考核評估系統(tǒng)研究綜述*

肖劍波　胡大斌　胡錦暉　聶　偉

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

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考核評估系統(tǒng)研究綜述*

肖劍波1胡大斌1胡錦暉1聶偉2

(1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院武漢430033)(2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院鎮(zhèn)江212000)

摘要模擬訓(xùn)練是指結(jié)合半實物仿真或計算機(jī)仿真界面等方式,利用系統(tǒng)仿真、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段開展裝備操作、管理等訓(xùn)練形式,已成為提高裝備技術(shù)保障水平和裝備操作管理能力的有效手段。為掌握受訓(xùn)人員崗位任職能力,同時,提高培訓(xùn)的效果和制定更加合理的培訓(xùn)計劃,模擬訓(xùn)練系統(tǒng)必須具備公正、合理、高效的受訓(xùn)人員考核評估系統(tǒng)。論文從原理、應(yīng)用和技術(shù)手段等角度出發(fā),概述了考核評估系統(tǒng)的研究成果,并對考核評估系統(tǒng)中單因素評估法、綜合評估法和智能評估法等方法進(jìn)行了闡述,并對今后研究趨勢進(jìn)行了展望和建議。

關(guān)鍵詞模擬訓(xùn)練系統(tǒng); 建模; 考核評估方法; 智能評估

Review of Intelligent Evaluation System

XIAO Jianbo1HU Dabin1HU Jinhui1NIE Wei2

(1. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033) (2. Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang212000)

AbstractSimulation training means to use half-semi or computer simulated GUI, with the technologies of system simulation, virtual reality etc. to achieve equipments handling training and managements training, which has been an efficient way to improve equipment operation training and management capabilities. In order to maintain training level and make more suitable training program to improve the training effects, an intelligent evaluation system, which can make justice, efficient evaluation, is needed. In this paper, the developments, principles and key technologies is summarized and the examination evaluation method such as single factor method, comprehensive evaluation method and intelligent evaluation are discussed. Finally, the forecast and suggestion on future research are also made.

Key Wordssimulation training system, modeling, examination evaluation method, intelligent evaluation

Class NumberE139

1引言

模擬訓(xùn)練又稱模擬仿真,是指利用模擬器材進(jìn)行崗位訓(xùn)練的一種方法。隨著計算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等的發(fā)展,模擬訓(xùn)練的逼真度、可信度越來越高,已成為提高裝備技術(shù)保障水平和裝備操作管理能力的有效手段。

為掌握受訓(xùn)人員崗位任職能力,同時,提高培訓(xùn)的效果和制定更加合理的培訓(xùn)計劃,模擬訓(xùn)練系統(tǒng)必須具備公正、合理、高效的受訓(xùn)人員考核評估系統(tǒng),因此,研究者嘗試建立受訓(xùn)人員崗位操作評估方法并構(gòu)建考核評估系統(tǒng)。在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)受訓(xùn)人員崗位操作考核中,受訓(xùn)人員操作水平取決于諸多因素,如理論知識水平、系統(tǒng)設(shè)備操作能力、設(shè)備故障處理能力和心理素質(zhì)等。而傳統(tǒng)的考核評估方法采用教練員主觀評價的方式,易受人為因素影響,難以客觀、公正地評價操作人員的操作水平,尤其很難評判在系統(tǒng)參數(shù)瞬態(tài)運行過程中對操作響應(yīng)的變化等問題。因此,現(xiàn)代模擬訓(xùn)練系統(tǒng)逐步向智能化發(fā)展,綜合考慮各方面因素,建立受訓(xùn)人員考核評估體系,并通過計算機(jī)采集各操作步驟相關(guān)參數(shù),建立考核評估模型對操作過程數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述,可以準(zhǔn)確反映瞬態(tài)運行過程中對操作響應(yīng)的變化,使得考核評估更加合理。智能考核評估系統(tǒng)已成為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研制過程中的重要組成,并代表著模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的最新研究方向。

2考核評估系統(tǒng)研究概況

根據(jù)考核人員的操作自動進(jìn)行評估,為培訓(xùn)人員更好的訓(xùn)練提供依據(jù),這是早期模擬訓(xùn)練系統(tǒng)考核評估系統(tǒng)的主要功能。20世紀(jì)60年代初,國外研究者就開始嘗試考核評估系統(tǒng)的開發(fā),現(xiàn)在計算機(jī)評分系統(tǒng)己經(jīng)在國外成為廣泛使用的測評工具[1]?？己嗽u估系統(tǒng)最早產(chǎn)生于教育領(lǐng)域,在1966年,Page開發(fā)的第一代項目短文評定系統(tǒng),后發(fā)展到智能測評、電子評分者、智能閱卷系統(tǒng)以及一些其它一些開放式題目評分的CAS系統(tǒng)[1]。隨著模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的不斷發(fā)展,很多研究機(jī)構(gòu)對模擬訓(xùn)練的評估方法進(jìn)行了研究。德國Wismar University開發(fā)了基于航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的學(xué)生訓(xùn)練成績自動評估系統(tǒng),開發(fā)了“Surveillance Tool”和“Evaluation Tool”兩個工具箱,并做了船舶避碰的評估分析以及船舶應(yīng)急狀態(tài)的評估分析[2]。英國船商有限公司開發(fā)的TGS系列GMDSS模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具備智能教練功能,該系統(tǒng)為針對性地加強(qiáng)受訓(xùn)人員的培訓(xùn),提供多媒體教學(xué)功能,同時能解釋和解答受訓(xùn)人員在實際操作中遇到的問題[3]。挪威Kongsberg[4]公司研究的船舶操縱模擬器也有評估系統(tǒng),但不能對多船會遇等復(fù)雜局面進(jìn)行評估。

英國船商公司Transas[5]研制的船舶操縱模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括評估系統(tǒng)(TEAS)、視景、聲效、模擬和真實的導(dǎo)航設(shè)備、對象和海域數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫編輯工具。TEAS可以對學(xué)員的訓(xùn)練效果進(jìn)行評估,根據(jù)不同的訓(xùn)練完成情況分別打分,且可以將訓(xùn)練結(jié)果作為其他學(xué)員訓(xùn)練的平均值進(jìn)行參照考核。加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)、美國的Ship Analytics等在船舶操縱模擬器的過程中也對考核評估系統(tǒng)進(jìn)行了研究[6]。

國內(nèi)對考核評估系統(tǒng)在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用也有較多成果,主要應(yīng)用于航海院校船舶操縱、避碰及駕駛模擬器。武漢理工大學(xué)研制的WMS2004型輪機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng),并開發(fā)了輪機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作評分系統(tǒng),可以監(jiān)測學(xué)員操作過程,對實操結(jié)果進(jìn)行評估、統(tǒng)計和分析,可以了解學(xué)員的學(xué)習(xí)情況及存在的問題和缺陷,提高了考核效率[1,7]。大連海事大學(xué)針對航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中雷達(dá)標(biāo)繪操作評估系統(tǒng)和大型船舶進(jìn)出港訓(xùn)練評估系統(tǒng),對航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的大型船舶進(jìn)出港訓(xùn)練的記錄文件進(jìn)行了評估,所得到的評估效果得到了大操培訓(xùn)教員的認(rèn)同。系統(tǒng)打破了原有簡單的及格與不及格評估的格局,增加了學(xué)員訓(xùn)練興趣的同時也減輕了教練員的負(fù)擔(dān)[2,8]。集美大學(xué)研究開發(fā)了電子海圖平臺下的訓(xùn)練和評估系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了學(xué)員操作的自動評分,同時對結(jié)果進(jìn)行了分析[9～10]。

曾華嵐[11]將模糊數(shù)學(xué)的原理運用于船舶操縱評估方面,對評估系統(tǒng)進(jìn)行了理論探索。劉成勇[12～13]通過計算操作人員與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值之間的離散程度,獲取評估成績。鄭彭軍[14]提出了基于模糊集的評估模型,采用計算比較操作人員實際操作與決策之間的離散度的方式對操作進(jìn)行評估并給出對應(yīng)分值。包國江[15]提出了一種航海模擬器操作評估方法,建立了船舶航行能見度、水域環(huán)境、船舶的操縱性能等的評估模型。陶俊[16]分別對船舶進(jìn)港航道航行和靠泊操作進(jìn)行了研究,通過專家調(diào)查法確定評估參數(shù)和各個評估參數(shù)的權(quán)重,依據(jù)相關(guān)的海事法規(guī)確定評估參數(shù)的參考值,然后對每個評估參數(shù)都建立基于數(shù)理統(tǒng)計的評估模型,并進(jìn)行了合理的評估,取得了比較理想的結(jié)果。房希旺[17]分別對航道航行、掉頭操縱及靠泊操縱進(jìn)行了研究,對相應(yīng)的影響因素建立評價指標(biāo)隸屬函數(shù),應(yīng)用模糊綜合評價方法建立評估模型,實現(xiàn)自動評估功能。史國友等[18]應(yīng)用模糊綜合評判法、AHP法建立了船舶操縱安全綜合評價數(shù)學(xué)模型。邱云明等[19]結(jié)合臨海港口航道航行環(huán)境的實際情況,確定了綜合評價因素,并按照FSA的模式,運用Delphi、AHP、Fuzzy等理論建立了模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型。洪碧光[20]等選取6種典型的大型船舶操縱性能試驗數(shù)據(jù),分析其影響因素,并運用IMO有關(guān)船舶操縱性的衡準(zhǔn),確定綜合評價指標(biāo),運用層次分析法對其操縱性能進(jìn)行排序,然后對大型油船、散貨船和集裝箱船的操縱性能進(jìn)行比較,總結(jié)出大型船舶的操縱特點。至此為對不同種類船舶的操縱性能進(jìn)行定量的比較提供了一種方法。薛滿福[21]的評估模型運用了隸屬度函數(shù),結(jié)合操船避碰進(jìn)行評分。海軍航空兵模擬訓(xùn)練中心依據(jù)訓(xùn)練大綱,通過計算機(jī)記錄飛行員操作飛行訓(xùn)練器的操作數(shù)據(jù),建立了飛行員訓(xùn)練自動評分系統(tǒng)[22]。

3考核評估方法

考核評估基本方法主要有以下幾種:扣分法、加分法、分步評估法、功能比值評分法、層次分析法、利用純數(shù)學(xué)的加權(quán)函數(shù)法、模糊綜合評判法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等等。雖然仿真訓(xùn)練系統(tǒng)考核評估方法較多,但根據(jù)其考核評估機(jī)制可分為以下三類:單因素評估法、綜合評估法和智能評估法。

3.1單因素評估方法

單因素評估法包括扣分法、加分法、利用純數(shù)學(xué)的加權(quán)函數(shù)法等。單因素評估法需要首先對考核過程中出現(xiàn)的操作錯誤動作或正確動作進(jìn)行分類,并確定評分系數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)與時間有關(guān)的變量和連續(xù)變量的處理判斷。單因素評估法算法比較簡單,計算機(jī)程序也較易實現(xiàn),但評估效果有時不太理想,特別在操作過程比較復(fù)雜、系統(tǒng)耦合性強(qiáng)的評估中與實際情況相差比較遠(yuǎn)[15,23～26]。相關(guān)研究成果如下。

文獻(xiàn)[15]研究的是船舶操縱評估系統(tǒng),采用模塊化的設(shè)計原理,利用純數(shù)學(xué)的加權(quán)函數(shù)法建立了考核評估系統(tǒng)。文獻(xiàn)[23]在對火電廠仿真培訓(xùn)的考核中,利用過程曲線考核的原理,通過累計偏差對學(xué)員操作進(jìn)行扣分。文獻(xiàn)[24]在分析幾種評估方案的基礎(chǔ)上,采用基準(zhǔn)分難度系數(shù)扣分法,但這種方法并不能很好地反映學(xué)員的能力差別,指出學(xué)員的能力缺陷所在。文獻(xiàn)[25]利用扣分法對空中機(jī)械師模擬訓(xùn)練評估,其扣分法中評估的合理性受各項扣分系數(shù)的影響較大,在某種程度上很難得到比較全面合理的評估結(jié)果。

3.2綜合評估方法

圖3和圖4分別為在無氣流輔助和有氣流輔助條件下噴霧場內(nèi)霧滴運動軌跡，圖3和圖4中霧滴的顏色代表霧滴粒徑的大小(單位mm)。比較兩圖，可以看出在有氣流輔助時，氣流流場改變了霧滴的運動方向，引導(dǎo)霧滴運動軌跡明顯偏向地面，從而有效地減少了霧滴的飄移潛能。

綜合評估法主要包括層次分析法、模糊綜合評判法等。綜合評估法的基礎(chǔ)是考核人員考核項目已經(jīng)按照規(guī)則細(xì)化分類,考核人員的考核成績由所有分項目考核成績加權(quán)計算獲得。這種方法主要應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論,依據(jù)考核評估的標(biāo)準(zhǔn),確定一系列的隸屬度函數(shù),計算考核人員操作表現(xiàn)的各個隸屬度,最后計算出考核人員的最終成績。綜合評估法對操作變量多、操作過程復(fù)雜的系統(tǒng)考核評估也能取得較好的效果,但對于操作關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的過程或評估對象出現(xiàn)變動時評估效果不佳,其設(shè)計計算過程比較復(fù)雜,算法實現(xiàn)需要花費較多時間[27～37]。主要研究成果如下。

文獻(xiàn)[29]研究了GMDSS模擬訓(xùn)練評估系統(tǒng),以分步評估法為基礎(chǔ),使用層次分析法,從是否完成任務(wù)分、操作時間分和操作步驟分三個方面設(shè)計成績評分算法。文獻(xiàn)[30]通過專家調(diào)查法得到大型船舶進(jìn)出港訓(xùn)練過程的評估參數(shù),利用層次分析法計算出各參數(shù)的權(quán)重,并且依據(jù)航海技術(shù)、港口設(shè)計和海事部門的要求給出合理的參考值。在調(diào)查大量的學(xué)員實際訓(xùn)練和考試的操縱基礎(chǔ)上,利用概率論中的非參數(shù)假設(shè)檢驗方法,得到學(xué)員的誤差分布函數(shù)。最后利用加權(quán)平均法計算出學(xué)生的綜合成績。文獻(xiàn)[32]從水面艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求出發(fā),分析了水面艦艇模擬訓(xùn)練特點,明確艦艇模擬中訓(xùn)練成績評估要素,建立了成績評估的指標(biāo)體系及每個指標(biāo)的成績評估數(shù)學(xué)模型。以水面艦艇模擬訓(xùn)練中某次具體訓(xùn)練為例,用層次分析法來計算出艦艇的綜合訓(xùn)練成績。文獻(xiàn)[33]研究了岸邊集裝箱起重機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)評分模型的建立和實現(xiàn),從操作質(zhì)量、操作步驟、事故項和教師印象分四個方面對訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行評估,利用層次分析法和模糊綜合評估的思想對訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[36]以IMO及我國海事局考試和評估項目要求為標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用基于灰色關(guān)聯(lián)度的模糊綜合評價法,建立船舶操縱評價模型。采用兩級評價制與多級評價制相結(jié)合的辦法,通過船舶操縱模擬訓(xùn)練系統(tǒng)考試和評估系統(tǒng)對大型船舶模擬操作訓(xùn)練做出成績評估。文獻(xiàn)[37]根據(jù)STCW馬尼拉修正案公約履約和國家海事局頒布的《中華人民共和國海船船員適任評估大綱和規(guī)范》的要求,全面地分析了影響航線設(shè)計評估的影響因素,根據(jù)所涉及的評價因素建立評估指標(biāo)體系,構(gòu)造評估模型,并利用模糊綜合評判和層次分析法相結(jié)合的方法,建立航線設(shè)計智能考核評估方法。

3.3智能評估方法

智能評估法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、專家系統(tǒng)評估法等。智能評估法利用人工智能研究成果,將大量專業(yè)技術(shù)人員和有著豐富經(jīng)驗的操控人員的知識信息存儲在計算機(jī)中,建立知識庫,模擬領(lǐng)域?qū)＜业脑u估推理方式,結(jié)合計算機(jī)編程技術(shù)實現(xiàn)考核評估。智能評估法能很好的解決考核評估中存在的一些難題,隨著各行業(yè)對仿真培訓(xùn)需求的增加,智能評估法的研究也取得了一些成果[38～46]。相關(guān)研究如下。

文獻(xiàn)[39]以軍用電源仿真訓(xùn)練器為研究對象,結(jié)合部隊實裝兵器的操作流程,參考大系統(tǒng)理論和專家知識的相關(guān)內(nèi)容,深入分析了軍用電源設(shè)備的操作過程以及評分系統(tǒng)的評分規(guī)則的建立、評分標(biāo)準(zhǔn)的選擇、扣分權(quán)數(shù)的選取、考核總成績計算及評定和評分系統(tǒng)的程序流程等關(guān)鍵技術(shù)。最后以此為基礎(chǔ)為某型燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)組仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研制了一套較為實用的評分系統(tǒng)。文獻(xiàn)[40]以知識庫的建立為重點,研究了專家系統(tǒng)在輪機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)考核評估系統(tǒng)中的應(yīng)用,以推進(jìn)電機(jī)的操作評分為例說明整個知識庫建立過程和遵循的準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[41]提出一種基于專家系統(tǒng)和權(quán)函數(shù)結(jié)合的變電站仿真培訓(xùn)評分機(jī)制,代替變電站培訓(xùn)教員,實現(xiàn)對學(xué)員的日常變電站操作培訓(xùn)。該系統(tǒng)能夠完成諸如變電站正常和事故巡視、倒閘操作、事故處理等培訓(xùn)任務(wù)的智能評估,給予學(xué)員全面、客觀的操作評價;還利用電能質(zhì)量指標(biāo)作為智能評估理論的輔助判據(jù),進(jìn)一步提高了評判的客觀性。文獻(xiàn)[42]在對學(xué)員的操作過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,以船舶電站的專家知識為指導(dǎo),提出了船舶電站仿真訓(xùn)練器培訓(xùn)項目評估的標(biāo)準(zhǔn),并建立了基本涵蓋船舶電站所有操作的五類考核評分準(zhǔn)則。

4發(fā)展趨勢及展望

4.1基于專家系統(tǒng)理論的考核評估系統(tǒng)研究

4.2基于分布式的考核評估系統(tǒng)研究

現(xiàn)有的考核評估系統(tǒng)主要針對單人單科目考核評估,而模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通常包含多個崗位、多部門協(xié)同訓(xùn)練內(nèi)容,如何實現(xiàn)對多崗位人員操作完成協(xié)同科目的訓(xùn)練任務(wù)考核評估是考核評估系統(tǒng)研究的難點。隨著模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部操作崗位、節(jié)點的增加,相應(yīng)的數(shù)據(jù)、規(guī)則等也會呈現(xiàn)指數(shù)級增加,現(xiàn)有的處理方式受計算機(jī)運算能力限制,無法實現(xiàn)高效、實時的評估,因而,利用分布式技術(shù)實現(xiàn)多人及綜合科目操作考核評估將是后續(xù)大規(guī)模模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究方向。

4.3基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)的考核評估系統(tǒng)研究

由于模擬訓(xùn)練系統(tǒng)考核評估過程復(fù)雜,而且系統(tǒng)操作維護(hù)管理知識會不斷的變化更新,所有評估專家系統(tǒng)知識庫中的知識也需要不斷的補(bǔ)充和完善,如何保持知識的完整性以及自動更新知識需要進(jìn)一步研究。隨著知識庫中知識規(guī)則的擴(kuò)充,規(guī)則之間的關(guān)系將會更加復(fù)雜,因此,考核評估系統(tǒng)需要研究更加高效的搜索策略。

且考核后會記錄大量的數(shù)據(jù),如何通過對數(shù)據(jù)的分析達(dá)到更好的評估以及通過數(shù)據(jù)分析查找考試操作中存在的問題并給出合理化的建議,制定更加合理的培訓(xùn)計劃是考核評估研究的一個方向。

5結(jié)語

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,模擬訓(xùn)練的逼真度、可信度不斷增強(qiáng),且具有訓(xùn)練耗費低、訓(xùn)練風(fēng)險小等優(yōu)點,其重要性日益凸顯。而公正、合理、高效的受訓(xùn)人員考核評估系統(tǒng)對模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具有至關(guān)重要的意義。本文從原理、應(yīng)用和技術(shù)手段等角度出發(fā),概述了考核評估系統(tǒng)的研究成果,對考核評估系統(tǒng)中單因素評估法、綜合評估法和智能評估法等方法進(jìn)行了闡述,在此基礎(chǔ)上,明確提出了考核評估系統(tǒng)的幾個具有重要理論意義和實際價值的發(fā)展方向。

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中圖分類號E139

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.005

作者簡介:肖劍波,男,博士,講師,研究方向:機(jī)艙自動化與仿真,視景仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)。胡大斌,男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:艦船動力裝置仿真及機(jī)艙自動化。胡錦暉,男,博士,講師,研究方向:船舶動力裝置仿真及機(jī)艙自動化。聶偉,男,博士,研究方向:艦船動力裝置仿真及機(jī)艙自動化。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月25日