船舶動力系統(tǒng)模擬器自動評分系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

, ,

(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033)

隨著計算機(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)中的作用也越來越大。尤其是在大型電廠、航海、汽車駕駛和核電站等危險性大、成本高的行業(yè)，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)更加明顯[1]。船舶動力系統(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的訓(xùn)練內(nèi)容，可用較短時間使受訓(xùn)人員得到長期工作累積才能得到的實(shí)際經(jīng)驗[3-4]。然而，如何評價學(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評判，評分帶有很大的主觀性、延時性，會有失公正，同時還需要大量的人力物力資源。自動評分系統(tǒng)可解決這一難題?；谀炒瑒恿ο到y(tǒng)模擬器自動評分系統(tǒng)提出自動評分系統(tǒng)設(shè)計的總體思路和實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 模擬器簡介

模擬器由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括船舶動力系統(tǒng)所有的集中控制臺和各分控制臺，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PLC與仿真計算機(jī)相連，然后利用仿真計算機(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)系見圖1。其中，監(jiān)控軟件處在一個中心樞紐的位置，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)備傳輸過來的信息，同時將處理后的信息反饋給硬件設(shè)備。自動評分系統(tǒng)與監(jiān)控軟件之間進(jìn)行通信，通過監(jiān)控軟件記錄下來的數(shù)據(jù)是自動評分的基礎(chǔ)，自動評分系統(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)流動圖

1.2 自動評分系統(tǒng)功能需求分析

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

自動評分系統(tǒng)除了合理地評估操作使用能力，還能在一定的權(quán)限內(nèi)對評分規(guī)則和評分參數(shù)進(jìn)行動態(tài)修改，同時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，見圖2。

圖2 自動評分系統(tǒng)的總體結(jié)

1.3 各模塊的組成和功能簡介

1) 評分系統(tǒng)管理。主要由用戶信息管理、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評分系統(tǒng)的用戶信息及其使用權(quán)限，包括添加、修改、刪除用戶；完成系統(tǒng)的初始化任務(wù)，為下一次評分做好準(zhǔn)備；對數(shù)據(jù)庫數(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)錯誤或丟失，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

2) 專家系統(tǒng)管理。由專家知識庫、評分參數(shù)設(shè)計和專家知識打印三部分組成。專家知識庫子模塊為培訓(xùn)人員提供模擬器操作使用的幫助信息，評分參數(shù)設(shè)計子模塊主要是設(shè)置考核過程中的各參數(shù)要求以及動態(tài)修改各個部分的權(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) 評分項目管理模塊。由若干個項目的評分模塊組成。每個子項目都是模擬器的一個獨(dú)立的培訓(xùn)模塊，是針對實(shí)船某個特定崗位的培訓(xùn)，子項目又分為若干個子過程，教練員在考生考核前設(shè)置好考核的項目或子過程以及考核的難易等級。當(dāng)教員參與評分時，計算機(jī)根據(jù)權(quán)重的分配給出考生的綜合成績。如果需要完全實(shí)現(xiàn)教練員評分或者自動評分，只需將教練員的權(quán)重分別置1和0。評分結(jié)束后可以查看和打印操作過程。

4) 考核信息管理。包括考生基本信息管理，考核成績管理和考生信息打印?；拘畔⒐芾硎侵笇忌呐嘤?xùn)編號、姓名、職位、單位、聯(lián)系電話等基本信息進(jìn)行添加，修改，刪除等操作，同時可以對已有的信息進(jìn)行查詢。如果考生信息需要長期保存，還可以將考生信息存檔?？己顺煽児芾碇饕獙忌木C合成績和考核過程中的錯誤操作進(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

利用自動評分系統(tǒng)對考生進(jìn)行評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、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存儲考試的相關(guān)信息，包括考生基本信息、評分參數(shù)的設(shè)置和考試項目和難度的設(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)行評分，輸出考生的操作成績及相關(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程和錯誤的操作和步驟，了解需加強(qiáng)改進(jìn)之處。自動評分系統(tǒng)進(jìn)行評分的一般流程，見圖3。

圖3 自動評分系統(tǒng)操作流程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的鍵技術(shù)

3.1 操作過程的記錄與識別

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)出開始考試的指令后，考生開始考試，同時開始記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)考生操作某個開關(guān)或者按鈕，或是信號燈的狀態(tài)發(fā)生變化時，監(jiān)控軟件組態(tài)王中與之相對應(yīng)的變量也會隨之發(fā)生改變。通過記錄變量的變化情況，就能記錄下考生的操作過程。這些記錄考生操作過程的變量可以分為兩類：一類是離散變量，如工作方式選擇手輪、進(jìn)倒車開關(guān)、停車按鈕、通風(fēng)機(jī)接通指示燈,等等；另一類是連續(xù)變量，如勵磁電流、電源電壓、主軸轉(zhuǎn)速等等。兩類變量記錄的要求不一樣，所以記錄時分別以不同的形式進(jìn)行記錄。對于離散變量，當(dāng)其中任何一個變量改變時必須進(jìn)行記錄，在組態(tài)王數(shù)據(jù)改變命令語言中，可通過語句SQLInsert將變量改變信息存儲到指定的數(shù)據(jù)庫表格之中。對于連續(xù)變量，按固定周期進(jìn)行記錄，周期的長短可根據(jù)評估的要求進(jìn)行調(diào)整。在本評估系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)置連續(xù)變量的記錄周期為160 ms，能很好地滿足評估要求。

考生操作過程的識別?？己私Y(jié)束后，考生的操作過程被以數(shù)據(jù)的形式保存在數(shù)據(jù)庫[6-7]中，通過訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)識別考生的操作，并將其保存到一個數(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)鍵是識別過程的算法。而對于離散變量的記錄，是在其發(fā)生變化時才進(jìn)行記錄，即數(shù)據(jù)庫里的每一條記錄都與考生的一個操作相對應(yīng)，所以在訪問數(shù)據(jù)庫時可以通過檢測數(shù)據(jù)的變化唯一確定考生操作的按鈕或開關(guān)，這是識別算法的一個重要基礎(chǔ)。圖4是程序?qū)崿F(xiàn)過程的簡單示意圖。

圖4 考試操作識別過程

在程序的總體設(shè)計中，考慮到VB6.0與Access數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換量大而且頻繁，建立了一個單獨(dú)訪問數(shù)據(jù)庫的模塊實(shí)現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫的訪問以及添加、修改和刪除數(shù)據(jù)。 模塊中主要的函數(shù)有：數(shù)據(jù)庫鏈接函數(shù)Private Sub Connect()，數(shù)據(jù)庫斷開函數(shù)Private Sub Disconnect()，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢的函數(shù)Public Function Search(ByVal Sent As String) As ADODB.Recordset和對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行添加、修改或刪除的函數(shù)Public Sub SQLExt(ByVal Sent As String)等。

3.2 評分方法

模擬器培訓(xùn)由多個相互獨(dú)立的培訓(xùn)項目組成，而每個項目又可以分為若干各相互獨(dú)立的子模塊。當(dāng)考生選擇其中多個項目或子模塊考核時，就構(gòu)成了一個二級模糊綜合評判的問題，若教練員參與評分則構(gòu)成三級模糊評判的問題，見圖5。

圖5 模糊綜合評判的層次結(jié)

應(yīng)用模糊綜合評判的另一個重點(diǎn)工作是確定各評判因素的權(quán)重分配。結(jié)合專家評判法和統(tǒng)計評價法的優(yōu)點(diǎn)，建立動態(tài)的權(quán)重分配方法。首先采用專家評判法確定權(quán)重分配的默認(rèn)值并保存在數(shù)據(jù)庫中，然后在自動評分系統(tǒng)中設(shè)計模糊綜合評判權(quán)重分配修改系統(tǒng)，動態(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，使自動評估結(jié)果更加合理。系統(tǒng)界面見圖6。

對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)計的自動評分系統(tǒng)還不能評估，因此，這部分繼續(xù)采用考官評分的方法。當(dāng)不設(shè)考官評分時可將教練員評分的權(quán)重分配設(shè)置為0或給教練員打分設(shè)置一個默認(rèn)值。

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

[2] 包國江．基于航海模擬器的船舶操縱評估系統(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)自動評分系統(tǒng)研究[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007,3(3)：93-96.

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

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

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

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