聶 偉 巫 影 胡大斌 李玉東

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院1） 武漢 430033） （鎮(zhèn)江船艇學(xué)院2） 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

世界海事組織（IMO）的研究報(bào)告表明，水上交通事故中的80%與人為因素有關(guān).如何最大程度的減少人為失誤，培養(yǎng)出高素質(zhì)的航海人員成為航運(yùn)界和航海院校普遍關(guān)心的問(wèn)題.輪機(jī)模擬器可用較短時(shí)間使受訓(xùn)人員得到實(shí)船長(zhǎng)期累積才能得到的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還可以操練在實(shí)船上比較困難甚至不允許隨便試驗(yàn)的訓(xùn)練內(nèi)容.因此，STCW78／95公約對(duì)船員利用輪機(jī)模擬器進(jìn)行訓(xùn)練制定了非常詳細(xì)嚴(yán)格的要求，我國(guó)海事局也對(duì)船員適任考試增加了評(píng)估項(xiàng)目，并突出了對(duì)實(shí)際技能的考核［1－2］.針對(duì)學(xué)員的操作表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估，也是工程系統(tǒng)仿真環(huán)境中要達(dá)到的一個(gè)重要目標(biāo).輪機(jī)仿真訓(xùn)練的評(píng)估分為主觀評(píng)估和計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)分.主觀評(píng)分人為因素比較大，沒(méi)有一個(gè)客觀、統(tǒng)一的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn).而計(jì)算機(jī)自動(dòng)評(píng)分是根據(jù)一定的推理機(jī)制和原理自動(dòng)對(duì)操縱者的操縱水平進(jìn)行評(píng)估，能以客觀的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)操作者的水平做出評(píng)價(jià)并給出指導(dǎo)性的意見(jiàn).

某輪機(jī)模擬器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)，在分析其工作原理后，研究了自動(dòng)評(píng)分的基本方法.實(shí)現(xiàn)輪機(jī)模擬器考核自動(dòng)評(píng)分主要方法包括：分解綜合法將整個(gè)系統(tǒng)化解為小的基本模塊，降低了自動(dòng)評(píng)分的難度；模糊綜合法解決了自動(dòng)評(píng)分中主觀、模糊和受多因素影響的問(wèn)題.專家系統(tǒng)理論是評(píng)分準(zhǔn)則建立和推理算法實(shí)現(xiàn)的理論依據(jù).

1 輪機(jī)模擬器簡(jiǎn)介

輪機(jī)模擬器是一種經(jīng)濟(jì)、安全、高效的培訓(xùn)方式，通過(guò)在岸上還原實(shí)船的操作環(huán)境和感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)海員的目的.某船舶的動(dòng)力系統(tǒng)由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)以及其他輔助控制設(shè)備組成.所開(kāi)發(fā)的輪機(jī)模擬器，是一種半實(shí)物仿真系統(tǒng).它包含船舶動(dòng)力控制系統(tǒng)的所有設(shè)備，并且盡量做到與實(shí)船一樣的工作環(huán)境.因此，控制臺(tái)的放置，艙室的布置情況，以及聲音的模擬等，都做到了與實(shí)船一致或接近，讓培訓(xùn)人員找到在實(shí)船上操作的感覺(jué).該輪機(jī)模擬器的組成原理，見(jiàn)圖1.

圖1 輪機(jī)模擬器組成原理圖

輪機(jī)模擬器的硬件組成主要包括，動(dòng)力系統(tǒng)控制臺(tái)，PLC控制器，監(jiān)控計(jì)算機(jī)，仿真計(jì)算機(jī)以及聲模擬系統(tǒng)等.其運(yùn)行機(jī)制如下，PC機(jī)系統(tǒng)與PLC控制器等采用TCP／IP協(xié)議連接在同一級(jí)以太網(wǎng)上，形成一個(gè)以交換機(jī)為中心的星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證了數(shù)據(jù)高效實(shí)時(shí)傳遞.仿真建模系統(tǒng)由仿真支撐平臺(tái)軟件SimuEngine實(shí)現(xiàn)，其主要用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)主要設(shè)備的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)特性仿真，動(dòng)力系統(tǒng)正常和故障工況的操作仿真，以及與其它系統(tǒng)之間的互聯(lián)等.系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要由組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)OPC程序與仿真系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，能夠利用SimuEngine提供的API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)考核工況、運(yùn)行狀態(tài)和各種故障的設(shè)置.系統(tǒng)中，PLC控制器與控制臺(tái)上的硬件設(shè)備相連，并通過(guò)監(jiān)控軟件與仿真軟件之間進(jìn)行通信；同時(shí)，PLC將控制臺(tái)上開(kāi)關(guān)和按鈕的狀態(tài)實(shí)時(shí)的傳遞給監(jiān)控軟件，仿真軟件將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)傳遞給PLC，控制控制臺(tái)上指示燈和儀表的變化.模擬器系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)后，培訓(xùn)人員在相應(yīng)的模擬艙室，可以完成教學(xué)和考核任務(wù)［3－4］.

2 自動(dòng)評(píng)估的一般方法

2.1 分解綜合法

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在分析研究過(guò)程，通常將該過(guò)程分解為一系列相對(duì)簡(jiǎn)單、獨(dú)立的子過(guò)程，如果這些子過(guò)程仍然比較復(fù)雜，則將每個(gè)子過(guò)程分解為更小的子過(guò)程，如此反復(fù)進(jìn)行下去，直至便于分析研究或不能再分，該過(guò)程被稱為“分解”.求解的過(guò)程則相反，即首先分析研究最小的子過(guò)程，然后再分析研究上一層的子過(guò)程，直至求得整個(gè)過(guò)程的解，該過(guò)程被稱為“綜合”［5］.艦船動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，根據(jù)此方法可將整個(gè)系統(tǒng)分解為主推進(jìn)系統(tǒng)、輔推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及各種輔助設(shè)備，它們是一級(jí)子系統(tǒng).這些一級(jí)子系統(tǒng)又可進(jìn)一步被分解為二級(jí)子系統(tǒng)，例如可將推進(jìn)系統(tǒng)分為左推進(jìn)系統(tǒng)和右推進(jìn)系統(tǒng)，二級(jí)子系統(tǒng)又可以繼續(xù)分解為三級(jí)子系統(tǒng).如此，可將整個(gè)系統(tǒng)最終分解到一系列子系統(tǒng)或設(shè)備級(jí)子系統(tǒng).而設(shè)備的操作過(guò)程也可以按照類似的方法進(jìn)行“分解”，如將柴油發(fā)電機(jī)組操作分解為柴油機(jī)操作、發(fā)電機(jī)操作等一級(jí)子過(guò)程；這些一級(jí)子過(guò)程又可以被分解為二級(jí)子過(guò)程，以柴油機(jī)為例，可分解為啟動(dòng)前準(zhǔn)備、啟動(dòng)、調(diào)試、停車等；根據(jù)需要將系統(tǒng)分解成最小的單元，在評(píng)分算法研究中，以這些單元為基礎(chǔ)；實(shí)現(xiàn)了最基本的單元評(píng)估后，就可以采用“綜合”的方法對(duì)全部操作進(jìn)行評(píng)估.

2.2 模糊綜合評(píng)估法

模糊綜合評(píng)估法是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的特性，根據(jù)給出的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和實(shí)測(cè)值，從多個(gè)指標(biāo)對(duì)被評(píng)判事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)估的一種方法.在輪機(jī)模擬器對(duì)受訓(xùn)人員的考核中，評(píng)估的結(jié)果會(huì)受到多個(gè)因素的影響，且具有模糊性，應(yīng)用模糊綜合評(píng)估法，能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題和各種非確定性問(wèn)題的解決［6］.

2.3 專家系統(tǒng)理論

專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)處理該領(lǐng)域問(wèn)題.專家系統(tǒng)主要由規(guī)則知識(shí)庫(kù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、解釋程序、知識(shí)獲取及人機(jī)界面等幾部分組成.在某輪機(jī)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 專家系統(tǒng)理論應(yīng)用原理圖

3 評(píng)估準(zhǔn)則建立

評(píng)估準(zhǔn)則嚴(yán)格按照操作規(guī)范制定，而操作規(guī)范是這領(lǐng)域?qū)＜以诶碚摵蛯?shí)踐中總結(jié)的最佳操作方法.知識(shí)的獲取主要通過(guò)開(kāi)發(fā)人員與領(lǐng)域的專家、教授和具有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和艇員共同協(xié)作完成.評(píng)估準(zhǔn)則將以知識(shí)庫(kù)的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中.知識(shí)表示一般是產(chǎn)生式規(guī)則，其表示的知識(shí)形式簡(jiǎn)潔，便于理解和解釋，規(guī)則之間相互獨(dú)立，有利于知識(shí)的提取和形式化.

產(chǎn)生式通常用于表示具有因果關(guān)系的知識(shí)，其基本形式是：

if P then Q

其中：P為產(chǎn)生式的前提，用于指出產(chǎn)生式是否可用的條件，前提可以是簡(jiǎn)單條件或者是復(fù)合條件，復(fù)合條件由多條簡(jiǎn)單條件的邏輯與和或組成；Q為產(chǎn)生式的結(jié)論或操作，用于指出當(dāng)前提P所指出的條件被滿足時(shí)，應(yīng)該得出的結(jié)論或應(yīng)該執(zhí)行的操作.

前提表示一種可能的錯(cuò)誤操作情況，可以是n條前提條件相與或者相或組成；結(jié)論是操作錯(cuò)誤嚴(yán)重程度的表示.結(jié)論采用了模糊數(shù)學(xué)的思想，將操作錯(cuò)誤分為幾個(gè)等級(jí)，若分為三個(gè)等級(jí)為：重大事故、中等事故和一般事故.每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)程序算法中的不同扣分?jǐn)?shù)，如擬定，重大事故的扣分值為41，中等事故的扣分值為21，一般事故的扣分值為9.對(duì)于每種可能的操作錯(cuò)誤屬于何種錯(cuò)誤等級(jí)或者兩種等級(jí)之間，可以分別賦予不同的權(quán)值.如在電機(jī)操作過(guò)程中出現(xiàn)漏操作，通風(fēng)機(jī)未啟動(dòng)，相應(yīng)的權(quán)值分配為α＝（0，0.75，0.15）.

為了取得科學(xué)合理的扣分權(quán)數(shù)，采用2種方法［7］：（1）根據(jù)操作的危害性選取扣分權(quán)數(shù) 從一般誤操作類到嚴(yán)重事故類，相應(yīng)的扣分權(quán)數(shù)隨著操作的危害性逐漸增大；（2）采取經(jīng)驗(yàn)擬定的方法 選取具有代表性的好、中、差3組參訓(xùn)人員分別進(jìn)行模擬考核評(píng)分，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考核專家的打分反復(fù)修正各類評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的扣分權(quán)數(shù)，直到評(píng)分程序能適應(yīng)不同水平的參訓(xùn)人員，并且給出的考核分?jǐn)?shù)與專家考評(píng)分?jǐn)?shù)基本一致為止.

4 評(píng)估模型建立及求解的方法

依據(jù)分解綜合法，將系統(tǒng)分解為一些最基本的單元.在研究這些單元時(shí)，首先進(jìn)行如下假設(shè)，將考生操作錯(cuò)誤的情況分為5種情況，并給出每一種情況下推理求解的方法.

操作手冊(cè)規(guī)定的正確的操作步驟為：A→B→C→D→E.A～E分別表示一個(gè)操作動(dòng)作.存在的錯(cuò)誤操作分為以下幾種：漏操作、多操作、順序誤操作、重復(fù)操作、操作時(shí)機(jī)錯(cuò)誤.

第一種情況是出現(xiàn)漏操時(shí)，如A→B→D→E，操作過(guò)程中C沒(méi)有完成.對(duì)于這種情況的評(píng)判方法是，推理機(jī)的推理過(guò)程與操作的先后順序一致，即首先搜索所有的操作，判斷是否有A操作.如果沒(méi)有就與規(guī)則庫(kù)的規(guī)則進(jìn)行匹配，記錄操作錯(cuò)誤的類型，然后進(jìn)入B操作的判斷；如果有直接進(jìn)入B操作的判斷.依次進(jìn)行評(píng)判，記錄下所有漏操的情況.

第四種情況是出現(xiàn)重復(fù)操作時(shí)，如A→B→C→C→D→C→E.這種評(píng)判的方法是，首先進(jìn)行操作步驟的編號(hào)；然后保留B與D之間C的第一次操作并剔除其他重復(fù)操作，并與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配，記錄錯(cuò)誤的操作.如果B與D之間沒(méi)有操作，就保留C的第一次操作，接下的操作與上面類似.接著是對(duì)分析后的結(jié)果進(jìn)行重新編號(hào)，編號(hào)后為

第五種情況對(duì)操作時(shí)機(jī)正確與否的判斷方法，如在主推電機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速操作時(shí)有如下的操作環(huán)節(jié)，確信勵(lì)磁手輪在勵(lì)磁電流最小時(shí)，將正倒車開(kāi)關(guān)置于前進(jìn)或者后退位置和當(dāng)電樞電流逐漸下降且穩(wěn)定后，立即將運(yùn)行開(kāi)關(guān)置于前進(jìn)二位置.這種情況的推理方法是，在進(jìn)行第二種情況分析的基礎(chǔ)上，第一步找到需要操作的開(kāi)關(guān)或者按鈕，如正倒車開(kāi)關(guān)和前進(jìn)二開(kāi)關(guān)，并將它與操作的時(shí)間對(duì)應(yīng)起來(lái).第二步是，在確定了考生操作開(kāi)關(guān)或按鈕的時(shí)刻后，查找這個(gè)時(shí)刻附近勵(lì)磁電流和電樞電流的數(shù)值I，并進(jìn)行與理論值比較的運(yùn)算.如正確操作的最大勵(lì)磁電流為I，則實(shí)際的偏差值為m100%，然后與規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則進(jìn)行匹配，記錄錯(cuò)誤的操作.對(duì)于下降且穩(wěn)定的判斷，可以通過(guò)操作時(shí)刻t的前一段時(shí)間Δt內(nèi)電樞電流的方差或是最大值與最小值之差進(jìn)行判斷.

5 評(píng)估成績(jī)計(jì)算方法

專家系統(tǒng)可以判斷考生操作某項(xiàng)操作是否正確，如果錯(cuò)誤，判斷其錯(cuò)誤的類型.對(duì)每類操作錯(cuò)誤，都要相應(yīng)的扣分方法，在判斷結(jié)束后扣除考生相應(yīng)的分?jǐn)?shù).在某型輪機(jī)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中，將其錯(cuò)誤類型分為三類：重大事故、中等事故和一般事故.對(duì)每類錯(cuò)誤的定義和扣分方法如下［8］.

1）重大事故 重大事故是指在由于操作過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的失誤，導(dǎo)致等個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)不能運(yùn)行或設(shè)備損壞，造成災(zāi)難性后果的事故；或者考生的操作完全沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的要求.該類誤操作的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可表示為

式中：i為事故類型，共有n類；ai為扣分的權(quán)重系數(shù)；xi為操作過(guò)程中第i類發(fā)生的次數(shù)；f（i）為第i事故發(fā)生的邏輯條件；Xi為第i類事故發(fā)生.

2）中等事故 規(guī)定的操作目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，但操作過(guò)程中考生動(dòng)作不規(guī)范，沒(méi)有按照指定的步驟和操作最佳時(shí)機(jī)完成，可能損傷設(shè)備或影響運(yùn)行效果.該類誤操作的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可表示為

式中：i為事故類型，共有n類；bi為扣分的權(quán)重系數(shù)；xi為操作過(guò)程中第i類發(fā)生的次數(shù)；ci為第i事故發(fā)生的邏輯條件；Yi為第i類事故發(fā)生.

3）一般事故 表示規(guī)定操作目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，也沒(méi)有對(duì)設(shè)備造成危害的操作，但操作過(guò)程不熟練，可能存在一些安全隱患.該類誤操作類的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)可表示為

式中：i為事故類型，共有n類；ci為扣分的權(quán)重系數(shù)；xi為操作過(guò)程中第i類發(fā)生的次數(shù)；h（i）為第i事故發(fā)生的邏輯條件；Zi為第i類事故發(fā)生.

若在評(píng)價(jià)體系Q中，如果對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配為A＝（a1，a2…am），即A 是 評(píng)價(jià)Q 上 的一個(gè)模糊向量，＝1.權(quán)重的確定采用主觀賦值法，一般通過(guò)專家和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員確定.如在某次考核中，其權(quán)重分配如下

則采用加權(quán)平均法求得總的評(píng)價(jià)向量為

B＝a?R1＝（0.257 3，0.172 4，0.443 2）

總的評(píng)價(jià)向量為B＝（0.257 3，0.172 4，0.443 2），如果設(shè)定出現(xiàn)一次重大事故的扣分為41，中等事故的扣分為21，一般事故扣分為9，則將評(píng)分結(jié)果轉(zhuǎn)化為分值為

式中：SR為綜合扣分的結(jié)果.因此，考生綜合成績(jī)?yōu)?1.840 5.

6 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某型輪機(jī)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的研究，分析了評(píng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的基本方法，建立了自動(dòng)評(píng)分的準(zhǔn)則，及評(píng)分系統(tǒng)的模型和其求解的方法，給出了考生成績(jī)計(jì)算的方法.輪機(jī)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，也取得了較好的效果，為提高教學(xué)效率發(fā)揮了重要作用.

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