船舶輔機設備實操拆裝虛擬仿真系統自動評估算法

王 壯，商 蕾，柳化松，王 冰

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

21世紀以來全球航運業獲得了高速發展，船舶逐漸向著專業化、集成化的方向發展。在這種趨勢下，對船員的管理水平和實操水平的要求也越來越高[1-2]。船員適任考試中的船舶輔機設備實操評估是必考項目[3]。在當前的考核方式中，多采用專家經驗法，評估員主要根據自己的經驗為學員的船舶輔機設備的實操拆裝過程進行打分，主觀意識成為了主要考核依據，且不同的評估員經驗不同，增加了考核的不確定性，這種實操能力評估方式導致評估要素的屬性模糊、難以量化，不易把握評估尺度[4-5]。因此，本文將模糊綜合評價方法應用于基于虛擬現實技術(VR)的船舶輔機設備實操拆裝虛擬仿真系統中，將考核過程中人的經驗數字化、條理化，使考核結果更具說服力。

1 模糊綜合智能評價方法的概述

由于船舶輔機設備的拆裝過程比較復雜，存在模糊、邊界不清、不定量的評估因素，且比較依賴評估員主觀意識和個人偏好，考核方式不夠明確、標準。因此采用基于模糊數學的理論模糊綜合評價方法，將模糊性對象歸一定量化，使其變得清晰有條理，構建過程如下。

1)確定拆裝評估的關鍵因素集。關鍵因素集即為影響評價船舶輔機設備實操拆裝過程好壞程度的關鍵因素的集合，因素集用U表示，關鍵因素用ui表示，記為：

U={u1,u2,…,un}，

(1)

式中，ui為u1～un之間的任一關鍵因素，i=1,2,…,n。

2)構建拆裝評估的評估集。依據學生在船舶輔機設備實操拆裝操作過程中的表現，主要根據專業工具使用是否正確、拆裝步驟是否正確、設備拆裝熟練情況、設備拆裝完成情況來給予評分，本文采用“優，良，中，及格，不及格”5個評價結果，則實操拆裝評估的評價集記為F={f1,f2,f3,f4,f5}={優，良，中，及格，不及格}。反映到常用的百分制即為：優(90～100)、良(80～90)、中(70～80)、及格(60～70)不及格(60分以下)。

3)構建實操拆裝評估的隸屬度矩陣R。

(2)

式中，rij為其中的矩陣元素，表示第j種評估fj對第i種因素ui實操拆裝評估的隸屬度；i=1,2,…,n;j=1,2,3,4,5。

4)確定拆裝評估關鍵因素的權重集。每一個拆裝評估的關鍵因素，在每個設備的整個實操拆裝考核過程中的重要性可能不同，因此需要借助權重值來直觀量化每一個影響設備實操拆裝評估的關鍵因素。權重值可以采用主觀賦權法的方式獲取，即根據資深專家的經驗主觀判斷得到初始權重值，然后用貝葉斯后驗分布來進行修正，得到最終權重值。設第i個關鍵因素的權重值為li，權重值分配結果矩陣為L，則：

L=[l1l2…ln],

(3)

式中，l1+l2+…+ln=1，且l1,l2，…,ln≥0,

i=1,2,…,n。

V=LR

=[l1l2…ln]×

=[v1v2v3v4v5],

(4)

(5)

式中，V為拆裝評估評價矩陣，vj為評價指標。

(6)

2 建立模糊綜合評估的數學模型

2.1 確定評估因素集

由模糊綜合評估的原理獲取評價矩陣的前提是要得到學員船舶輔機設備實操拆裝操作的關鍵因素集，其中船舶輔機設備包括往復泵、齒輪泵、空氣壓縮機、鍋爐附件、分油機等設備，可以將船舶輔機設備的評估要素進行細化，本文以往復泵為例，依據大綱要求往復泵的實操拆裝考核規則，獲取影響往復泵的實操拆裝評估關鍵因素集，船舶設備往復泵的實操拆裝評估關鍵因素集如表1所示。

表1 船舶設備往復泵的實操拆裝評估關鍵因素集

2.2 建立評估集

針對學員在船舶輔機設備拆裝操作考核過程中的表現，評估標準見表2。

評估標準主要采用專家經驗法確定評估隸屬度，數值表示的是每一個評估所對應的得分區間概率，評估隸屬度見表3。

表3 評估隸屬度

2.3 確定關鍵因素權重集

本文采用層次分析法(AHP)解決船舶輔機設備實操拆裝過程中的多目標權重的定量描述問題[6]。因此，可以得到船舶往復泵的各個層次拆裝評估關鍵因素的權重比較值，通過將5個評估要素進行兩兩比較，判斷每2個相比的重要程度如何，并構造判斷矩陣D，以及得到各指標的權重。關鍵因素權重集見表4。

表4 關鍵因素權重集

構造判斷矩陣D:

(7)

構建判斷矩陣D時需要進行一致性檢驗，設特征值為λ,矩陣階數為n，當λ=n時，D為一致矩陣；當λ≠n時，則需要通過一致性檢驗公式來判斷，如公式(8)所示：

(8)

式中，CR為一致性比率；CI為一致性指標，CI的計算見公式(9)；RI為隨機一致性指標,與判斷矩陣的階數有關，隨著n階矩陣的變化，RI取值表[5]如表5所示。

(9)

式中，λmax為D最大特征值。

表5 RI取值表

得到：λmax=4，CI=0；n=4，RI=0.90；即說明判斷矩陣D通過一致性檢驗，符合一致性要求。計算往復泵拆裝各個關鍵因素的權值分配結果，A表示權重分配矩陣，ai表示第i個關鍵因素的權重值，則對于往復泵的權重矩陣，如公式(10)所示：

A=[a1a2a3a4]

=[0.4 0.2 0.2 0.2]。

(10)

2.4 考核結果

通過上文對設備往復泵的關鍵因素評價集和評估隸屬度表的研究建立獲得評價矩陣R，如公式(11)所示：

(11)

船舶輔機設備的往復泵拆裝考核評估最后結果B計算方式為：

B=AR。

(12)

S為學員最終評價結果化為百分制的值：

S=B[20,40,60,80,100]T。

(13)

3 實例分析

為了驗證模糊綜合評估方法在船舶輔機設備拆裝評估的準確性，選取學員對系統中船舶輔機設備往復泵進行拆裝評估測試，其關鍵因素評估如表6所示。

表6 關鍵因素評估

由表3、表6，確定船舶往復泵拆裝評估操作的評估矩陣：

(14)

根據拆裝評估公式，得到評估結果為：

B=AR

=[0.4 0.2 0.2 0.2]×

=[0.16 0.12 0.32 0.32 0.08]

將評估結果轉化為百分制，則該學員最終得分為：

S=B[20 40 60 80 100]T

=[0.16 0.12 0.32 0.32 0.08]×

[20 40 60 80 100]T

=60.8

該學生對于“船用往復泵拆裝”項目的評估完成以后，基于模糊綜合評價的系統不僅會計算得出最終評分60.8，而且生成詳細的評估報告，按照表6的專家經驗的考核方式，該學員的最終成績結果為及格，與系統的結果相對應，符合要求。

4 結束語

通過模糊綜合評估方法，將傳統實踐評估中復雜、模糊的評價因素轉化為規范化、定量化的評估方法。這種智能化的評估方法不僅公平合理，而且可以對學生的拆卸操作水平進行規范化、定量化的評價。另外，需要注意的是，在綜合評估中，有一定的主觀因素決定了拆卸評估的關鍵因素的重要性，但是基于專家和教師的長期經驗和對客觀現實的分析研究，且通過多年的測試和修正，可以公平地反映船舶輔機實操拆裝的客觀事實。