火電機(jī)組仿真培訓(xùn)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)研究

姚民康，董 澤，任國(guó)俊，白果梁，武曉華

（河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

0 引言

電力工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中的安全性向來都是生產(chǎn)考核中的重要指標(biāo)［1］。因此面向電站機(jī)組運(yùn)行人員的操作培訓(xùn)考核，是保證機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)［2］。為了滿足全工況的高逼真度仿真并保證仿真的低成本性，目前國(guó)內(nèi)外多采用基于虛擬分散處理單元的激勵(lì)式仿真模式［3］。但隨著電站自動(dòng)化需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，如何自動(dòng)考核運(yùn)行人員在仿真機(jī)上的實(shí)際操作水平，是當(dāng)前仿真機(jī)系統(tǒng)所必須具備功能之一。本文所建立火電機(jī)組仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)具有準(zhǔn)確性、靈活性、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，所建立考核準(zhǔn)則能夠準(zhǔn)確反映操作員的實(shí)際水平。

1 仿真機(jī)培訓(xùn)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

機(jī)組仿真自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)是機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的重要組成部分之一，是用來考察運(yùn)行人員水平以及仿真培訓(xùn)效果的重要工具。傳統(tǒng)的機(jī)組仿真評(píng)分方式是人工評(píng)分法，通常的做法是，一個(gè)評(píng)估員對(duì)應(yīng)一個(gè)操作者，這樣的評(píng)分方式不僅效率低，而且具有很強(qiáng)的主觀性［4］。仿真培訓(xùn)的自動(dòng)考核系統(tǒng)則是實(shí)時(shí)對(duì)操作者的操作行為進(jìn)行記錄打分，并記錄下操作者每步操作正確與否，減輕了評(píng)估員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了仿真機(jī)培訓(xùn)考核的準(zhǔn)確性和效率，同時(shí)可以回顧錯(cuò)誤的操作記錄，極大地提高了仿真培訓(xùn)的效果。

1.2 系統(tǒng)難點(diǎn)

由于電站系統(tǒng)組成的高度復(fù)雜性和設(shè)備運(yùn)行的安全性需求，導(dǎo)致其在仿真培訓(xùn)過程中具有不確定性。研發(fā)出一種高度匹配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜考核需求的自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)難度很大。因此，保證有效判斷操作正確性的評(píng)分以及操作分值的有效分配尤為重要［5］。

1.3 仿真機(jī)培訓(xùn)評(píng)分系統(tǒng)解決方案

1.3.1 仿真機(jī)系統(tǒng)分解

電站機(jī)組生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜度很高的控制系統(tǒng)。在研究一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，通常將其逐級(jí)分解成多個(gè)子系統(tǒng)，直至底層是一系列簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，一般稱之為“分解”。分解并分析完子系統(tǒng)之后，需要逐級(jí)對(duì)上級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，直至回歸到整個(gè)研究系統(tǒng)，此過程稱為“綜合”［6］。在分析復(fù)雜控制系統(tǒng)時(shí)，這種“分解－綜合”的思想是非常有效的一種方法。

火電機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行一方面包含結(jié)構(gòu)上復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，另一方面包含高度復(fù)雜的生產(chǎn)過程。根據(jù)“分解考核-綜合計(jì)分”的方法，一方面可以對(duì)復(fù)雜的電站系統(tǒng)進(jìn)行分解，另一方面又可以對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過程進(jìn)行分解。

對(duì)復(fù)雜的電站系統(tǒng)分解。將整個(gè)系統(tǒng)分解為燃燒系統(tǒng)（以鍋爐為核心）、汽水系統(tǒng)（主要由各類泵、加熱器、凝汽器、管道、水冷壁等組成）、電氣系統(tǒng)（由汽輪發(fā)電機(jī)、主變壓器等組成）等一級(jí)子系統(tǒng)，這些一級(jí)系統(tǒng)如有需要可被進(jìn)一步分解為一系列二級(jí)系統(tǒng)，二級(jí)系統(tǒng)又可進(jìn)一步分解為設(shè)備層級(jí)的三級(jí)子系統(tǒng)，例如可將引風(fēng)二級(jí)系統(tǒng)分解為引風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)出口擋板等三級(jí)設(shè)備系統(tǒng)。由此可將完整的電站生產(chǎn)系統(tǒng)分解到不同層級(jí)的子系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)指出的是，系統(tǒng)分解的原則為有效合理分解。三級(jí)子系統(tǒng)（即設(shè)備級(jí)系統(tǒng)）雖然是最底層的系統(tǒng)，但應(yīng)當(dāng)考慮到實(shí)際的考核需求進(jìn)行適當(dāng)分解。

對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)過程分解。將整個(gè)機(jī)組生產(chǎn)過程分解為機(jī)組啟動(dòng)、沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)等一級(jí)子過程，同時(shí)又可進(jìn)一步將一級(jí)啟動(dòng)過程拆分為冷態(tài)啟動(dòng)、溫態(tài)啟動(dòng)以及熱態(tài)啟動(dòng)等二級(jí)子過程。國(guó)內(nèi)各仿真培訓(xùn)操作者最終的操作考核是分次進(jìn)行的，這些分次考試的內(nèi)容基本上與上述分解的二級(jí)過程相對(duì)應(yīng)。由于在機(jī)組的一系列操作過程中，對(duì)很多順序操作與眾多的參數(shù)控制指標(biāo)等均有時(shí)間上的規(guī)定和限制，由此延伸出有特殊需求的三級(jí)子過程，此級(jí)子過程與操作運(yùn)行中有特殊啟停要求的操作相對(duì)應(yīng)。

上述復(fù)雜系統(tǒng)或生產(chǎn)過程分解如圖1表示，由于火電機(jī)組生產(chǎn)過程和生產(chǎn)系統(tǒng)的高復(fù)雜度，子系統(tǒng)之間﹑子過程之間以及子過程與系統(tǒng)之間是相互耦合，相互影響的，由此在制定考核規(guī)則時(shí)可以同時(shí)面向系統(tǒng)、面向過程靈活制定。

圖1 復(fù)雜系統(tǒng)或生產(chǎn)過程分解

1.3.2 專家評(píng)分規(guī)則與推理機(jī)制

專家評(píng)分規(guī)則是自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中重要的評(píng)分依據(jù)，必須保證評(píng)分規(guī)則的客觀性和合理性［7］。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)專家規(guī)則制定為產(chǎn)生式制定，一方面吸收電站生產(chǎn)運(yùn)行領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)以及現(xiàn)場(chǎng)操作者的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，另一方面利用電站仿真標(biāo)準(zhǔn)流程設(shè)備操作規(guī)范，通過開發(fā)語言實(shí)現(xiàn)，可形成多套不同考核側(cè)重點(diǎn)的評(píng)分規(guī)則，并存儲(chǔ)于仿真工程文件中。

專家評(píng)分規(guī)則的表達(dá)為

式中：M（i）為第i則專家評(píng)分規(guī)則的前提條件，通常表示工況條件，一般為多組條件組合而成；N（i）為規(guī)則i的考核結(jié)果或M（i）條件觸發(fā)時(shí)將要執(zhí)行的下一步動(dòng)作，觸發(fā)的條件不唯一，即 M（i）=A 或者 M（i）=A&（B｜C）等邏輯關(guān)系。

任何機(jī)構(gòu)或組織都可以根據(jù)需求和設(shè)計(jì)理念創(chuàng)建知識(shí)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也充滿多樣性和異構(gòu)性［8］，因此推理機(jī)制應(yīng)根據(jù)操作者現(xiàn)場(chǎng)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)成的知識(shí)庫(kù)所制定。采用確定性正向推理機(jī)制，根據(jù)知識(shí)庫(kù)中所建立的規(guī)則等進(jìn)行確定性推理。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，推理機(jī)的結(jié)束依賴于自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)考試的結(jié)束。

2 知識(shí)庫(kù)考核規(guī)則

2.1 考核規(guī)則計(jì)分

仿真機(jī)培訓(xùn)考核系統(tǒng)的考核層級(jí)由高至低分為試卷、試題、題目以及考核規(guī)則，出題人設(shè)置試卷總分，然后為試卷下試題、題目以及規(guī)則逐級(jí)設(shè)置權(quán)重，權(quán)重分配依據(jù)考核對(duì)象的重要性，考核規(guī)則分?jǐn)?shù)計(jì)算為

式中：i為規(guī)則序號(hào)；j為規(guī)則i所屬的題目序號(hào)；S為試卷分配總分；w1（i），w2（i），w3（i）分別為試題、題目、規(guī)則分配的權(quán)重系數(shù)；y（i，j）為規(guī)則i所分配的分?jǐn)?shù)。

考核結(jié)束后，考核系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)考核總分，綜合所有添加考核的規(guī)則，考核結(jié)束應(yīng)得分?jǐn)?shù)為

式中：i為規(guī)則序號(hào)；j為規(guī)則i所屬的試題與題目序號(hào)；m為正在考核的規(guī)則總數(shù)；Y為考核結(jié)束應(yīng)得分?jǐn)?shù)。

2.2 考核規(guī)則

仿真機(jī)培訓(xùn)考核系統(tǒng)根據(jù)專家系統(tǒng)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)有4種考核規(guī)則。

條件考核。常規(guī)的條件考核是指仿真機(jī)培訓(xùn)的操作中，某一組或者多組重要變量是否滿足設(shè)定值，進(jìn)行設(shè)定邏輯判斷，滿足則得分，不滿足則扣分?？己藭r(shí)將模型中重要參數(shù)變量x（m）與知識(shí)庫(kù)設(shè)定數(shù)值 Xn（n＝1，2，3，4，…）進(jìn)行大于、小于、相等以及約等的條件比較之后，再通過知識(shí)需求將所有比較的邏輯結(jié)果進(jìn)行邏輯條件組合，以4組條件規(guī)則考核為例：

式中：A，B，C，D 分別為各自 x（m）（m=i，j，k，l）與Xn（n＝1，2，3，4）的邏輯比較結(jié)果；L 為 A，B，C，D 進(jìn)行規(guī)則邏輯組合判斷的結(jié)果（L為真則此規(guī)則滿足條件，反之則不滿足此條件規(guī)則）。

單一條件步序考核。單一條件步序考核是指多組單一條件判斷是否滿足的先后順序考核，即先考核某單一條件是否滿足，而后考核多組單一條件滿足的先后順序?？己饲跋仍O(shè)定好多組單一條件應(yīng)當(dāng)滿足的先后順序，培訓(xùn)考核時(shí)實(shí)際順序與之比較考核，以四組單一規(guī)則考核為例，考核范例如表1所示。

表中，A，B，C，D 分別為單一變量 x（m）（m=i，j，k，l）與設(shè)定值 Xn（n＝1，2，3，4）的邏輯比較結(jié)果，理想設(shè)定步序?yàn)锳，B，C，D（實(shí)際操作步序與此一致則滿分，不一致則相應(yīng)扣分）。

成組條件步序考核。成組條件步序考核是指多組單一條件判斷后，通過設(shè)計(jì)邏輯關(guān)系組成單一條件組，再考核條件組的先后滿足步序，即先考核某條件組是否滿足邏輯需求，而后考核多組條件組滿足的先后順序，在實(shí)際仿真培訓(xùn)中具有非常突出的考核意義?？己饲跋仍O(shè)定好多組條件組應(yīng)當(dāng)滿足的先后順序，培訓(xùn)考核時(shí)實(shí)際順序與之比較進(jìn)行考核，以4組成組規(guī)則考核為例，考核范例如表2所示。

表2 成組條件步序考核范例

曲線考核。曲線考核是先設(shè)定理想曲線和對(duì)應(yīng)的上下誤差邊界，在實(shí)際操作過程中，為了使曲線考核更加準(zhǔn)確，可記錄過程參數(shù)中實(shí)際曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的偏差值，通過累計(jì)計(jì)算偏差和偏離程度來實(shí)現(xiàn)操作者的評(píng)分［2］。以圖2范例所示，A至B段實(shí)際曲線越界不符合操作規(guī)定，計(jì)分公式為

式中：S誤為實(shí)際曲線AB段越出允許誤差的偏差面積；S為實(shí)際曲線與理想曲線所圍成的總面積；ys為此曲線規(guī)則設(shè)定分?jǐn)?shù)；y為此曲線規(guī)則實(shí)際得分。

圖2 曲線規(guī)則考核范例

仿真考核過程中對(duì)偏差面積S誤采用偏差積分法計(jì)算，當(dāng)實(shí)際操作曲線在允許偏差范圍內(nèi)時(shí)，不進(jìn)行偏差面積積分計(jì)算，只有當(dāng)實(shí)際操作曲線越界時(shí)，才進(jìn)行偏差面積S誤計(jì)算，偏差面積與總面積計(jì)算公式為

式中：p1（t），p2（t）分別為 t時(shí)刻理想曲線與實(shí)際曲線對(duì)應(yīng)的過程參數(shù)值；e為設(shè)定的理想曲線允許誤差（實(shí)際操作越界即｜p1（t）－p2（t）｜-e≥0）；Ts為仿真考核時(shí)間；Δt為計(jì)算時(shí)間間隔。

3 學(xué)員考核成績(jī)

考核完畢后，系統(tǒng)將自動(dòng)根據(jù)培訓(xùn)時(shí)操作員的真實(shí)操作情況進(jìn)行打分，并記錄到成績(jī)表中進(jìn)行顯示，成績(jī)表中包括操作者信息、考核起止時(shí)間、試卷總分以及考核得分等，較為全面地反映了當(dāng)前考核狀態(tài)。同時(shí)成績(jī)表也可保存成歷史文本，作為操作者的成績(jī)歸檔，對(duì)仿真機(jī)培訓(xùn)長(zhǎng)期考核具有突出的意義。

4 結(jié)語

在火電機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)仿真培訓(xùn)自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，運(yùn)用“分解考核-綜合計(jì)分”的思想將復(fù)雜的操作流程分解為多級(jí)試題組合，同時(shí)結(jié)合專家系統(tǒng)理論與推理機(jī)制提出了4類評(píng)分規(guī)則，并給出考核規(guī)則成績(jī)的計(jì)算方法。評(píng)分層級(jí)深入到基本的子生產(chǎn)過程或子系統(tǒng)，使得評(píng)分結(jié)果真實(shí)地反映了操作者的操作水平，而且從面向分解步驟的對(duì)應(yīng)成績(jī)反映出操作者在子生產(chǎn)過程的操作水平，幫助操作者快速定位操作不足，提升自我操作水平。機(jī)組仿真培訓(xùn)考核系統(tǒng)已應(yīng)用于電廠的仿真培訓(xùn)，在實(shí)際操作中其考核結(jié)果符合實(shí)際考核需求。