轮机模拟器考核自动评分算法研究

聂 伟 巫 影 胡大斌 李玉东

（海军工程大学动力工程学院1） 武汉 430033） （镇江船艇学院2） 镇江 212000）

0 引 言

世界海事组织（IMO）的研究报告表明，水上交通事故中的80%与人为因素有关.如何最大程度的减少人为失误，培养出高素质的航海人员成为航运界和航海院校普遍关心的问题.轮机模拟器可用较短时间使受训人员得到实船长期累积才能得到的实际经验，同时还可以操练在实船上比较困难甚至不允许随便试验的训练内容.因此，STCW78／95公约对船员利用轮机模拟器进行训练制定了非常详细严格的要求，我国海事局也对船员适任考试增加了评估项目，并突出了对实际技能的考核［1－2］.针对学员的操作表现进行评估，也是工程系统仿真环境中要达到的一个重要目标.轮机仿真训练的评估分为主观评估和计算机自动评分.主观评分人为因素比较大，没有一个客观、统一的评估标准.而计算机自动评分是根据一定的推理机制和原理自动对操纵者的操纵水平进行评估，能以客观的标准对操作者的水平做出评价并给出指导性的意见.

某轮机模拟器设计实现了自动评分系统，在分析其工作原理后，研究了自动评分的基本方法.实现轮机模拟器考核自动评分主要方法包括：分解综合法将整个系统化解为小的基本模块，降低了自动评分的难度；模糊综合法解决了自动评分中主观、模糊和受多因素影响的问题.专家系统理论是评分准则建立和推理算法实现的理论依据.

1 轮机模拟器简介

轮机模拟器是一种经济、安全、高效的培训方式，通过在岸上还原实船的操作环境和感觉，实现培训海员的目的.某船舶的动力系统由柴油机、发电机、推进系统以及其他辅助控制设备组成.所开发的轮机模拟器，是一种半实物仿真系统.它包含船舶动力控制系统的所有设备，并且尽量做到与实船一样的工作环境.因此，控制台的放置，舱室的布置情况，以及声音的模拟等，都做到了与实船一致或接近，让培训人员找到在实船上操作的感觉.该轮机模拟器的组成原理，见图1.

图1 轮机模拟器组成原理图

轮机模拟器的硬件组成主要包括，动力系统控制台，PLC控制器，监控计算机，仿真计算机以及声模拟系统等.其运行机制如下，PC机系统与PLC控制器等采用TCP／IP协议连接在同一级以太网上，形成一个以交换机为中心的星形拓扑的网络结构，保证了数据高效实时传递.仿真建模系统由仿真支撑平台软件SimuEngine实现，其主要用于船舶动力系统主要设备的动、稳态特性仿真，动力系统正常和故障工况的操作仿真，以及与其它系统之间的互联等.系统的监控系统主要由组态软件开发实现，通过OPC程序与仿真系统之间实现数据的通信，能够利用SimuEngine提供的API接口函数实现考核工况、运行状态和各种故障的设置.系统中，PLC控制器与控制台上的硬件设备相连，并通过监控软件与仿真软件之间进行通信；同时，PLC将控制台上开关和按钮的状态实时的传递给监控软件，仿真软件将运算后的数据传递给PLC，控制控制台上指示灯和仪表的变化.模拟器系统运行起来后，培训人员在相应的模拟舱室，可以完成教学和考核任务［3－4］.

2 自动评估的一般方法

2.1 分解综合法

对于一个复杂的系统，在分析研究过程，通常将该过程分解为一系列相对简单、独立的子过程，如果这些子过程仍然比较复杂，则将每个子过程分解为更小的子过程，如此反复进行下去，直至便于分析研究或不能再分，该过程被称为“分解”.求解的过程则相反，即首先分析研究最小的子过程，然后再分析研究上一层的子过程，直至求得整个过程的解，该过程被称为“综合”［5］.舰船动力系统是一个非常复杂的系统，根据此方法可将整个系统分解为主推进系统、辅推进系统、电力系统及各种辅助设备，它们是一级子系统.这些一级子系统又可进一步被分解为二级子系统，例如可将推进系统分为左推进系统和右推进系统，二级子系统又可以继续分解为三级子系统.如此，可将整个系统最终分解到一系列子系统或设备级子系统.而设备的操作过程也可以按照类似的方法进行“分解”，如将柴油发电机组操作分解为柴油机操作、发电机操作等一级子过程；这些一级子过程又可以被分解为二级子过程，以柴油机为例，可分解为启动前准备、启动、调试、停车等；根据需要将系统分解成最小的单元，在评分算法研究中，以这些单元为基础；实现了最基本的单元评估后，就可以采用“综合”的方法对全部操作进行评估.

2.2 模糊综合评估法

模糊综合评估法是应用模糊关系合成的特性，根据给出的评价准则和实测值，从多个指标对被评判事物隶属等级状况进行综合性评估的一种方法.在轮机模拟器对受训人员的考核中，评估的结果会受到多个因素的影响，且具有模糊性，应用模糊综合评估法，能较好地解决模糊的、难以量化的问题和各种非确定性问题的解决［6］.

2.3 专家系统理论

专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题.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.在某轮机模拟器自动评分系统的应用中，其结构见图2.

图2 专家系统理论应用原理图

3 评估准则建立

评估准则严格按照操作规范制定，而操作规范是这领域专家在理论和实践中总结的最佳操作方法.知识的获取主要通过开发人员与领域的专家、教授和具有丰富的实际经验的技术人员和艇员共同协作完成.评估准则将以知识库的形式存储在计算机中.知识表示一般是产生式规则，其表示的知识形式简洁，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.

产生式通常用于表示具有因果关系的知识，其基本形式是：

if P then Q

其中：P为产生式的前提，用于指出产生式是否可用的条件，前提可以是简单条件或者是复合条件，复合条件由多条简单条件的逻辑与和或组成；Q为产生式的结论或操作，用于指出当前提P所指出的条件被满足时，应该得出的结论或应该执行的操作.

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，将操作错误分为几个等级，若分为三个等级为：重大事故、中等事故和一般事故.每个等级对应程序算法中的不同扣分数，如拟定，重大事故的扣分值为41，中等事故的扣分值为21，一般事故的扣分值为9.对于每种可能的操作错误属于何种错误等级或者两种等级之间，可以分别赋予不同的权值.如在电机操作过程中出现漏操作，通风机未启动，相应的权值分配为α＝（0，0.75，0.15）.

为了取得科学合理的扣分权数，采用2种方法［7］：（1）根据操作的危害性选取扣分权数 从一般误操作类到严重事故类，相应的扣分权数随着操作的危害性逐渐增大；（2）采取经验拟定的方法 选取具有代表性的好、中、差3组参训人员分别进行模拟考核评分，结合现场考核专家的打分反复修正各类评分标准的扣分权数，直到评分程序能适应不同水平的参训人员，并且给出的考核分数与专家考评分数基本一致为止.

4 评估模型建立及求解的方法

依据分解综合法，将系统分解为一些最基本的单元.在研究这些单元时，首先进行如下假设，将考生操作错误的情况分为5种情况，并给出每一种情况下推理求解的方法.

操作手册规定的正确的操作步骤为：A→B→C→D→E.A～E分别表示一个操作动作.存在的错误操作分为以下几种：漏操作、多操作、顺序误操作、重复操作、操作时机错误.

第一种情况是出现漏操时，如A→B→D→E，操作过程中C没有完成.对于这种情况的评判方法是，推理机的推理过程与操作的先后顺序一致，即首先搜索所有的操作，判断是否有A操作.如果没有就与规则库的规则进行匹配，记录操作错误的类型，然后进入B操作的判断；如果有直接进入B操作的判断.依次进行评判，记录下所有漏操的情况.

第四种情况是出现重复操作时，如A→B→C→C→D→C→E.这种评判的方法是，首先进行操作步骤的编号；然后保留B与D之间C的第一次操作并剔除其他重复操作，并与规则库中的规则进行匹配，记录错误的操作.如果B与D之间没有操作，就保留C的第一次操作，接下的操作与上面类似.接着是对分析后的结果进行重新编号，编号后为

第五种情况对操作时机正确与否的判断方法，如在主推电机的启动与调速操作时有如下的操作环节，确信励磁手轮在励磁电流最小时，将正倒车开关置于前进或者后退位置和当电枢电流逐渐下降且稳定后，立即将运行开关置于前进二位置.这种情况的推理方法是，在进行第二种情况分析的基础上，第一步找到需要操作的开关或者按钮，如正倒车开关和前进二开关，并将它与操作的时间对应起来.第二步是，在确定了考生操作开关或按钮的时刻后，查找这个时刻附近励磁电流和电枢电流的数值I，并进行与理论值比较的运算.如正确操作的最大励磁电流为I，则实际的偏差值为m100%，然后与规则库中的规则进行匹配，记录错误的操作.对于下降且稳定的判断，可以通过操作时刻t的前一段时间Δt内电枢电流的方差或是最大值与最小值之差进行判断.

5 评估成绩计算方法

专家系统可以判断考生操作某项操作是否正确，如果错误，判断其错误的类型.对每类操作错误，都要相应的扣分方法，在判断结束后扣除考生相应的分数.在某型轮机模拟器自动评分系统中，将其错误类型分为三类：重大事故、中等事故和一般事故.对每类错误的定义和扣分方法如下［8］.

1）重大事故 重大事故是指在由于操作过程中发生了严重的失误，导致等个动力系统不能运行或设备损坏，造成灾难性后果的事故；或者考生的操作完全没有达到预定的要求.该类误操作的评分标准可表示为

式中：i为事故类型，共有n类；ai为扣分的权重系数；xi为操作过程中第i类发生的次数；f（i）为第i事故发生的逻辑条件；Xi为第i类事故发生.

2）中等事故 规定的操作目标基本实现，但操作过程中考生动作不规范，没有按照指定的步骤和操作最佳时机完成，可能损伤设备或影响运行效果.该类误操作的评分标准可表示为

式中：i为事故类型，共有n类；bi为扣分的权重系数；xi为操作过程中第i类发生的次数；ci为第i事故发生的逻辑条件；Yi为第i类事故发生.

3）一般事故 表示规定操作目标基本实现，也没有对设备造成危害的操作，但操作过程不熟练，可能存在一些安全隐患.该类误操作类的评分标准可表示为

式中：i为事故类型，共有n类；ci为扣分的权重系数；xi为操作过程中第i类发生的次数；h（i）为第i事故发生的逻辑条件；Zi为第i类事故发生.

若在评价体系Q中，如果对各评价指标的权重分配为A＝（a1，a2…am），即A 是 评价Q 上 的一个模糊向量，＝1.权重的确定采用主观赋值法，一般通过专家和实践经验丰富的技术人员确定.如在某次考核中，其权重分配如下

则采用加权平均法求得总的评价向量为

B＝a◦R1＝（0.257 3，0.172 4，0.443 2）

总的评价向量为B＝（0.257 3，0.172 4，0.443 2），如果设定出现一次重大事故的扣分为41，中等事故的扣分为21，一般事故扣分为9，则将评分结果转化为分值为

式中：SR为综合扣分的结果.因此，考生综合成绩为81.840 5.

6 结束语

本文结合某型轮机模拟器自动评分系统的研究，分析了评分系统设计中的基本方法，建立了自动评分的准则，及评分系统的模型和其求解的方法，给出了考生成绩计算的方法.轮机模拟器自动评分系统在实际应用中，也取得了较好的效果，为提高教学效率发挥了重要作用.

［1］黄加亮，陈景锋，蔡振雄.基于“适任评估”的轮机模拟器实操教学研究［J］.集美大学学报，2008，4（2）：73－77.

［2］高海波，陈明昭，陈 辉，等.船舶电站仿真训练器中的培训考核评分系统［J］.武汉理工大学学报，2003，27（5）：633－635.

［3］NIE Wei，WU Ying.Study of automatic scoring system for simulation training［C］∥2010 3rd International Coference on Advanced Comptuter Theory and Engineering（ICATE），2010：403－406.

［4］聂 伟，巫 影，夏 极.模拟器自动评分系统的设计与实现［J］.船海工程，2010，39（4）：84－87.

［5］范永胜，程芳真.电站仿真机的培训评分系统研究［J］.系统仿真学报，2000，12（3）：282－286.

［6］任 重，张 永，徐 池.模糊综合评价法在模拟训练评分系统中的应用［J］.网络与通信，2012（8）：65－66.

［7］孟飞翔，程培源，杨旭峰.军用电源仿真训练器中的评分系统［J］.计算机应用，2011，31（10）：2865－2868.

［8］肖方兵，尹 勇，张新宇，等.GMDSS模拟训练评估系统［J］.大连海事大学学报，2010，36（2）：62－66.