水罐消防車仿真訓練系統自動考核的功能設計

陳智慧，張曉青

(武警學院 消防指揮系，河北，廊坊 065000)

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水罐消防車仿真訓練系統自動考核的功能設計

陳智慧，張曉青

(武警學院 消防指揮系，河北，廊坊 065000)

水罐消防車仿真訓練系統可代替實裝，完成不同火災場景下的水罐消防車技術訓練。針對水罐消防車仿真訓練系統中計算機自動考核的功能需求，通過考核設置、考核記錄和自動評分功能的設計，實現水罐消防車單環節操作訓練及協同操作訓練的計算機自動考核。

水罐消防車；模擬訓練；人工智能；自動考核

計算機仿真技術及虛擬現實技術已有多年的歷史，國內在消防培訓領域的研究，主要是針對大型火災和事故救援作戰指揮的仿真訓練[1-4]。由武警學院研發的“水罐消防車仿真訓練系統”，將仿真技術應用于水罐消防車訓練，實現了“教-學-練-考”一體化[5]。該系統實現了仿真教學、操作訓練、過程記錄回放和自動考核等功能，其中，自動考核功能的設計和實現，不僅解決了人工評判和僅針對操作結果評判等考核方法存在的諸多問題[6-7]，更為使用者有效掌握訓練要點提供了重要的技術支撐。訓練過程中，計算機可完成各操作節點的狀態記錄并據此完成考核成績的自動評判，不僅能夠為使用者提供正確操作的引導，還可提供可選的操作訓練記錄回放功能，以便隨時、多角度觀看操作訓練過程。

1 概要設計與設計原則

根據系統功能的設計目標，水罐消防車仿真訓練系統的自動考核功能需要自動記錄訓練操作中各個關鍵操作的狀態或結果，并結合考核評判規則，對使用者的當前操作訓練進行自動評分。為了實現這一過程，水罐消防車仿真訓練系統的自動考核功能應主要包括考核設置、考核記錄、自動評分等過程。

首先，要實現自動考核，必須對考核點、考核規則、評分規則等內容進行設置，將設置內容存儲在數據庫表中。其中，考核點指定訓練操作過程中需要記錄的狀態或結果的操作節點，考核規則說明考核點應該記錄的內容以及考核點之間的相互關系，評分規則指明該考核點不同操作狀態或結果對應的不同得分。其次，在操作訓練的過程中，根據考核設置中指定的考核點和考核規則，自動記錄相關操作點的內容，并將其寫入到相應的數據庫結構中進行存儲，即考核記錄。最后，根據考核記錄內容和設置的評分規則，計算機自動計算當前操作訓練應該得到的分數，并給出得分及未得分的原因。考核成績存儲在數據庫中，可以根據考核人、考核時間、考核科目等內容隨時進行查詢。

依據上述概要設計，水罐消防車模擬訓練考核體系的設計需要遵循以下四項原則：一是每項訓練操作對應且唯一對應一棵由該項訓練所有考核點組成的完整考核邏輯樹。二是處于同一考核邏輯樹上的考核點，如果父考核點沒有操作，則子考核點操作無效。三是采用一次通過考核方式，即在同一次訓練中，同一考核點操作以第一次操作結果為準。四是作為前置條件的級聯考核點未得分，則當前考核點不進行考核。

2 考核設置

考核設置是水罐消防車仿真訓練系統自動考核功能的首要條件，包括對考核點、考核規則和評分規則的設置。初始設置需要在系統運行前完成，運行過程中可以根據需要對其進行改變。

2.1 考核點設置

考核點是在某一具體操作訓練設計時確定的，可以是某一具體操作，也可以是某一段操作過程。指定考核點時需要明確考核點的類型，目前考核點的類型主要有操作類、狀態類兩種。操作類考核點對應于訓練中的某個操作，狀態類考核點一定與某一操作類考核點關聯，是該操作所引起的狀態變化。每一個狀態類考核點能且只能對應一個操作類考核點，而一個操作類考核點可以同時有多個狀態類考核點與之關聯。

2.2 考核規則設置

對于一個具體訓練的所有考核點來說，首先按照邏輯的必要性進行分級。例如，消防車點火之后才能進行掛檔、開警燈等操作，那么消防車點火就需要放在第一級別，掛檔、開警燈則放在其下的第二級上，與消防車點火不存在邏輯關系的考核點可以放置在第一級別上。對于同一級別上的考核點操作，應按照正確操作流程進行排序。

此外，在模擬操作訓練過程中，某些考核點在邏輯上并不存在必然的先后順序，但根據實際業務或者安全性等其他要求，這些考核點之間也需要有關聯關系，這種關系就表現為級聯關系。例如，穿戴空氣呼吸器和進入火場之間并不存在必然的先后順序，但基于消防員安全防護要求，實際操作時，進入火場之前需要穿戴空氣呼吸器設備。

這些考核點之間因邏輯或業務產生的關聯關系就是考核規則，依據這些設定的考核規則，水罐消防車仿真訓練系統將每項訓練包含的所有考核點組成一棵考核樹，該樹將成為后續記錄考核狀態的重要依據。根據設計原則要求，每一個訓練只能有一棵考核樹與之對應。

2.3 評分規則設置

對于每一個考核點，需要設計相應的評分規則，作為系統自動評分的依據。評分規則表現為兩類，一類為根據考核點狀態或是否操作給出對應的分值，另一類為根據考核點記錄數值判斷屬于不同的區間范圍，對于不同的區間給予相應的分值。

設定的分值采用權重這種相對性的形式表現，即該考核點最后得分需要取決于考核點設定值以及該項訓練中所有生效考核點設定總值。

考核設置的考核點信息主要包括考核點名稱、考核點類型、等級編號等內容。等級編號為該考核點在邏輯樹中的位置。級聯考核為該考核點是否為前置級聯考核點，每個考核點可能有0個或多個級聯考核點。表1為水罐消防車仿真訓練系統駐車訓練的考核點設置的相關信息。

表1 訓練的考核點設置信息

3 考核記錄

考核記錄主要發生在系統運行時和開始某項操作訓練后。考核記錄功能根據考核設置信息，按照深度遍歷的方式遍歷該訓練的考核樹，如果使用者按照正確的操作順序進行模擬訓練，考核點的觸發順序應該與考核樹的深度遍歷順序一致，因此，在遍歷考核樹中每個考核點時，實時記錄每個考核點的狀態信息或操作數值，如果跳過了某個考核點，此考核點操作狀態不記錄，相應考核分數為零。

記錄考核點狀態時，也會查詢其級聯考核點的狀態，如果級聯考核點狀態符合，則如實記錄當前考核點的狀態，如果級聯考核點狀態不符合，則當前考核點狀態不記錄，相應考核分數為零。

與評分過程的觸發時機不同，考核點操作狀態的記錄過程是隨考核操作實時發生的，因此，即使操作訓練沒有按照正常的過程結束，該項操作訓練的考核過程仍有記錄。

4 自動評分

根據考核記錄功能所記錄的操作過程數據、考核設置功能設置的評分規則數據，自動評分功能可以對已經完成的操作訓練進行計算評分。

自動評分是在操作訓練完成時，由系統后臺程序自動進行的，評分結果將會記錄在考核結果相關的數據結構中。因為自動評分需要操作人員正確完成考核指令后進行，所以非正常結束的操作訓練沒有考核成績。

自動評分是按照百分制規則進行的，依據考核設置中設置的考核點評分權重，自動評分功能會將當前考核點的設置權重與該項訓練所有生效考核點的權重之和進行比較，并將計算比例與考核點得分相乘，從而獲得當前考核點的實際得分。因為無法保證權重比例與考核點得分的乘積為整數，因此存在四舍五入的問題，可以通過改變評分計算順序中最后一個考核點得分的計算方法，來確保分項得分之和為100分。

5 結論

為實現上述設計，考慮到自動考核還需要支持多人在線協同訓練，因此，為方便使用者，自動考核功能中的考核設置由B/S結構的程序實現。此外，對于已經設定的考核信息和評分結果信息的查詢，也是由B/S結構的程序來實現，考核記錄以及自動評分則是在多人協同訓練中的主機(單環節訓練是指運行客戶端程序的本地機器)上進行，由C/S結構的程序處理。

訓練過程的自動考核一直是模擬訓練系統實現過程的難點之一，如何方便、科學地實現對模擬操作過程的考核記錄，并能夠自動計算考核結果，是每一個模擬訓練系統必須面臨的問題。本文描述的水罐消防車仿真訓練系統訓練考核功能的設計，為此類問題的解決提供了一個切實可行的參考樣例。

[1] 袁狄平，王盡飛，靳學勝．基于X3D 技術的化學災害事故處置在線培訓系統[J]．中國安全生產科學技術，2012，8(8)：137-142．

[2] 袁狄平，靳學勝，張曉麗，等．沉浸式滅火救援計算機模擬訓練平臺的開發[J]．消防科學與技術，2012，31(2)：162-165．

[3] 袁狄平，王國臣，張靖，等．油罐火災滅火指揮計算機模擬訓練系統[J]．消防科學與技術，2003，22(6):531-532．

[4] 靳學勝，袁狄平．大型石化儲罐庫區消防虛擬訓練仿真系統研究[J]．消防科學與技術，2009，28(12):934-936．

[5] 陳智慧.水罐消防車仿真訓練系統的設計與實現[J]．武警學院學報，2015，31(10)：13-16．

[6] 陳萱華，楊玲.面向仿真系統的自動測評關鍵技術研究[J]．計算機與現代化，2012(11):59-65.

[7] 李婧，陳浩．軍用UUV保障訓練考核系統[J]．兵工自動化，2012，31(11):1-5．

(責任編輯 馬 龍)

Design of Automatic Evaluation Function of the Simulation Training System for Water Tanks

CHEN Zhihui, ZHANG Xiaoqing

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A computer simulation training system can replace actual water tanks to conduct the training in different fire scenes. The automatic evaluation function can be realized through the design of rule setting, operation recording and automatic scoring. Water tank training and coordinated training can also be automatically evaluated in this simulation system.

water tank; simulated training; artificial intelligence; automatic evaluation

2017-02-22

河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“基于虛實結合的消防技術裝備課程教學模式研究”(2016GJJG241)

陳智慧(1971— )，女，河北廊坊人，教授; 張曉青(1977— )，女，山西長治人，副教授。

D631.6;TU998.1

A

1008-2077(2017)06-0015-03