進行實操評估時，各道實操題評價集的單因素隸屬度是不同的，系統根據學員每次仿真操作的完成情況來確定隸屬度。由于因素集中各因素在評判時的重要程度不同，因此權值也不相同。由各權值組成權重集A=(a1,a2,…,an)，根據評估專家和海事主考官的建議，得到常規操作題各因素集權重A常規=(0.2,0.4,0.4)；設備故障排查題各因素集權重A故障=(0.15,0.15,0.30,0.40)。

3.2.3建立模糊綜合評判模型

(2)

例如，在對某道常規實操題進行評估時，學員最終操作時間為9 min，規定時間為15 min，學員共計操作60步，其中25步與該題無關，最終成功啟動油水分離裝置。由此可得出單因素評判矩陣：

(3)

由權重集A常規=(0.2,0.4,0.4)及式(3)，可得B=(0.40, 0.08, 0.52, 0);將B及評價集V=(100, 80,60,40)代入到式(2)中，最終可得學員該題的最后得分為N常規=77.6分，取78分。

此外，評估員也可根據每道實操題的考核重點，通過試題編輯模擬器“自動評判模塊”對評價集及因素集的權重進行修改，完成每道實操題自動評分標準的設置。

3.3實操智能題的設置過程

針對防污染設備實操智能題(常規操作題和設備故障排查題)的設置，主要利用試題編輯模擬器強大的試題編輯功能及已建好的具有動畫效果的仿真場景來完成實操題的編輯工作，過程簡述如下。

1) 試題編輯人員根據《評估規范》對實操項目的要求，通過配置文件(XML)的方式將設置好的試題題干、設備初始狀態和操作要求置于模擬器相應區域，供學員訓練或考核時實時查看。

2) 在模擬器TDuExpertor仿真場景顯示區設置與所設試題一致的仿真場景，并通過模擬器邏輯、參數等定義與設置模塊進行命名；同時，在“對象屬性編輯模塊”中編輯相應的參數和操作邏輯，經程序刷新后在顯示區內觀察設備的狀態變化是否符合要求。

3) 根據試題的考核重點，在“自動評判設置”模塊中進行操作時間、操作準確性及故障是否正確判斷等評價因素分值和權重的設置，完成實操題評判設置。

4 防污染設備實操項目在線智能化評估過程的實現

防污染設備實操評估仿真系統的終端既可安裝在海事主管機關授權的船員考試中心供輪機員實操項目評估使用，也可利用互聯網讓學員通過實時訪問考試中心服務器進行評估前的遠程仿真訓練。其具體實現流程見圖4。

圖4 基于B/S結構的船舶防污染設備實操項目智能化評估實現流程

1) 評估時，海事服務中心通過局域網下發已編輯好的實操項目試題包，考試終端接收到試題包后啟動仿真系統，完成各功能模塊的初始化設置，并根據獲取的智能實操題信息從資源庫中加載對應的仿真場景。

2) 加載完成后，學員可在考試界面模擬真實的操作環境，完成實操題仿真操作。所有操作步驟、時間、違規情況及操作是否完成等均通過Ajax( Asynchronous JavaScript and XML)通信方式受自動評判系統監控[9]；同時，這些操作信息會實時記錄在作答信息文件中。

3) 學員完成操作后，點擊“提交”或考試時間到，考試終端自動評判模塊根據模糊綜合評判法對學員的操作結果進行自動評判，給出最終得分；同時，將考試結果和得分情況返回給船員考試中心數據庫或上傳到海事服務中心的服務器，進行打印、存檔；如有異議，可進行成績查詢和溯源。

4.1常規操作題

常規操作題指的是試題編輯專家根據實操題的評估要素，結合實際操作邏輯和參數，利用試題編輯模擬器和虛擬仿真場景編輯的實操試題。這類試題僅限于對場景對象進行常規操作。在考核或練習時，學員在防污染設備實操評估系統上點擊已生成的實操題標簽，系統通過網絡自動加載相應的仿真場景，學員可通過交互工具在場景中選定實操題進行評估考核或練習；操作過程受自動評判系統監控，點擊“提交”或考試時間到，系統自動退出并自動進行評判，給出最終得分。圖5為二維、三維仿真場景關聯生活污水處理裝置常規操作實操題交互界面。

圖5 二維、三維仿真場景關聯生活污水處理裝置常規操作實操題交互界面

4.2設備故障排查題

設備故障排查題在線評估或練習的過程與常規操作題類似，不同之處在于學員開始操作時，考試界面場景中會通過相關儀器設備發出聲、光現象，或以儀表直接顯示故障時參數及故障問題等方式顯示與試題編輯人員所設故障有關的故障現象?？己嘶蚓毩晻r，學員首先根據故障現象進行故障問題判斷，在確認故障原因并作出相應的解決后才能進行其他常規操作；操作過程實時受自動評判系統監控，點擊“提交”或考試時間到，系統自動退出并自動進行評判，給出最終得分。

上述2種類型實操題的評估完成后，每道題最終的操作結果和得分情況將反饋給船員考試中心數據庫進行成績管理。

5 結束語

基于XML的船舶防污染設備實操評估智能仿真系統的開發滿足國際公約和國內船員主管機關對船員適任考試實操評估提出的新要求[10]，經船員考試中心測試及學員實際應用，取得了令人滿意的效果。此外，該系統作為整個輪機智能化考試系統的一部分，其開發設計過程將為輪機實操項目智能化考試系統整體研制提供強有力的技術支持。

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《中國航?！肪庉嫴?/p>

AnIntelligentOperationScoringSimulatorSystemforMarinePollutionPreventionEquipment

WANGYongjian,CHENDan,CHENJingfeng

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

TP311.52;U664.9

A

2016-04-25

福建省自然科學基金(2016J01251)

王永堅(1972—)，男，福建晉江人，高級輪機長，副教授，主要從事輪機仿真技術與船舶動力裝置故障分析研究。 E-mail：wyongjian55@qq.com

1000-4653(2016)03-0026-05