張巧芬，孫建波，史成軍，孫才勤

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026）

新型輪機(jī)仿真平臺實(shí)操考試自動評估算法

張巧芬，孫建波，史成軍，孫才勤

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026）

針對國內(nèi)外輪機(jī)模擬器在操作考試和自動評估方面功能的不足，提出了一種基于專家系統(tǒng)評分規(guī)則的模糊評估算法并應(yīng)用于輪機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺。該算法采用通用試題評估規(guī)則表來設(shè)置各道試題的具體評估規(guī)則，實(shí)時跟蹤操作考試過程中相關(guān)變量的變化，進(jìn)行答題過程評估和答題結(jié)束評估。評估過程中選用合適的隸屬函數(shù)來計算變量在檢測范圍內(nèi)的隸屬度，操作結(jié)束時自動打分并提供可查詢的扣分記錄。實(shí)例中基于此平臺的實(shí)操考試自動評估結(jié)果與專家系統(tǒng)評分結(jié)果一致，驗(yàn)證了該算法的可行性。該新型輪機(jī)實(shí)操考試與自動評估系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的船員考試制度，能夠真正意義上地提高船員實(shí)操和管理能力。

輪機(jī)；仿真；虛擬現(xiàn)實(shí)；實(shí)操；專家系統(tǒng)；評估算法；隸屬函數(shù)

隨著我國航運(yùn)事業(yè)和現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，現(xiàn)代航海技術(shù)也在日新月異，船舶也在向著大型化、專業(yè)化的方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢對船員的管理水平和實(shí)操水平的要求越來越高［1］。此外，2012年1月 1日開始生效的STCW公約修正案已明確將機(jī)艙資源管理定為強(qiáng)制性適任標(biāo)準(zhǔn)，并新增領(lǐng)導(dǎo)力和團(tuán)隊工作技巧的使用（操作級）和領(lǐng)導(dǎo)力和管理技巧的使用（管理級）的強(qiáng)制性適任能力［2］。

為使我國船員考試和評估體制滿足新的要求，中國海事局在船員考試體制改革方面做了大量的工作，例如在船員考試中引入多媒體試題，但試題仍然沒有擺脫傳統(tǒng)試題的框架，考試無法真正體現(xiàn)學(xué)員的實(shí)際操作水平、分析和解決問題的能力。輪機(jī)模擬器是船員教學(xué)、培訓(xùn)和考試的重要手段，但是目前傳統(tǒng)的輪機(jī)模擬器都是基于硬件設(shè)備制造的，跟實(shí)船場景還有很大差距［3］，其操作評估依然采用人工評估，考試試題不具有開放性，系統(tǒng)無法實(shí)時動態(tài)改變初始狀態(tài)，不具有考生應(yīng)答系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)操考試的自動評估［4］。

針對這些不足，大連海事大學(xué)教育部“海運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”輪機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在中國海事服務(wù)中心的資助下共同開發(fā)一種新型的輪機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)仿真平臺，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于專家系統(tǒng)評分規(guī)則的模糊評估算法，應(yīng)用于輪機(jī)實(shí)操考試的自動評估。

1 輪機(jī)實(shí)操考試與自動評估系統(tǒng)組成

該輪機(jī)仿真平臺是一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［5-6］的新型仿真平臺，它由輪機(jī)系統(tǒng)仿真模型、試題庫導(dǎo)入平臺、智能動評估推理機(jī)、考生站和教練員站構(gòu)成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪機(jī)仿真平臺實(shí)操考試與自動評估系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of operation examination and intelligent evaluation system based on marine engine simulator

輪機(jī)系統(tǒng)仿真模型包括柴油機(jī)動力裝置及其控制系統(tǒng)、船舶電站，以及鍋爐、分油機(jī)、液壓舵機(jī)等其他模型，這些子系統(tǒng)的建模與仿真是整個輪機(jī)虛擬仿真平臺的基礎(chǔ)；試題導(dǎo)入平臺從海量試題庫中抽取考題及其相關(guān)評分規(guī)則用于實(shí)操考試與自動評估，試題庫的建立由業(yè)內(nèi)專家出題完成；推理機(jī)融合專家系統(tǒng)評估規(guī)則，集成了實(shí)時檢測、結(jié)束檢測和時段檢測算法，對考試過程和結(jié)果進(jìn)行自動評估；考試終端和考試中心通過網(wǎng)絡(luò)通信以人機(jī)交互方式與系統(tǒng)進(jìn)行對話。

海船船員實(shí)操考試內(nèi)容具有多樣性和復(fù)雜性，每一道試題有其各自的初始化狀態(tài)。為了滿足考試要求，該仿真平臺實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)初始狀態(tài)隨試題的變換而瞬時更新，并可對其進(jìn)行補(bǔ)充和修改。

2 自動評估算法

2.1 評估規(guī)則的設(shè)置

輪機(jī)仿真平臺的評估內(nèi)容有操作級和管理級2種，但課題設(shè)計的自動評估算法不區(qū)分這2種評估內(nèi)容，而是統(tǒng)一地將評估的試題類型分為4種：參數(shù)修改、應(yīng)急處理、故障判斷和操作。無論是哪一種試題，均可看成由若干個“操作”和“性能參數(shù)”組成。所謂“操作”是指完成試題所需的步驟，分有順序要求和無順序要求2種；“性能參數(shù)”是用來反映操作過程中相關(guān)狀態(tài)變化的參數(shù)。不管是“操作”還是“性能參數(shù)”，在評估算法中都以變量的方式來進(jìn)行描述，每一個操作或性能參數(shù)對應(yīng)一個變量。試題的評估過程就是實(shí)時跟蹤該試題包含的各個變量在實(shí)操過程中的變化情況。

輪機(jī)仿真變量可多達(dá)20萬個，基本上涵蓋了實(shí)操考試內(nèi)容的各個方面，若不將這些變量的評估規(guī)則統(tǒng)一起來，則算法實(shí)現(xiàn)起來非常困難。因此試題通用評估規(guī)則表，如表1所示，具有化繁為簡的作用，適用于任何一道試題。評估規(guī)則表以變量為對象，描述了每道試題的具體評估要求，是進(jìn)行試題自動評估的惟一依據(jù)。

表1 試題通用評估規(guī)則Table 1 The universal evaluation rules for exam questions

表中各項的含義如下：

1）變量描述：描述該變量的具體含義。

2）變量名稱：該變量的名稱。

3）變量類型：布爾型、整型和浮點(diǎn)型。

4）檢測要求：實(shí)時檢測、結(jié)束檢測和時段檢測。其中時段檢測要求在操作過程的某個時段進(jìn)行實(shí)時檢測，在此時段以外不檢測。

5）檢測類型：根據(jù)變量類型和上下限值，給出檢測值的范圍，作為評分的標(biāo)準(zhǔn)。

6）檢測上（下）限——變量的正確變化范圍。

條件集合：檢測該變量的所有條件，用集合的形式表示。NULL表示空集。

7）條件級別：用數(shù)字1、2、3……從高至低表示操作的優(yōu)先級，不同變量條件順序相同表示優(yōu)先級相同，無順序先后之分。NULL表示無條件順序。

8）分值：評分項分值，有加分和減分2種機(jī)制。變量所代表的“操作”或“性能參數(shù)”的意義越重要，其分值越高。對于某些非常重要的操作，其分值可設(shè)為-100分，一旦操作失誤則該考題得分為0分。若變量代表的是條件，其分值為0分。

每道考題有其默認(rèn)的評估規(guī)則，由專家出題者完成。此外出題者或教練員在答題前還可以根據(jù)具體情況對其進(jìn)行修改或補(bǔ)充。評估規(guī)則的設(shè)置除了表1所包含的內(nèi)容外，還包括評分機(jī)制（加分或減分）、答題時間、評分項、變量隸屬函數(shù)的選擇等。

2.2 評估過程

1）計算總分Score

通常船員實(shí)操考試采用百分制，有m道考題，總得分的計算公式如下：

式中：Si為第i道考題的百分制得分；kf為扣分系數(shù)，若考生延遲答題（系統(tǒng)允許的情況下），則在正?？偟梅值幕A(chǔ)上乘以一定的扣分系數(shù)作為考生最后的得分，kf∈0，1[]；wi為其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，權(quán)重系數(shù)由出題專家給出，也可采用層次分析法［7］來確定，滿足

2）計算每一道試題的百分制得分Si

每一道考題有n個評估變量，對應(yīng)有n個評分項，每個評分項的得分為si（i＝1，2，3，…，n），若變量表示的是一個條件，則其變量分值為0。若采用加分機(jī)制計分，則試題最后的得分：

若采用減分機(jī)制計分，則試題最后的得分：

3）計算評分項得分si

定義布爾變量sci(i＝1，2，…，n )為評分項得分系數(shù)，sci∈[0，1]，初始值為NULL。因此評分項得分：

4）計算評分項得分系數(shù)sci

實(shí)操考試與自動評估系統(tǒng)中的變量有“操作”變量和“性能參數(shù)”變量2類，其中“操作”變量代表的是相關(guān)閥件和按鈕的操作，其對應(yīng)的評分項得分系數(shù)非“1”即“0”，因此其評估結(jié)果明確公正，其隸屬函數(shù)可采用單點(diǎn)隸屬函數(shù)。而“性能參數(shù)變量”通常評分范圍是在某一范圍內(nèi)，若籠統(tǒng)地采用“變量值在檢測范圍內(nèi)得分標(biāo)志為1，否則為0的評估規(guī)則，評估結(jié)果不盡合理。

因此對于評分項得分系數(shù)sci，可采用模糊評估的方法，即根據(jù)變量性質(zhì)和檢測范圍選用合適的參數(shù)模糊隸屬函數(shù)，用以計算“性能參數(shù)”變量的得分系數(shù)，使其為閉區(qū)間［0，1］上的連續(xù)值。表示條件的變量其評分項得分系數(shù)非1即0。

定義集合A為論域U中的一個模糊集合，其隸屬函數(shù)μA（x）表示元素x相對于A的隸屬程度，即

常用的隸屬函數(shù)有三角隸屬函數(shù)、梯形隸屬函數(shù)、Gaussian隸屬函數(shù)、K次拋物線隸屬函數(shù)（包括偏大型、偏小型和中間型）、Sigmoid隸屬函數(shù)、鐘形隸屬函數(shù)等［8-9］，也可以采用數(shù)值方法擬合構(gòu)造［10］。

隸屬函數(shù)μA（x）的確定可以依據(jù)評估變量類型和變量檢測范圍的最佳值位置來選擇合適的隸屬函數(shù)，其選擇原則如下：

對于“操作”變量，采用單點(diǎn)隸屬函數(shù)：

式中：xi（i＝1，2，…，n）為論域中的取值點(diǎn)。

對于“性能參數(shù)”變量，若變量檢測范圍無最佳值，則當(dāng)變量位于檢測范圍內(nèi)μA（x）＝1，反之μA（x）＝0。若變量檢測范圍有最佳值，對于最佳值越大越好的性能指標(biāo)，選用單調(diào)遞增函數(shù)；對于最佳值越小越好的性能指標(biāo)，選用單調(diào)遞減函數(shù)；對于最佳值是一個定值或區(qū)間的性能指標(biāo)，則其隸屬函數(shù)在最佳值或區(qū)間處有極大值，μA（x）＝1。

5）具體評估流程

本文將所有評估變量VNi(i＝1，2，…，k )看成一個集合，定義集合V＝{VN1，VN2，…，VNk}，根據(jù)檢測要求，可以將集合分成2個子集，V1表示實(shí)時檢測變量和時段檢測變量的集合，V2表示結(jié)束檢測變量集合：

評估過程分答題過程評估和答題結(jié)束評估2部分，答題過程評估對集合V1的變量進(jìn)行評估，在系統(tǒng)規(guī)定的答題時間對V1的變量巡檢，如圖2所示。答題結(jié)束評估對集合V2的變量進(jìn)行評估，在答題結(jié)束時對集合V2的變量進(jìn)行檢測，如圖3所示。

圖2 答題過程評估流程圖Fig.2 Flow diagram of evaluation during answering process

根據(jù)評估規(guī)則的要求，集合V1中的所有元素要不是在整個操作過程中進(jìn)行實(shí)時檢測，要不就在規(guī)定的某個時段進(jìn)行實(shí)時檢測，在整個檢測過程中，一旦變量值不符合檢測范圍，其對應(yīng)的得分系數(shù)就為0，系統(tǒng)將停止對其檢測。對于集合V2中的元素，只要求在結(jié)束答題之后進(jìn)行檢測，同時根據(jù)對一個變量進(jìn)行評分是否需要條件，可以將集合V2中的變量又分為子集V21和V22：

集合V21中的變量檢測不需要滿足條件，為表示條件或者不帶條件的結(jié)論的變量集合，其對應(yīng)的條件集合CSi（i＝1，2，3..k）＝?；集合V22中的變量的檢測需要滿足一定條件，CSi（i＝1，2，…，k）∈VN21，可以是單條件，也可以是多條件，條件還可能有順序要求。所以，在對集合V22中的變量進(jìn)行檢測前，首先判斷其條件是否滿足，其次再判斷條件是否滿足順序要求，只有滿足了變量的條件要求才能對變量進(jìn)行檢測。

圖3 答題結(jié)束評估流程圖Fig.3 Flow diagram of evaluation at the end of answering

3 實(shí)例分析

本文以題庫中編號為1011的“集控室-機(jī)旁控制位置轉(zhuǎn)換（ACC20）”考題為例，驗(yàn)證該評估系統(tǒng)的可行性。考題要求“按正確的操作順序從集中控制室轉(zhuǎn)換到機(jī)旁控制，轉(zhuǎn)換后正車半速起動主機(jī)，并將主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整在30～40 r／min范圍內(nèi)”，答題時間為300 s。答題以點(diǎn)擊“開始”按鈕開始，以點(diǎn)擊“完成”按鈕結(jié)束，或答題時間到自動結(jié)束。

3.1 仿真平臺初始化

該考題的初始狀態(tài)：集控室控制，備車完畢，主機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，2號發(fā)電機(jī)合閘供電，1、3和4號發(fā)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。如圖4所示為考題1011的系統(tǒng)初始化。

圖4 考題1011的系統(tǒng)初始化Fig.4 System initialization for question 1011

3.2 考生答題與自動評估

該系統(tǒng)的部分虛擬現(xiàn)實(shí)操作場景如圖5所示。圖5為機(jī)旁操作界面，圖6為ACC20主機(jī)遙控系統(tǒng)的集控室車鐘界面。

圖5 機(jī)旁操作界面Fig.5 Interface of the operation beside engine

圖6 集控室車鐘界面Fig.6 Interface of the telegraph in control room

1）駕駛臺和集控室操作部位轉(zhuǎn)換，分值為-20分；

2）脫開調(diào)速器，分值為-100分；

3）機(jī)旁轉(zhuǎn)換，分值為-100分；

4）完成應(yīng)急車鐘的通訊：駕駛臺給出半車起動車令，機(jī)旁回車令，分值為-20分；

5）轉(zhuǎn)動油門手柄，按起動按鈕起動主機(jī)，將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至30～40 r／min，分值為-10分。

其中2）和3）順序不能調(diào)換，否則會扣去50分。

若考生在規(guī)定的考試時間內(nèi)完全按照要求操作，且最后柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在35 r／min，專家系統(tǒng)打分為100分，系統(tǒng)自動評估的成績也為100分。

若考生在規(guī)定的考試時間內(nèi)也完成了操作，但其操作步驟2和3順序調(diào)換了，按照專家系統(tǒng)打分，該評分項得分為-50分，且最后柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在55 r／min，很大程度地偏離規(guī)定范圍，評分項得分為-10分。因此專家系統(tǒng)打分為40分，系統(tǒng)自動評估的成績也為40分，評估記錄如圖7所示。

圖7 40分評估記錄Fig.7 Evaluation details of 40 scores

4 結(jié)論

1）課題提出的基于輪機(jī)仿真器實(shí)操考試自動評估算法能夠針對不同的操作和性能參數(shù)選用不同的隸屬函數(shù)進(jìn)行評分，評估過程完全模擬專家系統(tǒng)評估，評估結(jié)果合理公正。

2）該新型輪機(jī)虛擬仿真平臺實(shí)操考試自動評估系統(tǒng)的開發(fā)旨在真正提高船員實(shí)操和管理能力，并推進(jìn)我國船員考試制度的改革。目前該系統(tǒng)已在部分海事院校初步應(yīng)用，承擔(dān)起船員教學(xué)和培訓(xùn)的任務(wù)。隨著系統(tǒng)平臺的日益完善和成熟，將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

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An automatic-evaluation algorithm for the operation examination of the novel marine engine simulation platform

ZHANG Qiaofen，SUN Jianbo，SHI Chengjun，SUN Caiqin
（Department of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China）

Aiming at the deficiencies of domestic and foreign marine engine simulators，based on the aspects of crew operation examination and automatic-evaluation，a fuzzy evaluation algorithm based on the expert system assessment rules has been proposed and applied to the marine engine virtual reality simulation platform.This algorithm was accomplished by setting the evaluation rules specific to each question according to a common evaluation rule table initially，and then tracking the variables during the whole operating process.The evaluation proceeded during and after the examination.A proper membership function was chosen to calculate the membership degree for each variable during the evaluation，and a reasonable score was given after the evaluation with a queryable evaluation record.Finally an operation example was taken.The evaluation results being consistent with the scores given by the expert system show that the feasibility of the algorithm is well verified.The novel marine engine simulation platform designed for operation examination and automatic-evaluation has broken away from the traditional form of crew examination，which can improve the operational and management ability of the crew in a real sense.

marine engine；simulation platform；virtual reality；operation examination；expert system；evaluation algorithm；membership function

10.3969／j.issn.1006-7043.201304033

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201304033.html

TP391.6；U664.82

A

1006-7043（2014）06-0725-06

2013-04-08.網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-05-14 15：51：57.

國家863計劃資助項目（2011AA110201）

張巧芬（1986-），女，博士研究生；孫建波（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師.

張巧芬，E-mail：qiaofen26＠163.com.