舰船动力装置操作训练考核评估*

(1.91447部队 大连 116041)(2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

舰船动力装置操作训练考核评估*

张绪夫1聂伟2

(1.91447部队 大连 116041)(2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

舰船动力装置训练系统在培养操纵人员中发挥着重要的作用,它提高了培训效率,并降低了培训成本。论文在研究了舰船动力装置训练系统工作原理后,以系统实际开发过程为基础,提出了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。重点介绍了评估系统设计的一般原理,研究的基本方法,评估算法研究以及系统实现和调试的方法。

舰船动力装置;考核评估;评估算法

ClassNumberU644.1

1 引言

当实船培训已经不能满足日益增长的对海员的需求时,人们就在寻找更加高效、安全和低成本的培训方式。20世纪60年代,荷兰制造了第一台航海训练模拟器,为培训海员指引了一个很好的途径。此后,更好且接近实船的训练模拟器不断被制造出来,20世纪70年代后,很多国家开始进行航海训练模拟器的研究和生产[1～3],挪威的NORCON公司先后研制出Dieselsim和PPT2000系列轮机模拟器,英国Transas公司研制的ERS2000型和ERS3000型轮机模拟器、德国STN公司研制的SES4000系列轮机模拟器,代表了国际较高水平。船舶训练模拟器在海员培训的任务也越来越突出。现在的轮机训练模拟器包含系统仿真工作站、服务器、相关控制台、配电盘和VR工作站以星型网络结构构成的分布式仿真系统[4]。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,还增加了机舱巡回检查和结构维修功能。考核评估系统作为训练模拟器的一个重要组成部分,也不断得到发展。现在的评估系统不仅能够实现操作评估的功能,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。

2 舰船动力装置训练系统

论文研究的舰船动力装置操作训练系统,所有控制台都与实船一致,控制台中的模块可以与实船进行互换,训练模拟器的操作有很强的真实感。了解实际动力系统的运行原理和操作使用方法是开发考核评估系统的基础,是评估算法实现的关键,通过熟悉操作,需要对所有操作进行分类,这是对可能出现的错误操作进行判断的根据,也是错误操作权重分配的重要依据。

轮机训练模拟器是现代科技的产物,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。舰船动力装置操作训练系统由柴油机、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尽量做到和实船一致,让培训人员有在实船上操作的感觉。舰船动力装置操作训练系统的组成原理,如图1所示。

图1 舰船动力装置操作训练系统组成原理图

舰船动力装置操作训练系统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。

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。

监控系统主要由组态软件开发实现,它通过OPC程序与仿真系统之间实现数据通信,能够通过SimuEngine提供的API接口函数来实现考核工况、运行状态和各种故障的设置。

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。PLC将控制台上开关和按钮的状态实时地传递给监控软件,仿真软件将运算后的数据传递给PLC,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 考核评估系统关键技术

考核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。一个好的评估系统应该能够真正面向对象,是培训的考核任务。它不仅能够评估,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。同时,应该具备有非常好的交互界面。

3.1 考核评估系统主要功能

舰船动力装置操作训练系统如果没有评估系统,也能够完成所有项目的训练任务。但在考核时,只能依靠考官实现考核人员的操作评估,这对考官的专业知识要求非常高,同时效率也比较低。自动评估系统替代考官后,能更客观、更公开、更专业评估被考核人员的操作水平。

评估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,同时已经知道了评估的算法和软件实现的方法。所开发的评估系统应具备以下功能:

首先能够实现考核的管理,启动考核评估系统以后,可以设置考核的工况,在考核前,对控制台实现初始化状态的检测;

然后,在进入考试后,能够采集考试过程中考生的操作数据,实现相应的评估算法,同时,在考核过程中还能实时地显示一些重要的信息,例如剩余时间、考生的操作步骤、模拟量的变化情况;

最后是考试结束后,重要信息的输出和存档。

3.2 考核评估系统组成原理

考核评估系统要实现对动力系统模拟器考核过程的管理,必须有自己独立的操作界面,能够与仿真软件之间进行通信,有相应的评估算法和数据库系统。所设计的考核评估系统主要组成和原理,如图2所示。

图2 考核评估系统组成原理图

良好的人机交互界面有利于模拟器系统的使用和管理,其开发的基本原则是简单、易操作、重点突出、外观流畅。

数据接口程序,实现访问仿真平台软件SimuEngine变量的功能,并通过API函数实现对仿真过程的启动、运行、冻结和停止的功能,同时对获得的数据进行初步的处理。

初始化程序,主要是判断控制台设备的初始状态是否与考核工况一致,如果不一致,进行相应的提示,并不能进行考核。

评估算法,不同的考核工况对应不同的算法程序,评估算法中的权重分配和规则的修改都可以通过人机界面进行修改。

数据库,用来保存考试过程中的一些重要信息,主要包括考生的操作信息和考核结果信息。

3.3 评估算法研究

评估算法是系统设计中最困难的工作,一种合理高效的评估算法对评估系统的建立是非常重要的。文献[5]提出了根据模糊综合评判的方法,建立多级评判,并且根据群组决策AHP的基本方法确定各因素在整体中的权重。它将操作员培训成绩分为操作质量、操作步骤、事故处理和教师印象四个部分。文献[6]中针对船舶电站仿真训练器提出以专家知识为指导,建立基本涵盖船舶电站所有操作的五类考核评估准则,并以此为基础,研制了一套船舶电站仿真训练器的培训评估软件。文献[7]中提出采用模糊数学结合系统分析的理论进行模拟器自动评估的方法。文献[8]对司炉工仿真培训自动评估系统进行了研究。文献[9]采用大系统理论中的“分解-综合”方法,以电站领域的专家知识为基础,提出了六类考核评估准则,建立了一种应用于电站仿真机培训评估系统。

在综合分析了各种方法后,针对实际的研究对象,本文采用了一种比较高效合理的算法。以专家知识为指导,结合层次分析法,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潜艇安全性的影响,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的准则,实现考评的目的。同时,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的完善。

3.4 考核评估系统设计

开发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。本系统采用VB2008.net进行开发。系统工作的主要流程,如图3所示。

图3 评估系统操作流程图

系统开发过程中主要解决技术难题,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,不断地修正评估系统,使两者能紧密协同工作。

4 结语

从开发舰船动力装置操作训练考核评估系统的角度出发,介绍了研究对象的基本原理,研究了考核评估系统主要功能和组成原理,并提出了一种新的考核评估算法。论文以所开发的评估系统为对象,探讨了舰船动力装置操作考核评估所涉及的关键性问题。考核评估系统在实际应用中也取得了较好的效果。

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ExaminationandScoringofOperationTrainingofShipPowerEquipment

ZHANG Xufu1NIE Wei2

(1. No. 91447 Troops of PLA, Dalian 116041)

(2. Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The training system of ship power equipment plays an important role in training operating personnel as it improves the training efficiency and reduces training costs. Based on the practical experience of the ship power system, the working principle of training system of ship power equipment is studied, the key issues and the corresponding solutions of examination and scoring of proposed training system design process are proposed. The assessment of the general principles of system design, basic research methods, evaluation algorithm and system implementation and debugging methods are emphasized.

ship power equipment, examination and scoring, evaluation algorithm

2013年11月2日,

:2013年12月10日

张绪夫,男,助教,研究方向:舰船动力装置自动化。

U644.1DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.029