基于专家系统的轮机模拟器自动评分系统研究

2013-08-10曹汉卿聂伟

船电技术 2013年2期

曹汉卿聂伟

（1.海军驻贵阳地区军代室，贵阳 558400；2.海军工程大学动力工程学院，武汉430033）

0 引言

仿真技术研究始于20世纪30年代，美国生产了用于训练飞行员的林克飞行训练器，使飞行员熟悉飞机的操作程序和驾驶技术。经过40年的发展，到了上世纪70年代，仿真计算机由数字计算机代替了模拟计算机，并广泛用于航天、航空、航海、电厂和核电站等培训领域[1]。训练模拟器是仿真技术应用的一个重要领域，是以计算机为基础的人—机实时仿真系统。随着各种新技术发展应用，轮机模拟器在人员培训中的作用越来越突出。国际海事组织颁布的《海员培训、发证和值班标准国际公约》规定，高级轮机管理人员在取得当局主管机关或其认可机构所颁发的适任证书前必须在经过认可的轮机模拟器系统中进行规定时间的训练并取得合格证书[2]。

轮机训练模拟器[3,4]是一种在实验室内利用计算机、自动控制、图形图象技术和多媒体等高新技术，通过数学建模，建立一个虚拟的轮机运行和操作环境，达到使操作人员感觉在实艇中操作所具有的场景。怎样评价操作者实际使用设备和处理故障的能力也是轮机训练模拟器的一个重要组成部分。如果通过教员监视操作者并根据其操作过程打分，这样结果带有很大的主观性、延时性而且还有可能带来不公正。自动评分系统以各类专业技术人员的专业理论和实际操作经验建立知识库作为评价准则，监测数学模型中各状态参数的变化，识别操作者的操作过程，通过相应的程序算法实现自动评分。

1 专家系统理论在评分系统中的应用

专家系统[5]是人工智能应用研究的主要领域之一。专家系统也被称为基于知识的系统(Knowledge-based system)。一般来讲，专家系统是被设计用来在某些特定领域中能模拟专家的工作思维和处理问题的方式的一个智能计算机程序系统。在它内部具有大量专家水平的领域知识和经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领域的问题。

在传统的培训考核方式中，考生操作和管理设备的能力依靠教练员进行评估。轮机动力系统模拟器的培训考核也是依靠教练员。考生操作结束后，教练员对考生的操作水平做出判断，最后给出成绩等级。这个过程中教练员的专业知识和实际经验起着决定性的作用，它是评估过程中一个无形的准则。自动评分系统则是要取代教练员的角色，将教练员给考生评分的方法通过计算机来实现。以专家系统理论为指导，通过综合各个方面的专家的专业知识和实际经验，并以计算机能识别的方式表示出来，作为自动评分的标准，然后以一定的推理机制，对考生的操作过程做出合理的评判。

专家系统主要由规则知识库、综合数据库、推理机、解释程序、知识获取及人机界面等几部分组成。在某轮机动力系统模拟器自动评分系统的应用中，其结构如图1所示。

规则知识库：知识库用来存放专家提供的知识。专家系统的问题求解过程是通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式的，因此，知识库是专家系统质量是否优越的关键所在，即知识库中知识的质量和数量决定着专家系统的质量水平。一般来说，专家系统中的知识库与专家系统程序是相互独立的，用户可以通过改变、完善知识库中的知识内容来提高专家系统的性能。

图1 自动评分系统的专家系统的基本结构

推理机：推理机针对当前问题的条件或已知信息，反复匹配知识库中的规则，获得新的结论，以得到问题求解结果。在自动评分系统中，推理机通过编程语言实现。推理机是专家系统的组织控制机构。合理的推理机能有效的利用知识库的规则解决实际问题。

综合数据库：综合数据库用于存储问题的初始数据库和推理过程中得到的中间数据。在自动评分系统中，综合数据库主要存放由监控软件记录的操作人员的操作信息。

解释程序：解释程序用于向用户解释专家系统的行为。在轮机动力系统模拟器培训中，考生操作结束后，需要解释的是操作者的操作过程和错误的操作步骤。

人机交换界面：人机交换界面实现人与机器之间的互动，通过编程软件实现。

2 专家系统知识库

专家系统的性能取决于它拥有的知识的数量和质量，所以知识是专家系统的核心。

2.1 知识的获取

知识获取是专家系统开发的主要工作之一。在系统的实现过程中，开发人员通过与领域专家和相关的工作人员交流，阅读该领域的资料文献得到该领域的各种知识，然后把知识输入到计算机中，这个过程就是知识获取的过程。在自动评分系统中，知识的获取主要通过开发人员与领域的专家和具有丰富的实际经验的技术人员和艇员共同协作完成，主要分为以下几个步骤：

第一，熟悉掌握某轮机模拟器的组成、功能和训练操作的方法。阅读了一些相关的书籍和操作手册，与熟练的操作人员进行了深入的交流。

第二，将得到的知识系统化。进行实际的操作体验，并总结经验；同时与专家教授反复讨论，对知识的科学性和合理性做进一步研究，并系统地表达出来。

2.2 知识的表示

知识表示[6]就是知识的形式化和符号化的过程，即用一种计算机语言对已获得的领域知识进行编码，构建问题求解所需的领域知识库，并对其进行检测、求精等维护操作的过程。知识表示方法对整个系统的性能有着十分重要的影响，合理有效的知识表示能极大的提高自动评分系统的性能。

知识表示方法主要研究各种数据结构的设计，通过这种数据结构把问题领域的各种知识结合到计算机系统的程序设计过程。知识表示的目的在于通过知识的有效表示，使专家系统能够利用这些知识进行推理和做出决策。

3 轮机模拟器评分系统研究

本文采用知识表示是产生式规则。在众多的知识表示方法中，产生式规则是目前专家系统中使用最为广泛的一种知识表示方法。产生式规则表示方式的知识形式简洁，便于理解和解释，规则之间相互独立，有利于知识的提取和形式化。在本文评分系统中，其基本形式如图2所示：

图2 知识库中规则的表示形式

每条规则由前提和结论组成。前提表示一种可能的错误操作情况，可以是n条前提条件相与或者相或组成；结论是操作错误严重程度的表示。结论采用了模糊数学的思想，将操作错误分为三个等级分别是：重大事故、中等事故和一般事故，其权重分别用a、b、c表示。以推进电机的操作评分为例说明整个知识库的一个建立过程。知识库的建立方法如下：

（1）全部规则组成了对推进电机启动备便操作进行评判的规则知识库，即包含了所有可能出现的操作错误。其中每一条规则又由若干条子规则组成，例如某条规则，前提条件：启动前备便应该进行的操作步骤没有进行，或者操作步骤没有完成；结论：a=1，b=0，c=0。若启动前备便操作总共有10步骤，其中任何一个步骤没有操作或者没有完成都满足这条规则的前提条件，所以这条规则的结论都会被执行。

（2）对于一个操作错误可能同时满足两条规则的情况的处理。例如推进电机启动前备便操作中，启动励磁机和接通电枢自动器的操作，如果操作时出现这样的错误，系统控制电源开关没有接通。这种情况触发了两条规则，属于重复扣分的情况。对于这种情况采取的方法是：在程序设计中，如果同一个步骤出现多次扣分时，只取其中较大者。

（3）其中a表示重大事故的权值，b中等事故的权值，c一般事故的权值。这些权值的设定最初是根据实际工作人员的长期积累的经验和一些专家的建议拟定的，它们保存在数据库中作为最初的默认值。但这些权值都可以在自动评分系统的调试过程中，根据评分结果的合理性进行动态的修改，使得权值的设定更加合理。

（4）在评分的规则中，存在着许多这样的规则，例如启动和检查水冷系统的操作步骤有误。这样的规则主要针对检查类的操作，主要从以下两个方面考虑：一、操作的时机是否对，这项操作是否按照操作规定时机操作，如启动和检查水冷系统的操作是否在启动励磁机之后，同时在启动滑油泵之前；二、操作的步骤是否正确，包括操作的按钮是否正确和操作按钮的顺序是否正确，如果是操作者在发现漏操作以后，再进行的操作属于操作失误。