郭慧茹，胡以懷

(上海海事大學 商船學院，上?！?01306)

輪機模擬器實操培訓的自動評分方法

郭慧茹，胡以懷

(上海海事大學 商船學院，上海201306)

摘要：在整合現(xiàn)有輪機模擬器資源的基礎(chǔ)上提出了一套自動評分系統(tǒng)方案，對方案中的關(guān)鍵性問題提出了解決方案。為了準確評判操作者的操作過程與操作結(jié)果，改進了評分算法，引入模糊綜合評判法加分制和過程評判減分制。

關(guān)鍵詞：輪機模擬器；評分系統(tǒng)；評分算法；以太網(wǎng)通信

一、引言

國家海事局組織的海船船員適任實操評估自實施以來，發(fā)展到今天已經(jīng)形成相對成熟統(tǒng)一的評估模式、評估規(guī)程，但實操項目的評估方法現(xiàn)階段仍然倚重于評估員人工評分，學員的分數(shù)準確與否很大程度上取決于評估員的專業(yè)知識和實際經(jīng)驗，如果引入自動評分系統(tǒng)，其評價過程將更為客觀。自動評分系統(tǒng)算出的分數(shù)準確與否取決于兩個方面，一個是操作過程中的數(shù)據(jù)采集是否準確全面，二是評分算法是否全面。目前自動評分系統(tǒng)算法有采用模糊綜合評判法加分制，也有傾向于過程評估的減分制算法。在考慮兩種方式的優(yōu)點與局限性的基礎(chǔ)上，本文提出了一種在過程失誤數(shù)據(jù)的評判中采用模糊評判減分制，在結(jié)果參數(shù)評判中采用模糊綜合評判法加分制，生成兩種分數(shù)后相減得出操作者的最終分數(shù)。

二、 輪機模擬器自動評分系統(tǒng)組成

輪機模擬器自動評分系統(tǒng)可以劃分為兩個部分：第一部分為教員機以及輔助數(shù)據(jù)管理和評分模塊，第二部分為系統(tǒng)仿真模型工作站以及相關(guān)的硬件設(shè)備和人機接口界面(見圖1)。該系統(tǒng)能更好地整合現(xiàn)有的模擬器資源，僅在替換教員機模塊的基礎(chǔ)上形成高效準確的自動評分功能。

教員機以及輔助數(shù)據(jù)管理和評分模塊是自動評分系統(tǒng)的核心，包括題庫數(shù)據(jù)管理、學員操作數(shù)據(jù)管理、自動評分模塊。其功能為考試開始時向系統(tǒng)仿真工作站發(fā)送試題的初始狀態(tài)，考試過程中提取考生的操作數(shù)據(jù)以及記錄操作過程。

圖1　輪機模擬器自動評分系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)仿真工作站是包括主機模塊、電站模塊、輔助動力系統(tǒng)模塊、監(jiān)控報警系統(tǒng)模塊、其他輔助子系統(tǒng)模塊和綜合監(jiān)控與報警模塊。學員操作模擬器方式有兩種，一種是通過硬件設(shè)備，另外一種是通過軟件界面交互。操作過程中生成的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實時傳送給教員機。系統(tǒng)仿真工作站為輪機模擬器的現(xiàn)有資源，如果將其納入自動評分系統(tǒng)，需要加上數(shù)據(jù)處理與實時傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c傳輸?shù)膶崟r性是關(guān)鍵。

學員操作模式選擇上本系統(tǒng)將更加靈活，可以實現(xiàn)純硬件設(shè)備操作，純軟件操作或者軟件與硬件結(jié)合的方式。在軟件人機交互方法上也是可以任意組合地通過2D與3D的軟件界面呈現(xiàn)。虛實靈活互組，去掉或加上任何一個環(huán)節(jié)都不影響評分系統(tǒng)的正常運行。

三、初始狀態(tài)的生成方法

在實操項目評估準備過程中，教員機需要向系統(tǒng)仿真工作站發(fā)送試題的初始狀態(tài)，初始狀態(tài)的設(shè)置有以下兩種方式：

(1)設(shè)置與考題實際相接近的初始狀態(tài)。當教員對系統(tǒng)特性具有很好的經(jīng)驗知識的前提下，可以在教員機軟件界面設(shè)置輪機模擬器的初態(tài)值，這些初態(tài)值將以數(shù)據(jù)庫表格形式保存下來，在考試過程中向系統(tǒng)仿真工作站發(fā)送該表格定義好的初始狀態(tài)。系統(tǒng)仿真工作站在收到數(shù)據(jù)后先恢復到冷船啟動的狀態(tài)，再根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)列表將模擬器當前參數(shù)刷新到所要求的初始狀態(tài)。

(2)仿真模型預(yù)運行法。這種初始狀態(tài)的獲取是教員操作模擬器到既定狀態(tài)的，待仿真模型預(yù)運行一段時間，所有模型進入穩(wěn)態(tài)后開始收集仿真的輸出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給教員機形成數(shù)據(jù)庫表格后保存，在考試前將此數(shù)據(jù)表格中的狀態(tài)列表發(fā)送給系統(tǒng)仿真工作站，仿真工作站將依此自行更新運行狀態(tài)。

四、 自動評分模塊的實現(xiàn)

1.自動評分系統(tǒng)的評價原則

對于自動評分系統(tǒng)的評定模型有兩個類別上的劃分，分別為基于操作序列和基于特征值提取的自動評定模型，這兩個評定模型對于操作過程中提取并用作為評判依據(jù)的信息不同。前者提取的是操作者的操作序列，后者提取的是操作結(jié)果，提取操作序列反映的信息更直接。本系統(tǒng)中兩部分數(shù)據(jù)均提取并入一個針對學員ID為索引的數(shù)據(jù)庫列表中保存。

圖2　輪機模擬器自動評分系統(tǒng)評價結(jié)構(gòu)圖

2.自動評分算法

經(jīng)研究目前自動評分系統(tǒng)算法大多數(shù)采用模糊綜合評判法加分制，在算法的實施過程中因素集選取的參數(shù)一般為操作者的結(jié)果參數(shù)，這種算法的局限性在于當操作者A與操作者B最終的結(jié)果參數(shù)相同，因此得分相同，而實際上操作者B在操作過程中觸發(fā)類似于全船失電的重大失誤而很快恢復供電，所以只重視結(jié)果參數(shù)有失評分公允。除了操作結(jié)果，實際上操作者的操作過程評判也很重要，筆者研究過程中發(fā)現(xiàn)也有傾向于過程評估的減分制算法。

在綜合考慮兩種方式的優(yōu)點與局限性的基礎(chǔ)上，本文提出了一種在結(jié)果參數(shù)評判中采用模糊綜合評判法加分制，在過程失誤數(shù)據(jù)的評判中采用模糊過程評判減分制，生成兩種分數(shù)后與各自權(quán)重相乘得出操作者的最終分數(shù)。

3.模糊綜合評判法加分制

(1)構(gòu)建評分因素集U，因素集是在充分研究對象的基礎(chǔ)上，根據(jù)經(jīng)驗整理出影響評估分數(shù)的各方面因素的集合，在模糊綜合評判法加分制算法中采集的數(shù)據(jù)為學員操作的結(jié)果參數(shù)。

(2)構(gòu)建評判集V，評判集是根據(jù)操作者水平等級劃分的評估結(jié)果的集合：

各權(quán)值應(yīng)滿足歸一性和非負性條件：

(4)建立單指標模糊關(guān)系矩陣R，矩陣R的建立過程即逐一評價元素集中U中的每個元素，對評判集V中的的每個模糊子集的歸屬情況進行量化，也就是確定每個評價對象各個指標在各評判等級模糊子集中的隸屬度。

(5)確定模糊評分結(jié)果向量B，模糊綜合評分結(jié)果向量反映了被評對象整體上對各等級模糊子集的隸屬程度。

B=A×R

模糊綜合評判法加分制得出的最后分值為

4.模糊過程評判減分制

為了評估學員在操作過程是否出現(xiàn)失誤、漏操作、多操作、順序誤操作、重復操作、操作時機錯誤等情況，引入模糊過程評判減分制。將扣分等級分為3個層次，最高等級為與船舶安全相關(guān)的重大事故扣分項，中間層為與損傷設(shè)備或者影響運行效果的中等事故扣分項，底層為操作次序不符合規(guī)范的一般扣分項。

具體實現(xiàn)過程為在充分研究評估過程的基礎(chǔ)上建立有關(guān)安全的誤操作，利于機器壽命的誤操作以及最優(yōu)操作次序的專家知識庫，并以數(shù)據(jù)庫表格形式保存下來。在采集學員過程操作數(shù)據(jù)時加入兩個屬性，操作時間與操作次序編號。在取得學員的操作過程數(shù)據(jù)后與專家知識庫的經(jīng)驗值比對得出比對結(jié)果，操作次序評估需經(jīng)完整的推理過程，求得出相應(yīng)分值E。

1.原分類所得稅制下，納稅人不同來源渠道的所得分別適用其費用扣除標準計算納稅。多渠道取得所得的納稅人可多次享受費用扣除，以降低其稅負水平。在綜合所得合并征稅的制度下，對納稅人取得的收入需要匯總納稅。此時，不論納稅人的所得是單一渠道取得或是多渠道取得，都只能適用一次費用扣除，納稅人的稅負水平不會因所得來源渠道數(shù)量不同而產(chǎn)生差異。

學員在操作模擬器結(jié)束后的最終得分為：

W=N-E

5.自動評估算法示例

以主電網(wǎng)啟動運行為例，其評分過程為：

(1)模糊綜合評判法加分制

加分制因素集U為：U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}， u1為應(yīng)急空氣瓶壓力，u2為啟動空氣閥開啟，u3為1號發(fā)電機運行狀態(tài)，u4為合閘供電，u5為應(yīng)急發(fā)電機解列，u6為操作時間。

評判集由5個等級構(gòu)成，分別為V1—優(yōu)秀、V2—良好、V3—中等、V4—及格、V5—不及格。評判集V為：V={1，0.8，0.7，0.6，0}

根據(jù)評估員實際打分經(jīng)驗可以將權(quán)重集A定義為：A={0.15,0.1,0.25,0.2,0.2,0.1}

獲取的結(jié)果參數(shù)為：應(yīng)急空氣瓶壓力為2.7MPa，啟動空氣閥開啟，1號發(fā)電機處于運行狀態(tài)，合閘供電，應(yīng)急發(fā)電機沒有解列，操作時間23min。則其構(gòu)造形成的模糊關(guān)系矩陣為：

經(jīng)計算本例中：B={0.7,0,0.1,0.2}

(2)模糊過程評判減分制

該學員的過程評估得分結(jié)果為77-8.05=68.95

五、 以太網(wǎng)通信實現(xiàn)方法

除了評分算法，評分系統(tǒng)中操作過程中數(shù)據(jù)提取與傳輸也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在通信方式實現(xiàn)方面，本文采用了基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信模式，為了資源共享主要采用客戶機/服務(wù)器模式。

客戶機端(進程)發(fā)送請求給服務(wù)器端(進程),客戶機發(fā)出請求時服務(wù)器進程對其請求做出響應(yīng),并產(chǎn)生結(jié)果。在客戶機/服務(wù)器模式下,客戶機為主動方,即請求方,而服務(wù)器為被動方,接受請求方(見圖3)。客戶機利用TCP/IP應(yīng)用程序來訪問服務(wù)器資源,而服務(wù)器的TCP/IP應(yīng)用程序則可以將客戶機訪問的結(jié)果回送給客戶機。系統(tǒng)中教員機為服務(wù)器端，仿真工作站為客戶端。

圖3　客戶機/服務(wù)器模式

評分過程中教員機與仿真工作站建立點對點的面相連接的通信方式，實時傳輸操作過程數(shù)據(jù)。當教員機與仿真工作站建立連接后，所有模塊數(shù)據(jù)將分實時送給教員機，但對于當前的評估內(nèi)容來說并不是所有的數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，因此在考題下達系統(tǒng)初始化階段，本次考試內(nèi)容需要提取的參數(shù)內(nèi)容會形成關(guān)鍵字表格，在收到實時數(shù)據(jù)后教員機將在后臺匹配數(shù)據(jù)字頭，配對后獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

教員機上的服務(wù)器控件在svrIS_DataArrival()事件觸發(fā)后，將取得的數(shù)據(jù)序列按照“；”分開，將拆分得到的數(shù)據(jù)序列調(diào)用SplitSckData()函數(shù)，取得4個參數(shù)tmpsen、tmpname、tmpval、sencnt，tmpname為數(shù)據(jù)的字頭，tmpval為該字頭對應(yīng)實時數(shù)據(jù)。如評分算法模塊中當需要提取冷船啟動操作中主電網(wǎng)啟動運行過程中應(yīng)急空氣瓶壓力時，應(yīng)匹配“AES073”這個字頭。在SplitSckData()函數(shù)比較tmpname與字符串“AES073”，如不一致則丟棄該數(shù)據(jù)，如匹配一致則將tmpval數(shù)值存儲該學員對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫列表中。

六、 結(jié)語

通過對現(xiàn)有的自動評分系統(tǒng)的研究提出了一套針對輪機模擬器的自動評分系統(tǒng)，該系統(tǒng)評分系統(tǒng)的構(gòu)架靈活，自動評分算法評價要素更為全面，數(shù)據(jù)點對點通信采用流方式，對數(shù)據(jù)有重發(fā)和校驗機制, 保證了通信可靠性。

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收稿日期：2015-11-12

作者簡介：郭慧茹(1987-)，女，助教，主要從事輪機自動化與仿真研究。

中圖分類號：U676.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8724(2016)02-0091-04