轮机模拟器智能评估系统

聂 伟，巫 影，胡大斌，李玉东

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

0 引言

随着仿真技术的快速发展，轮机模拟器在海员培训任务中越来越突出，现在的模拟器包含系统仿真工作站、服务器、相关控制台、配电盘和星型网络结构等，构成了分布式仿真系统［1］。轮机模拟器实现了学员进入机舱有临场感，操纵有真实感，并通过三维透视图像可看到真实机舱设备封闭着的部件的运动情况，使故障设置更为形象，并具有机舱巡回检查和结构维修功能［2］。智能评估系统作为训练模拟器的一个重要组成部分，也不断发展。现在的评估系统不仅能够实现评估功能，还能够对培训考核过程进行管理，对考核数据进行分析，找出培训人员的薄弱环节，及时对训练项目进行调整，同时，具备有非常好的交互界面［3］。

与传统培训模式相比，仿真培训拥有效率高、成本低等优势。因此得到迅速发展和广泛应用。近几年，国内各单位不仅把仿真培训作为岗位练兵的重要内容之一，而且把仿真培训与技术比武和技能鉴定结合起来，使仿真培训成为生产装置中不可缺少的重要培训手段［4－5］。考核评估是仿真培训中十分重要的一个环节，一般依靠教练员主观评判打分的方式。但这种方式不仅评估结果具有极大的主观性、延时性，还需耗费大量的人力物力资源。

智能评估系统将相关领域的专家知识和技术人员丰富的实际经验作为评估标准，使用编程技术实现对考核人员的智能评估，这不仅提高了评估的效率和公正性，而且节省了大量经费。智能评估系统的研究不但具有很大的技术价值，而且拥有相当大的应用前景。

1 智能评估系统的基本原理及组成

智能评估系统的总体设计主要包括两方面:1)怎样评分，即评估方法的研究;2)怎样构建和实现智能评估系统，包括系统的组成、功能和系统开发环境等。

在一般仿真培训考核过程中，教练员对考生的操作水平做出判断，然后，给出成绩等级。这个过程中教练员的专业知识和实际经验发挥决定性作用，它是评估过程中的一个无形准则。智能评估系统是以专家系统理论为指导，综合专家、技术人员的专业知识和实际经验并以一定的形式存储在数据库中，同时记录考核人员的操作信息，然后利用计算机编程技术实现对考生水平的合理评判。

智能评估系统的结构原理如图1所示，考核人员在控制台上操作，监控软件将操作数据记录到数据库之中。分析数据库中的数据，对考核人员的实际操作水平进行评估，然后给出客观、合理的评估结果。智能评估系统还能实现对培训过程进行各种管理，如人员信息的存储、查询、打印等。

图1 智能评估系统原理结构图Fig.1 The principle diagram of intelligent evaluation system

智能评估系统主要有两部分组成:一部分是数据库，功能是记录和管理数据。包括3类数据，第一类数据是用于记录考生的操作信息，它是智能评估的基础，这些数据主要记录考生操作时各变量随时间的变化。第二类数据是进行评估的知识库，它是对考生操作进行评估的准则。知识库是评估的关键，它是总结实际操作经验并以一定的形式存在计算机中的专家知识。第三类数据是用于记录考生的基本信息和考生的考核成绩，这些数据可以进行备份或是打印输出，为培训的完善提供依据。这些数据又可以分为动态的和静态的，动态的包括记录考生操作信息的数据等;静态的有评估知识库和考生基本信息的管理等。

另一部分是对数据库中数据进行处理给考生评判的程序和人机交互界面，主要由4大模块组成:

评估系统维护管理模块:对整个系统进行维护和管理，包括系统的使用权限、系统初始化、数据的备份和恢复等;完成系统的初始化任务，为下一次评估做好准备;对数据库数据进行备份，提高系统的安全性，一旦数据出现错误或丢失，可以进行数据恢复。

评估规则和参数管理模块:主要由专家知识库和评估参数设计2个模块组成。专家知识以规则的形式存储在数据库中，实现对规则的修改、添加和删除，专家知识库子模块为培训人员提供模拟器操作使用的帮助信息;评估参数设计子模块主要是设置考核过程中的各参数要求以及动态修改各个部分的权重分配。每次设置或修改后，新值将取代原值作为系统的默认值。

评估的项目管理模块:一个大的评估项目可分为多个单独的子项目，每个子项目都是模拟器的一个独立的培训模块，是针对实船某个特定岗位的培训，子项目又分为若干个子过程，教练员在考生考核前设置好考核的项目或子过程以及考核的难易等级。当教员参与评估时，计算机根据权重的分配给出考生的综合成绩。如果需要完全实现教练员评估或者智能评估，只需将教练员的权重分别置1或0即可。

考生信息管理模块:由考生基本信息管理，考核成绩管理和考生信息打印3个部分组成。基本信息管理是指对考生基本信息进行添加、修改、删除查询等操作。如果考生信息需要长期保存，还可以将考生信息存档。考核成绩管理主要对考生的综合成绩和考核过程中的错误操作进行管理，并且可以打印输出或存档。

2 评估算法和准则

评估算法在系统的设计中非常关键，一种合理高效的评估算法的建立可有效地提高考核评估的准确性和公正性。智能评估系统的评估方法主要结合了专家系统理论和模糊综合评判思想。专家系统理论主要由知识库和推理机组成。知识库是领域专家的知识在计算机中的表示;推理机是专家系统解决实际问题的推理方式。模糊综合评判是在考虑多种因素的影响下，运用模糊数学工具对某事物进行综合评价。每个项目重要性或是操作错误的判定都具有模糊性，在考虑多个项目和多个因素时，评估过程就是模糊综合评判的问题［6］。

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。知识表示的好坏主要由以下几个方面决定［7］:知识编码的难易程度、知识使用的效率、可理解性和知识维护的难易程度。对于同一知识，一般都可以采用多种方法进行表示，但所产生的效果会有很大不同。每一种知识的表示方法都有其自己的特点，应用到不同的领域也各有其优势和不足。因此，根据知识表示领域的不同，选取一种合适的知识表示方法;有时也可以结合几种表示方法实现某个领域的知识表示。

在轮机模拟器智能评分系统中，以产生式规则表示评估的知识。评估的依据是教练员的专家知识和实际经验，利用专家系统理论，在计算机中以规则的形式存储在数据库中作为评估的准则。产生式规则表示的基本形式为:

其中，P是规则前提，Q是结论。例如某条规则为，若操作开关Ⅰ之前没有打开阀门Ⅱ，则记中等失误一次。其中，前提是由2条简单条件构成的复合条件，即开关Ⅰ变化和阀门Ⅱ没打开，结论是记中等失误一次，在采用扣分制的算法中，结论可以由低到高分为几个等级，等级越高扣分越多。

针对轮机模拟器考核评估的特点，智能评估系统以专家知识为指导，结合模糊综合评判法，将考核过程中可能出现的错误进行分类，重点研究操作过程中的报警量、过程量和过程曲线，总结各种错误操作对舰船安全性的影响，并对其进行分类，赋予相应的权重。一般可将模拟器操作错误分为以下几类:重大操作错误，可能会危及到船舶人员安全，损坏设备，导致重大的安全事故;中等操作错误，不会危及人员安全，但可能造成设备损伤，影响船舶正常运行;一般操作错误，一般对设备和人员都不会有危害，但不符合正确的操作规程。分别赋予它们不同的权重，每个考核的工况都依靠这样的方法去建立评估准则，实现考评目的。同时，智能评估系统也开发了对评估规则进行修改或添加的操作界面，实现评估规则在应用过程中不断完善。在产生式规则的表示形式中，若判断操作错误的程度是在中等失误和重大失误之间，则可引进模糊数学思想，结论的表示方式为，中等失误的权值为a，重大失误的权值为b，a+b=1，0≤a，b≤1，当a=1时，即记中等失误一次。

推理机是专家系统的组织控制机构，通过合理的推理机能有效地利用知识库的规则解决实际问题。推理的过程也是一个规则匹配过程。智能评估系统从综合数据库获得推理的初始状态，按照一定的推理机制，将综合数据库中获得的信息与规则库中的规则进行匹配，实现对考生操作的评估。推理机的实现主要包括两方面:1)从整体上考虑，操作的顺序和时机是否出现错误;2)从每个单独的操作模块考虑，每个单独的操作模块操作是否准确。

在目前的专家系统中常用的推理实现方法有正向推理、反向推理和正反向混合推理3种。在智能评估系统中，采用的推理方式是正向推理。正向推理［8］是以已知事实作为出发点的推理，又称数据驱动推理。正向推理的基本思想是:首先从用户提供的初始事实出发，在知识库中找出当前可适用的知识，构成可适用知识集，然后按照某种冲突消解策略从知识集中选出一条知识进行推理，并将推出的新事实加入到数据库中作为下一步推理的已知事实;在此之后再在知识库中选取可适用知识进行推理，重复进行这一过程，直到求得所要求的解或知识库中再无可适用的知识为止。正向推理的主要优点是允许用户主动提供有用的事实信息，而不必使用户等到系统需要时才提供。某推进电机启动操作的推理机的实现方法如图2所示。

图2 推进电机启动操作推理机制图Fig.2 The diagram of propulsion motors operation

在某次操作结束后，如出现了以下错误操作:没有正确完成正倒车转换开关前进或者后退的操作;航行转换开关置于启动2时励磁电流偏离最大值40%;操作时间超过正常时间的2.5倍以上。根据推理机的搜索策略，与知识库前提知识进行匹配，得出相应结论。分别以重大操作错误、中等操作错误、一般操作错误出现的概率形式记录在评分的结果中。然后可将记录的结果转化为百分制。

在轮机模拟器对受训人员的考核中，评估结果会受到多个因素的影响，且具有模糊性，应用模糊综合评判对培训考核进行评估，是一种十分有效和简洁的方法。因素集、判断集和评判矩阵是模糊综合评判的3要素。培训考核评估的因素集是考生选择考核的项目和子项目，判断集可以根据实际情况设置，而评判矩阵由程序按照预定的算法计算出来。权重向量由教练员根据实际经验确定，但也可在系统的运行过程中进行调整，调整后的权值作为新的默认值覆盖原值。模糊综合评判法较好地解决了智能评估系统中模糊的、难以量化的问题以及各种非确定性问题。

3 自动评估系统软件设计

自动评估系统软件设计要实现的目标:1)建立对考核人员实际操作的语言评价机制，根据评估结果，对考核人员的不同方面，如熟练程度﹑排出故障的能力以及知识掌握情况等，进行评价;2)对评估结果进行全面的记录，通过分析记录的数据，掌握考核人员的学习状况。3)评估系统能灵活的修改相关评估参数，并有相当的人机交互界面。

评分系统开发的基础是已经熟练地掌握了动力系统的操作使用和模拟器运行原理，同时已经知道了评分算法和软件实现方法。在分析研究轮机模拟器软件和硬件特点的基础上，提出智能评估系统的总体设计方法。其中关键是弄清它们之间如何通信以及软件之间怎样进行数据传输，并设计如何获取原始数据进行分析。轮机模拟器软件之间数据的流通图如图3所示。

图3 轮机模拟器软件之间数据的流通图Fig.3 Data circulate in the engine room simulator software

开发智能评估系统可以采用不同的编程语言，通常采用的开发工具有VC++、VB.net和C++Buider。针对某潜艇动力系统模拟器培训开发的自动评分系统，编程开发环境采用VB2008.net，数据库为 SQL Server2005。模拟器的仿真建模软件为SimuEngine，监控软件是组态王。在轮机模拟器软件之间数据的流通图中，SimuEngine从组态王中获取需要的数据信息，同时将运算后的数据反馈给组态王，然后组态王再传递给其他软件。PLC控制器将控制台的操作信息处理成计算机能识别的信号，并与组态王软件之间进行通信，将操作信息记录到组态王软件的变量中。组态王软件再将需要记录的变量存储到数据库的表中。

轮机模拟器智能评估系统核心功能是，在考生操作了相应的考试科目后，对考生的操作进行自动评估，并给出评估结果。一个好的评分系统应该能够真正面向的对象，是培训的考核任务。它不仅能够评分，还能够对考核过程进行管理，对考核数据进行分析，以及考核结果保存。智能评估系统工作的主要流程，如图4所示。

图4 评估系统操作流程图Fig.4 The operation diagrem of evaluation system

启动评分系统以后，可以设置考核的状态，实现考核工况的管理。在考核前，对控制台实现初始化状态的检测，并对系统进行初始化，实现数据库的清空、变量赋初值以及控件属性的设置。

进入考试后，能够采集考试过程中考生的操作数据，实现相应的评分算法，同时，在考核过程中还能实时的显示一些重要信息，例如剩余时间、考生的操作步骤、模拟量的变化情况。

考试结束后，可对考核信息存档或打印输出，例如可以打印考生的操作过程和错误的操作和步骤。

系统开发过程中主要解决的技术难题，获取考生操作的数据及数据的预处理，评估算法的实现，良好的人机界面的开发，数据库问题。

评估系统的调试主要是发现系统存在的错误和缺陷，同时调整权重系数的分配使评估算法更加合理，使评估的结果更可信。在与轮机模拟器的联调过程中，不断的修正评估系统，使两者能紧密协同工作。

4 结语

轮机训练模拟器在培养船舶操纵人员中发挥着重要作用，能提高培训效率，节约培训时间，降低培训成本。论文在研究某轮机模拟器工作原理后，以智能评估系统实际开发过程为基础，提出了模拟器训练考核评估系统设计过程中必须解决的关键性问题及相应的解决方案。重点介绍了智能评估系统设计的一般原理，系统各部分的功能，评分算法研究以及系统实现和调试方法。

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