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(海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬器的功能也不斷完善，其在教育和培訓(xùn)中的作用也越來(lái)越大。尤其是在大型電廠(chǎng)、航海、汽車(chē)駕駛和核電站等危險(xiǎn)性大、成本高的行業(yè)，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)更加明顯[1]。船舶動(dòng)力系統(tǒng)模擬器主要用于培訓(xùn)學(xué)員熟練掌握操作和管理設(shè)備的技能以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力[2]。使用模擬器進(jìn)行培訓(xùn)不但效率高、成本低，而且，模擬器可以反復(fù)操練在實(shí)際裝備上比較困難甚至不允許隨便試驗(yàn)的訓(xùn)練內(nèi)容，可用較短時(shí)間使受訓(xùn)人員得到長(zhǎng)期工作累積才能得到的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[3-4]。然而，如何評(píng)價(jià)學(xué)員實(shí)際使用設(shè)備和處理故障的能力一大難題。如果僅依靠教練員的主觀(guān)評(píng)判，評(píng)分帶有很大的主觀(guān)性、延時(shí)性，會(huì)有失公正，同時(shí)還需要大量的人力物力資源。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)可解決這一難題。基于某船動(dòng)力系統(tǒng)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)提出自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體思路和實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 模擬器簡(jiǎn)介

模擬器由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括船舶動(dòng)力系統(tǒng)所有的集中控制臺(tái)和各分控制臺(tái)，軟件部分主要由仿真建模軟件、監(jiān)控軟件和網(wǎng)絡(luò)軟件等組成[5]。各控制臺(tái)的內(nèi)部組成模塊和功能與實(shí)船完全相同，不同的是他們的連接終端不是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器，而是通過(guò)PLC與仿真計(jì)算機(jī)相連，然后利用仿真計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的功能。

模擬器軟件部分的核心功能是對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，各軟件和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換關(guān)系見(jiàn)圖1。其中，監(jiān)控軟件處在一個(gè)中心樞紐的位置，與仿真建模軟件之間有數(shù)據(jù)的交換，且接受從硬件設(shè)備傳輸過(guò)來(lái)的信息，同時(shí)將處理后的信息反饋給硬件設(shè)備。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)與監(jiān)控軟件之間進(jìn)行通信，通過(guò)監(jiān)控軟件記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)是自動(dòng)評(píng)分的基礎(chǔ)，自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的考核信息也可以傳輸給監(jiān)控軟件進(jìn)行輸出。

圖1 模擬器各部分間數(shù)據(jù)流動(dòng)圖

1.2 自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)功能需求分析

模擬器培訓(xùn)面向的對(duì)象是一個(gè)極大的群體。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)首先必須實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)群體基本信息的管理以及考核后一些相關(guān)信息的管理。自動(dòng)評(píng)分主要由兩部分組成：評(píng)分的準(zhǔn)則和評(píng)分的方法。評(píng)分準(zhǔn)則的建立是以專(zhuān)家系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)咨詢(xún)此領(lǐng)域的專(zhuān)家和工作技術(shù)人員，構(gòu)建船舶動(dòng)力系統(tǒng)操作使用的知識(shí)庫(kù)作為對(duì)考生操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)估的主要依據(jù)。評(píng)分方法則利用模糊綜合評(píng)判法，根據(jù)實(shí)際情況將系統(tǒng)分為多個(gè)層次，并結(jié)合動(dòng)態(tài)權(quán)重分配的思想實(shí)現(xiàn)合理評(píng)分。

自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)除了合理地評(píng)估操作使用能力，還能在一定的權(quán)限內(nèi)對(duì)評(píng)分規(guī)則和評(píng)分參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，同時(shí)完成考核人員基本信息及考核信息的輸出、打印已及存檔。系統(tǒng)主要由四大部分組成，見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的總體結(jié)

1.3 各模塊的組成和功能簡(jiǎn)介

1) 評(píng)分系統(tǒng)管理。主要由用戶(hù)信息管理、系統(tǒng)初始化和數(shù)據(jù)的備份、還原幾大子模塊組成。實(shí)現(xiàn)的主要功能是管理自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的用戶(hù)信息及其使用權(quán)限，包括添加、修改、刪除用戶(hù)；完成系統(tǒng)的初始化任務(wù)，為下一次評(píng)分做好準(zhǔn)備；對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，提高系統(tǒng)的安全性，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤或丟失，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

2) 專(zhuān)家系統(tǒng)管理。由專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)、評(píng)分參數(shù)設(shè)計(jì)和專(zhuān)家知識(shí)打印三部分組成。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)子模塊為培訓(xùn)人員提供模擬器操作使用的幫助信息，評(píng)分參數(shù)設(shè)計(jì)子模塊主要是設(shè)置考核過(guò)程中的各參數(shù)要求以及動(dòng)態(tài)修改各個(gè)部分的權(quán)重分配。每次設(shè)置或修改后，新值將取代原值作為系統(tǒng)的默認(rèn)值。

3) 評(píng)分項(xiàng)目管理模塊。由若干個(gè)項(xiàng)目的評(píng)分模塊組成。每個(gè)子項(xiàng)目都是模擬器的一個(gè)獨(dú)立的培訓(xùn)模塊，是針對(duì)實(shí)船某個(gè)特定崗位的培訓(xùn)，子項(xiàng)目又分為若干個(gè)子過(guò)程，教練員在考生考核前設(shè)置好考核的項(xiàng)目或子過(guò)程以及考核的難易等級(jí)。當(dāng)教員參與評(píng)分時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)權(quán)重的分配給出考生的綜合成績(jī)。如果需要完全實(shí)現(xiàn)教練員評(píng)分或者自動(dòng)評(píng)分，只需將教練員的權(quán)重分別置1和0。評(píng)分結(jié)束后可以查看和打印操作過(guò)程。

4) 考核信息管理。包括考生基本信息管理，考核成績(jī)管理和考生信息打印。基本信息管理是指對(duì)考生的培訓(xùn)編號(hào)、姓名、職位、單位、聯(lián)系電話(huà)等基本信息進(jìn)行添加，修改，刪除等操作，同時(shí)可以對(duì)已有的信息進(jìn)行查詢(xún)。如果考生信息需要長(zhǎng)期保存，還可以將考生信息存檔?？己顺煽?jī)管理主要對(duì)考生的綜合成績(jī)和考核過(guò)程中的錯(cuò)誤操作進(jìn)行管理，并且可以打印輸出或存檔。

2 系統(tǒng)操作一般流程

利用自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)對(duì)考生進(jìn)行評(píng)估大概可以分為四步：①系統(tǒng)初始化，主要內(nèi)容有清空數(shù)據(jù)庫(kù)、變量賦初值以及設(shè)置控件屬性等，目的是消除上次操作可能留下的隱患；②存儲(chǔ)考試的相關(guān)信息，包括考生基本信息、評(píng)分參數(shù)的設(shè)置和考試項(xiàng)目和難度的設(shè)置，這些設(shè)置可有效提高訓(xùn)練的效率和靈活性；③在考生操作結(jié)束后進(jìn)行評(píng)分，輸出考生的操作成績(jī)及相關(guān)的一些信息；④考生的考核信息存檔或打印輸出，例如可以打印考生的操作過(guò)程和錯(cuò)誤的操作和步驟，了解需加強(qiáng)改進(jìn)之處。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)分的一般流程，見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)操作流程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的鍵技術(shù)

3.1 操作過(guò)程的記錄與識(shí)別

模擬器培訓(xùn)系統(tǒng)硬件和軟件都準(zhǔn)備完畢，教練員發(fā)出開(kāi)始考試的指令后，考生開(kāi)始考試，同時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)考生操作某個(gè)開(kāi)關(guān)或者按鈕，或是信號(hào)燈的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，監(jiān)控軟件組態(tài)王中與之相對(duì)應(yīng)的變量也會(huì)隨之發(fā)生改變。通過(guò)記錄變量的變化情況，就能記錄下考生的操作過(guò)程。這些記錄考生操作過(guò)程的變量可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是離散變量，如工作方式選擇手輪、進(jìn)倒車(chē)開(kāi)關(guān)、停車(chē)按鈕、通風(fēng)機(jī)接通指示燈,等等；另一類(lèi)是連續(xù)變量，如勵(lì)磁電流、電源電壓、主軸轉(zhuǎn)速等等。兩類(lèi)變量記錄的要求不一樣，所以記錄時(shí)分別以不同的形式進(jìn)行記錄。對(duì)于離散變量，當(dāng)其中任何一個(gè)變量改變時(shí)必須進(jìn)行記錄，在組態(tài)王數(shù)據(jù)改變命令語(yǔ)言中，可通過(guò)語(yǔ)句SQLInsert將變量改變信息存儲(chǔ)到指定的數(shù)據(jù)庫(kù)表格之中。對(duì)于連續(xù)變量，按固定周期進(jìn)行記錄，周期的長(zhǎng)短可根據(jù)評(píng)估的要求進(jìn)行調(diào)整。在本評(píng)估系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)置連續(xù)變量的記錄周期為160 ms，能很好地滿(mǎn)足評(píng)估要求。

考生操作過(guò)程的識(shí)別?？己私Y(jié)束后，考生的操作過(guò)程被以數(shù)據(jù)的形式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)[6-7]中，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)識(shí)別考生的操作，并將其保存到一個(gè)數(shù)組變量中。在VB6.0編程環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)的關(guān)鍵是識(shí)別過(guò)程的算法。而對(duì)于離散變量的記錄，是在其發(fā)生變化時(shí)才進(jìn)行記錄，即數(shù)據(jù)庫(kù)里的每一條記錄都與考生的一個(gè)操作相對(duì)應(yīng)，所以在訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)可以通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化唯一確定考生操作的按鈕或開(kāi)關(guān)，這是識(shí)別算法的一個(gè)重要基礎(chǔ)。圖4是程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程的簡(jiǎn)單示意圖。

圖4 考試操作識(shí)別過(guò)程

在程序的總體設(shè)計(jì)中，考慮到VB6.0與Access數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交換量大而且頻繁，建立了一個(gè)單獨(dú)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)以及添加、修改和刪除數(shù)據(jù)。 模塊中主要的函數(shù)有：數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接函數(shù)Private Sub Connect()，數(shù)據(jù)庫(kù)斷開(kāi)函數(shù)Private Sub Disconnect()，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)的函數(shù)Public Function Search(ByVal Sent As String) As ADODB.Recordset和對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加、修改或刪除的函數(shù)Public Sub SQLExt(ByVal Sent As String)等。

3.2 評(píng)分方法

模擬器培訓(xùn)由多個(gè)相互獨(dú)立的培訓(xùn)項(xiàng)目組成，而每個(gè)項(xiàng)目又可以分為若干各相互獨(dú)立的子模塊。當(dāng)考生選擇其中多個(gè)項(xiàng)目或子模塊考核時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)二級(jí)模糊綜合評(píng)判的問(wèn)題，若教練員參與評(píng)分則構(gòu)成三級(jí)模糊評(píng)判的問(wèn)題，見(jiàn)圖5。

圖5 模糊綜合評(píng)判的層次結(jié)

應(yīng)用模糊綜合評(píng)判的另一個(gè)重點(diǎn)工作是確定各評(píng)判因素的權(quán)重分配。結(jié)合專(zhuān)家評(píng)判法和統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)，建立動(dòng)態(tài)的權(quán)重分配方法。首先采用專(zhuān)家評(píng)判法確定權(quán)重分配的默認(rèn)值并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后在自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模糊綜合評(píng)判權(quán)重分配修改系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)修改權(quán)重分配。主要根據(jù)實(shí)際考核應(yīng)用情況進(jìn)行改動(dòng)，使自動(dòng)評(píng)估結(jié)果更加合理。系統(tǒng)界面見(jiàn)圖6。

對(duì)于考生某些方面的素質(zhì)，例如，口令傳達(dá)的質(zhì)量，處理故障的心態(tài)等，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)還不能評(píng)估，因此，這部分繼續(xù)采用考官評(píng)分的方法。當(dāng)不設(shè)考官評(píng)分時(shí)可將教練員評(píng)分的權(quán)重分配設(shè)置為0或給教練員打分設(shè)置一個(gè)默認(rèn)值。

[1] 何 英，孟 晨．模擬器設(shè)備的操作評(píng)估系統(tǒng)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2001，21(2)：45-47.

[2] 包國(guó)江．基于航海模擬器的船舶操縱評(píng)估系統(tǒng)的研究[D]．大連：大連海事大學(xué)，2008.

[3] 余建喜，刁亞奇，魯順清，等.司爐工仿真培訓(xùn)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007,3(3)：93-96.

[4] 董秀成，俎金花．模擬器操作評(píng)分系統(tǒng)[J]．核動(dòng)力工程，2005，26(6)：645-647.

[5] 魏楠楠．帆船輔助訓(xùn)練專(zhuān)家系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008.

[6] 張正璽．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[7] 嚴(yán) 暉，劉衛(wèi)國(guó)．?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2007.