船艇機(jī)電模擬訓(xùn)練考核評估系統(tǒng)

張 錦，任長合，聶 偉

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 船艇動(dòng)力指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

?

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù) Basic Science & Technology

船艇機(jī)電模擬訓(xùn)練考核評估系統(tǒng)

張 錦，任長合，聶 偉

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 船艇動(dòng)力指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為解決部隊(duì)船艇機(jī)電模擬訓(xùn)練系統(tǒng)考核難題，基于船艇機(jī)電模擬訓(xùn)練考核評估系統(tǒng)功能需求分析，設(shè)計(jì)考核評估系統(tǒng)總體方案。依據(jù)設(shè)計(jì)原則，建立評估系統(tǒng)模型，確定各評估因素的計(jì)算方法，然后根據(jù)模糊層次分析法求得相應(yīng)的權(quán)重，并運(yùn)用專家系統(tǒng)理論建立考核評估知識(shí)規(guī)則庫。考核評估系統(tǒng)在艦船機(jī)電人員模擬訓(xùn)練考核中取得較好的效果。

機(jī)電模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；船艇；考核評估

隨著部隊(duì)主力船型更新?lián)Q代，船艇大型化和自動(dòng)化程度不斷提高，整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)變得更加復(fù)雜龐大，對船艇機(jī)電人員的操作管理水平和應(yīng)變處理事故能力提出了更高要求[1]。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是開展船艇機(jī)電專業(yè)技能訓(xùn)練的重要途徑，能有效提高機(jī)電管理人員的訓(xùn)練水平和效率，考核評估是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2-3]。

1 考核評估系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

船艇機(jī)電模擬訓(xùn)練考核評估系統(tǒng)應(yīng)能對相應(yīng)模擬操作項(xiàng)目進(jìn)行考核評估，如船艇起動(dòng)、備車操作、定速航行、應(yīng)急操作、設(shè)備及系統(tǒng)故障分析與排除等?？己嗽u估系統(tǒng)重點(diǎn)針對學(xué)員操作方法或故障排除方法進(jìn)行考核評估，因此首先要建立靈活、實(shí)用的評分規(guī)則庫，采用合理的知識(shí)表示方法將系統(tǒng)操縱規(guī)則、故障排除等領(lǐng)域規(guī)則轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別并進(jìn)行推理的應(yīng)用知識(shí)，即學(xué)員操作的評價(jià)依據(jù)。

考核評估系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)員的操作進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，可自動(dòng)記錄考試時(shí)間，實(shí)時(shí)獲取作業(yè)仿真系統(tǒng)的狀態(tài)和學(xué)員的操作動(dòng)作，能對訓(xùn)練過程進(jìn)行回放并記錄船艇每一時(shí)刻的位置和訓(xùn)練人員的操作內(nèi)容，并根據(jù)學(xué)員的操作情況提供實(shí)時(shí)解釋機(jī)制和最后評定成績。其中解釋機(jī)制能使評價(jià)過程與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)透明，而評分系統(tǒng)不僅能給出考核成績，而且能夠給出操作過程中的問題和不足。考核評估系統(tǒng)還建有學(xué)員成績的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以便于對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、計(jì)算，把訓(xùn)練成績和常見錯(cuò)誤形成統(tǒng)計(jì)資料庫，使其對以后的培訓(xùn)工作起到參考和促進(jìn)作用。根據(jù)上述分析，考核評估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 考核評估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

考核評估系統(tǒng)與仿真計(jì)算機(jī)和機(jī)電控制臺(tái)通過TCP/IP協(xié)議連接在同一級以太網(wǎng)上，采用一個(gè)以交換機(jī)為中心的星形拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)高效實(shí)時(shí)傳遞；通過OPC程序與仿真軟件之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，仿真軟件通過PLC控制器與機(jī)電控制臺(tái)上的硬件設(shè)備相連，PLC將控制臺(tái)上開關(guān)和按鈕的狀態(tài)實(shí)時(shí)地傳遞給監(jiān)控軟件；仿真軟件將仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞給PLC，控制控制臺(tái)上指示燈和儀表的變化，并將數(shù)據(jù)的變化情況存入數(shù)據(jù)庫；考核評估系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)的SQL函數(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問及讀寫數(shù)據(jù)操作，并通過數(shù)據(jù)分析得出考核人員的操作過程，在此基礎(chǔ)上，利用評估算法給出考核人員的操作考核評估結(jié)果。

2 考核評估模型建立

根據(jù)評估因素確定的客觀性、可操作性、完整性、代表性原則[3-5]，建立艦船機(jī)電人員模擬訓(xùn)練考核評估模型，考核成績分為操作評分、故障處理分、過程曲線評分和教員印象分[6-7]。

(1)操作評分。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。對每類操作錯(cuò)誤，都要有相應(yīng)的扣分方法，在判斷結(jié)束后扣除考生相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。操作評分的標(biāo)準(zhǔn)為

式中：i為故障類型，共有m類；wi為扣分的權(quán)重系數(shù)；ni為操作過程中第i類故障發(fā)生的次數(shù)；C(i)為第i類故障發(fā)生的邏輯條件；Xi為第i類故障發(fā)生時(shí)，依據(jù)操作可能造成的后果將其分為一般事故、中等事故、嚴(yán)重事故，每類事故賦予相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

(2)故障處理能力評分。根據(jù)處理故障需要的時(shí)間以及能否正確處理故障來評分，故障處理能力評分的標(biāo)準(zhǔn)為

(3)過程曲線評分。在培訓(xùn)過程中考察參數(shù)變化趨勢與設(shè)計(jì)曲線的吻合程度，根據(jù)實(shí)際曲線和理想曲線的偏差程度來評價(jià)學(xué)員的操作分。過程曲線評分的標(biāo)準(zhǔn)為

(4)教員印象分。為克服自動(dòng)評分系統(tǒng)的缺陷及一些無法自動(dòng)評分的情況，使評分更充分、更完善，引入教員印象分。教員印象分是由考核教員根據(jù)考核和人員某一考核課目的操作情況所評的分?jǐn)?shù)，采用百分制。

由于各評估因素的成績在整個(gè)過程或本次考核中該類成績重要性不同，采用模糊層次分析法(fuzzy analysis hierarchy process，F(xiàn)AHP)構(gòu)造模糊判斷矩陣，對評估因素的判斷結(jié)果一般是模糊數(shù)或區(qū)間數(shù)。

為更好地體現(xiàn)主觀評估人員對于評估因素間重要關(guān)系的理解，與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覝贤ǎㄟ^三角模糊數(shù)對評估因素進(jìn)行FAHP標(biāo)度。利用三角函數(shù)的中值較好地體現(xiàn)評估因素相互比較的最可能關(guān)系，將模糊判斷矩陣中的元素以三角模糊數(shù)來表示，構(gòu)造三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣A=(aij)m×m。其中：aij=(lij,mij,uij)，aji=(lji,mji,uji)，且lij+lji=mij+mji=uij+uji=1；uij≥mij≥lij；i,j∈N。從而建立評估目標(biāo)的模糊綜合判斷矩陣。概率矩陣為

專家模糊評判矩陣S=(sij)m×m。其中：

在求解評估因素的權(quán)重時(shí)，首先檢驗(yàn)調(diào)整判斷矩陣的一致性，如果不滿足，就進(jìn)行一致性調(diào)整。達(dá)到一致性要求后，計(jì)算評估因素的權(quán)重為

3 基于專家系統(tǒng)理論的規(guī)則庫建立

考核評估系統(tǒng)是根據(jù)一系列的規(guī)則推理實(shí)現(xiàn)的。在模擬訓(xùn)練中，這些運(yùn)行操作規(guī)程是指導(dǎo)機(jī)電人員進(jìn)行操作的重要準(zhǔn)則，同時(shí)又是考核評估時(shí)的主要依據(jù)。評估規(guī)則制訂得好壞直接影響培訓(xùn)對象的操作成績與培訓(xùn)效果，可根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行修改，修改后的內(nèi)容需存入相應(yīng)的庫文件中，下次再運(yùn)行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)修改后的評估規(guī)則生效。

對于機(jī)電模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評估專家系統(tǒng)知識(shí)，采用分類獲取并表示，從而建立評估專家系統(tǒng)知識(shí)規(guī)則庫。例如，船艇電站操作管理知識(shí)“啟動(dòng)前備便操作絕緣檢查中，兆歐表表頭調(diào)零操作有誤，則記考核人員一般操作錯(cuò)誤一次”表示為(R1(IF(啟動(dòng)前備便操作)(絕緣檢查)(兆歐表調(diào)零有誤))THEN(一般操作錯(cuò)誤))。評估規(guī)則知識(shí)表示時(shí)，前提條件和結(jié)論表示方法與知識(shí)規(guī)則庫中數(shù)據(jù)表示方法相同，這樣提高了評估推理匹配的效率，有利于簡化評估程序設(shè)計(jì)。在知識(shí)的表示過程中，可根據(jù)實(shí)際情況靈活確定知識(shí)表示的類型，以達(dá)到最好的知識(shí)表示效果。機(jī)電用模糊產(chǎn)生式表示為：IF〈操作發(fā)生〉THEN(閾值)〈可能產(chǎn)生的結(jié)果和處理方法〉(確信度)。

前提為考核人員進(jìn)行了某項(xiàng)操作，它是否會(huì)造成相應(yīng)的結(jié)果可能受操作的時(shí)間和設(shè)備運(yùn)行性能的影響，用真值表示，在[0，1]內(nèi)取值，其初始值根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。閾值(λ)對于規(guī)則的應(yīng)用給出一個(gè)最小值，當(dāng)考核人員操作過程中的真值超過閾值時(shí)，該項(xiàng)規(guī)則就會(huì)應(yīng)用于推理，結(jié)論為可能產(chǎn)生的結(jié)果和處理方法。

在考核評估中，可能會(huì)出現(xiàn)當(dāng)一個(gè)規(guī)則的前提條件滿足時(shí)，其操作造成的影響并不一定會(huì)發(fā)生，因此引入確信度參量CF，以描述前提條件滿足時(shí)規(guī)則成立的可信程度。CF的初始值可結(jié)合該規(guī)則相關(guān)的操作使用經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)進(jìn)行設(shè)置，并可在系統(tǒng)培訓(xùn)考核過程中進(jìn)行不斷地修正優(yōu)化。表1以船艇電機(jī)操作管理考核評估規(guī)則為例，說明考核知識(shí)表示與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4 考核評估系統(tǒng)開發(fā)

考核評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程要兼顧系統(tǒng)運(yùn)行速度及安全性問題，同時(shí)，設(shè)計(jì)的界面應(yīng)大方美觀，有合理的控件布局，操作簡單方便。圖2為設(shè)計(jì)的考核評估系統(tǒng)交互界面，界面左側(cè)顯示的是船艇柴油機(jī)考核課目選擇與故障設(shè)置。每項(xiàng)訓(xùn)練內(nèi)容都有對應(yīng)故障設(shè)置項(xiàng)，教練員可根據(jù)培訓(xùn)教學(xué)的需要設(shè)置故障。操作界面右側(cè)包含考核過程中基本信息的顯示以及考試開始的控制按鈕。

表1 考核評估知識(shí)表示結(jié)構(gòu)

圖2 考核評估系統(tǒng)交互界面

考核評估系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。從系統(tǒng)設(shè)置的考試評估項(xiàng)目開始后，評估系統(tǒng)開始運(yùn)行，先由學(xué)員操作自動(dòng)跟蹤子系統(tǒng)對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理；訓(xùn)練結(jié)束后，把學(xué)員操作數(shù)據(jù)庫和評分規(guī)則庫子系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)輸入成績評估子系統(tǒng)，成績評估子系統(tǒng)對兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出最后綜合評分。

圖3 考核評估系統(tǒng)運(yùn)行流程

5 結(jié) 語

為解決部隊(duì)船艇機(jī)電模擬訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練考核難題，本文首先建立評估模型，并采用模糊層次分析法構(gòu)建評估指標(biāo)權(quán)重，使用專家系統(tǒng)理論建立規(guī)則知識(shí)庫，最后運(yùn)用C#在C/S框架下實(shí)現(xiàn)考核評估系統(tǒng)功能。該考核評估系統(tǒng)在艦船機(jī)電人員模擬訓(xùn)練考核中取得較好的效果。

[1] 劉東亞， 戴志平，張勇．基于模糊評價(jià)的雷達(dá)站模擬訓(xùn)練考核評估方法[J]．空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，28(3)：192-194．

[2] 李華楠，郝威，張世偉．基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信訓(xùn)練考核評估方法[J]．艦船電子工程，2015，35(6)：80-82．

[3] 聶偉，巫影，夏極．船舶動(dòng)力系統(tǒng)模擬器自動(dòng)評分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．船海工程，2010，39(4)：84-87．

[4] 奚剛，費(fèi)全榮．加強(qiáng)基于能力的船舶維修保障人才訓(xùn)練考核評估研究[J]．中國修船，2012，25(5)：7-10．

[5] 熊正祥，王立強(qiáng)，孫永侃，等．基于AHP的艦艇模擬訓(xùn)練成績評估研究[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20(12)：3130-3133．

[6] 潘洋．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(shí)現(xiàn)[D]．上海：上海海事大學(xué)，2005．

[7] 李登鳳．基于多Agent的電力培訓(xùn)仿真智能評價(jià)指導(dǎo)系統(tǒng)[D]．北京：華北電力大學(xué)，2007．

(編輯：史海英)

Examination and Evaluation System of Watercraft Electromechanical Simulation Training

ZHANG Jin, REN Changhe, NIE Wei

(Department of Watercraft Power Command, Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003, China)

To solve the difficult problem in examination of watercraft electromechanical simulation training, the paper designs an overall plan of examination and evaluation system according to its functional requirements. It establishes an evaluation system model based on design principle and determines the calculation method of each evaluation factor, and acquires corresponding weight with fuzzy analytic hierarchy process. It also builds examination and evaluation knowledge rule base. This examination and evaluation system has achieved good result for watercraft electromechanical personnel in simulation training examination.

electromechanical simulation training system; watercraft; examination and evaluation

2016-01-22；

2016-05-05．

軍隊(duì)科研項(xiàng)目(KD2015060033A12002).

張 錦(1985—)，男，碩士，講師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.12.020

TP391.9

A

1674-2192(2016)12- 0085- 04