船舶電站虛擬操作平臺智能評估系統

李婷云，黃建偉，郭家建

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船舶電站虛擬操作平臺智能評估系統

李婷云，黃建偉，郭家建

（福建船政交通職業學院，福建福州 350007）

虛擬仿真是提高輪機模擬器訓練效果的重要手段之一。為了更好的規避主觀意識或者主觀標準，特別引入智能評估系統，智能評估系統里最重要的參數就是各種評估規則下權重的使用，結合評估算法對人機交互操作進行有效性判斷，提高學員培訓的時效性和仿真真實度。

智能評估 虛擬仿真 評估算法 交互操作 有效性

0 引言

虛擬仿真技術在船員培訓及考核中的應用已經有了大量的探索和前瞻性的研究，輪機模擬器仿真系統的核心是數學模型和三維虛擬模型，包括船舶機艙設備的數學模型、監控系統數學模型、各種控制邏輯模型及交互操作評估模型等。STCW公約采用相當大的篇幅規范了使用模擬器進行訓練和考核的有關規定，采用新型的虛擬模擬器進行智能評估和考核將會成為未來航海教育的重要應用和評估手段。

評估模型的基礎是數學仿真模型、三維仿真模型、交互控制模型和專家評估模型。數學仿真模型主要是利用數值模型模擬實際系統的物理過程，并在實際的仿真實施中，將被仿真系統的物理過程描述成一定的數學模型，將其轉化成計算機處理的離散化模型，最后進行程序編碼以實現對實際物理過程的仿真。

三維仿真模型主要是建立完整的虛擬機艙幾何模型并提供高度真實感場景畫面，提升機艙視景系統的沉浸感，重在對于機艙三維場景漫游的真實感和模型的精度的幾何建模。交互控制模型主要是研究在三維仿真模型的視景系統中參與仿真訓練學員的交互方式和控制算法，以及仿真響應速度，提供一種更易于操作、訓練和研究的真實感和實時渲染速度。專家評估模型主要是對于評估學員在實現機艙設備的場景漫游和人機虛擬交互操作的算法模型和評估建模，對三維拾取過程附加有效性判斷，對三維交互點進行了行為建模和權重評估，給出智能評估操作分析結果。

最后，模型的校驗和仿真的認定也是相輔相成，交替進步的結果，通過各個學員經過一系列的虛擬交互操作模型后，所得出的智能評估結果能否真實反映原系統的真實特性，這也是虛擬交互操作系統必須重視的工作，一方面可以用來驗證研究對象的連續數學模型經過離散化后建模的離散化數學模型是否正確；另一方面也可以通過比較實際系統或實物模型與仿真模型在相同的輸入條件下，輸出結果的一致性程度來衡量模型的準確度。因此，仿真模型的校驗和認定也可以反過來促進仿真質量的提高，以期發現和優化仿真模型及智能評估軟件中的程序錯誤和評估權屬問題。

2 智能評估體系

智能評估是對學員操作訓練及對其掌握的熟練程度進行綜合評估，仿真模型的數據處理和輸出是產生數據庫的關鍵步驟，智能評估的核心是建立層次結構的評估指標體系，通過數值仿真驗證模型的準確性，在可視化仿真環境中實現船舶機艙機電控制系統的實時渲染、自動漫游與交互操作，提升了仿真系統的真實感。智能評估系統根據虛擬模型的交互碰撞和評估算法得出評估結果。該體系是一個遞階層次結構模型，智能評估體系結構按功能劃分為4個層次，包括目標層、評估層、管理層、物理層。其組成結構如圖1所示。

圖1 船舶智能評估結構圖

最高層是總目標層，給出虛擬智能評估的總體目標和智能評估結果，例如船舶電站電能質量評估、船舶電站故障冗余和容錯控制仿真評估、船舶電力系統綜合監控系統分析評估等。中間層又稱評估層、準則層，根據實際仿真的船舶電站機電裝置和評估模型進行系統綜合評價的準則和知識推理評估分析[1]。管理層又稱指標層或權重層，各項指標對應的各項模型的重要程度是不同的，當衡量各項指標對其相關目標的貢獻值時，應該賦予不同的權重。權重的確定可以采用德爾菲法（Delphi）和層次分析法（AHP法）等[2]。前者擅長評估系統預測，在智能評估評價中用于指標權重的選擇，后者則將復雜的系統進行簡化，用一種有序的層次結構和判斷矩陣的方法進行定性定量分析判斷和數學運算結合起來，確定各模型目標的權重。最底層是物理層，根據實際的模型庫和數據庫所提供的操作交互數據來作為指標度量標準的依據，包括指標歸一化、指標定量化，甚至精確到度量分級的標準，以進一步優化模型參數作為參照標準確定評估模型的指標值，如圖2所示。

3 評估操作權重的確定

傳統的輪機儀器操作評估主要是依賴評估員，在具體的評估過程中難免存在一些主觀標準評估或者評估標準不一致的現象，這些現象的存在導致評估的理想狀態難達到。為了更好的規避主觀意識或者主觀標準導致的非評估理想狀態，特別引入智能評估系統，智能評估系統里最重要的參數就是權重的使用。

權重又稱權數、加權系數，是指各評價指標對評價對象影響程度的大小，在多指標評價和預測體系中經常用到權重。即目標對象重要性的度量，反映的是評估系統對目標的重視程度、各目標指標值的差異程度、各目標指標值的可靠程度等。智能評估系統采用的是多層次多指標評價體系，即各個層次中每項目標指標根據不同的工況都有各自不同的權重[3]。優勢在于權重的使用有利于評價指標的評分值。合理確定權重值主要體現在技術性能評估、正確度評估和經濟性評估，使智能評估具有良好的綜合性能和準確性。

4 模糊操作評估判斷

輪機員對船舶電站負載設備操作有多種，如發電機的起停、負荷的轉移、頻率的調整，冷卻水泵的起停，燃油的加熱，油品的切換等，看起來紛繁復雜，難以分類。其實，仔細分析輪機人員對船舶電站負載設備的所有操作過程，可以發現，操作處理過程按目的可分為3種類型：保持穩定工況、工況的切換轉移、突發情況處理。

最難處理的就是憑主觀臆斷出的評價系統，比如采用的是大致、可能、比較等模糊語言，這種評判雖然比較符合客觀實際和人的表達方式，但是對于量化處理有些困難，需要通過一定的方法量化、綜合后才能得到評價信息，這種指標本身模糊性較高、復雜度較大，評價指標具有一定的局限性，需要一定的證據推理方法使其定性量化的結果有成效性[4]，概率分配函數具有一定的不確定性和合理性。

比如評價標準是特征集：

同時對應的模糊詞語集定義為：

可以根據7個類來充分靈活的表達各個模糊詞語，比如表述為肯定時，指標判斷為優；表述為絕對不可能時，指標判斷為差；下面兩個表格分別為模糊詞語的定義集和特征集的定義。

(k=1,2,3,4;j=1,2,...n;) （1）

表1 模糊詞語的定義集

表2 模糊詞語的特征集

由此可根據各專家的知識、理解和偏好上的差異，得出可靠的專家評估意見。假設各指標tl給出n個專家的權重為：

(k=1,2,..n;)

假設一組專家群組中，權重比例最高的專家其判斷結果的可靠性最高，不可靠程度只和專家的經驗、偏好有關。其他專家評判不可靠的相對程度除與自身的經驗、偏好有關外，還與其他同等最高權威的知識的相對差異有關。我們可以對專家指標tl評判的相對可靠性定義為：

屬于專家評價中的未知信息，可以用于多個定性指標的不確定信息進行層次綜合。在具體的實施中通過運用評估模型對相應的輪機機電設備進行評估和考核，前提是通過相應的經驗對題型和使用過程進行更深層次的細化和優化，并且在評估模型的基礎上提取相應的評估參數，然后設置權重等內容[5]，從而形成更完整的評估模型機制，達到難易度的調整需求。

5 智能評估專家庫

基于專家的經驗和專業知識建立邏輯推理和操作程序，再加上實際培訓過程中涉及的理論、實操、故障判斷、應急處理措施等建立一套完善的智能評估系統。該系統主要分為三部分：推理機制專家庫、評估系統專家庫、故障判斷應急處理故障庫。各大專家庫的支撐數據主要來源于仿真初始化數據庫、仿真變量庫、仿真模型數據庫、仿真過程數據庫、故障變量越限數據庫等多個子庫。它們各自的子系統統一管理，各種應用程序只能通過各庫的子系統才能訪問低層的數據[6]，這樣方便保護低層數據不被輕易改寫。通過與評估子系統的交互和邏輯控制分析腳本，才能完成具體的評估，得出相應的評估結果，后臺會實時保存學員的仿真訓練步驟和記錄，以備學員和老師查詢操作者的成績。腳本是基于虛擬場景平臺利用VRML語言的事件機制和route路由，結合Javascript編寫的程序，通過鍵盤和鼠標交互，按照船舶電站各個實操項目的操作要求和邏輯控制，實現虛擬仿真環境下的仿真操作訓練和評估考核，遠程、網絡、在線評估和交互操作在客戶端可以便捷地實現[7]。邏輯控制實際上是指Javascript編寫的邏輯判斷和動作執行的腳本程序語句，由VRML在應用軟件進行時加以解釋，從而讓評估學員建立各動作與邏輯的系統函數之間的聯系。

各個子庫平臺的搭建主要是基于船舶機艙各個機電操作設備虛擬系統的實際構建一體化平臺VRML，對各個操作對象進行虛擬操作過程的分析，建立知識庫，通過該平臺通過Microsoft Visual C++ 6.0（VC++ 6.0）、Microsoft DirectX 9.0 SDK、VRP開發工具包（VRP-SDK）、聲音引擎（FMOD-SDK）和數據庫系統（Microsoft SQLServer）搭建實現操作記錄步驟[8]，完成原始數據的采集，結合相應的算法與實際操作中的專家庫系統數據進行對比推理判斷，并給出實操提示和代碼，進而給出智能評估的最終目標和智能評估結果。數據庫系統主要記錄操作數據和評估庫的信息，考慮數據的安全性和數據交換的便捷性，選用的是SQLServer2010數據庫系統。因智能評估系統重在評估結果的正確性和邏輯推理評估判斷的快速性，為了提高評估的速度和交互操作的時效性，模型庫的模型盡量刪除一些不必要的面采用簡模。在操作評估的過程中，當相應的事件或者虛擬對象代碼被激活，就會給出動態的提示，比如虛擬場景中避碰操作時的文字提示，或者右擊鼠標事件做出選擇操作。或給與某些特殊操作聲音提示以彌補虛擬操作場景的不足。

6 小結

智能評估系統實際上就是對船舶電站操作系統的各種屬性的描述，只是有些操作屬性是定性、定量的，也有些是模糊的、不具體的，沒有辦法直接給出具體、嚴謹的量化標準。單純定量的指標，直接用度量的數據轉化為數量等級標準，像啟動和停止操作。具有半定性和半定量性質的指標，采用定量與定性相結合的方法，像減速停車和調頻調載操作。需要完全依賴專家系統模型進行經驗判斷的指標，可以視為模糊指標或灰色指標。這類指標采用模糊評價方法，用指標向量度量標值，然后轉化為數量等級，比如故障判斷操作。不管采用何種智能評估指標和評估準則進行操作步驟的指標定量化，都需要依據實際操作的步驟和具體評價對象進行分析，建立能夠準確反映設備屬性和描述各種屬性的指標體系，然后根據評估體系中的有關指標度量標準數據進行指標歸一化、指標定量化。最后運用多種方法評價各操作結果，并把各種綜合評價結果與實際實物操作判斷結果相互比較印證，以提高智能評估的可信度和有效性。

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Intelligent Evaluation System for Virtual Operation Platform of Ship Power Station

Li Tingyun, Hua Jianwei, Guo Jiajian

(FuJian Chuanzheng Communications College, Fuzhou 350007, Fujian, China)

U665.12

A

1003-4862（2019）03-0037-06

2018-09-19

2018年福建省中青年教師教育科研項目（JZ180351）

李婷云（1983-），女，講師。研究方向：從事船舶電氣，船舶模擬器虛擬仿真研究。E-mail:.