轮机模拟器实操培训的自动评分方法

时间：2024-07-06

郭慧茹，胡以怀

(上海海事大学商船学院，上海　201306)

轮机模拟器实操培训的自动评分方法

郭慧茹，胡以怀

(上海海事大学商船学院，上海201306)

摘要：在整合现有轮机模拟器资源的基础上提出了一套自动评分系统方案，对方案中的关键性问题提出了解决方案。为了准确评判操作者的操作过程与操作结果，改进了评分算法，引入模糊综合评判法加分制和过程评判减分制。

关键词：轮机模拟器；评分系统；评分算法；以太网通信

一、引言

国家海事局组织的海船船员适任实操评估自实施以来，发展到今天已经形成相对成熟统一的评估模式、评估规程，但实操项目的评估方法现阶段仍然倚重于评估员人工评分，学员的分数准确与否很大程度上取决于评估员的专业知识和实际经验，如果引入自动评分系统，其评价过程将更为客观。自动评分系统算出的分数准确与否取决于两个方面，一个是操作过程中的数据采集是否准确全面，二是评分算法是否全面。目前自动评分系统算法有采用模糊综合评判法加分制，也有倾向于过程评估的减分制算法。在考虑两种方式的优点与局限性的基础上，本文提出了一种在过程失误数据的评判中采用模糊评判减分制，在结果参数评判中采用模糊综合评判法加分制，生成两种分数后相减得出操作者的最终分数。

二、轮机模拟器自动评分系统组成

轮机模拟器自动评分系统可以划分为两个部分：第一部分为教员机以及辅助数据管理和评分模块，第二部分为系统仿真模型工作站以及相关的硬件设备和人机接口界面(见图1)。该系统能更好地整合现有的模拟器资源，仅在替换教员机模块的基础上形成高效准确的自动评分功能。

教员机以及辅助数据管理和评分模块是自动评分系统的核心，包括题库数据管理、学员操作数据管理、自动评分模块。其功能为考试开始时向系统仿真工作站发送试题的初始状态，考试过程中提取考生的操作数据以及记录操作过程。

图1　轮机模拟器自动评分系统框图

系统仿真工作站是包括主机模块、电站模块、辅助动力系统模块、监控报警系统模块、其他辅助子系统模块和综合监控与报警模块。学员操作模拟器方式有两种，一种是通过硬件设备，另外一种是通过软件界面交互。操作过程中生成的数据通过以太网实时传送给教员机。系统仿真工作站为轮机模拟器的现有资源，如果将其纳入自动评分系统，需要加上数据处理与实时传输模块，数据传输的可靠性与传输的实时性是关键。

学员操作模式选择上本系统将更加灵活，可以实现纯硬件设备操作，纯软件操作或者软件与硬件结合的方式。在软件人机交互方法上也是可以任意组合地通过2D与3D的软件界面呈现。虚实灵活互组，去掉或加上任何一个环节都不影响评分系统的正常运行。

三、初始状态的生成方法

在实操项目评估准备过程中，教员机需要向系统仿真工作站发送试题的初始状态，初始状态的设置有以下两种方式：

(1)设置与考题实际相接近的初始状态。当教员对系统特性具有很好的经验知识的前提下，可以在教员机软件界面设置轮机模拟器的初态值，这些初态值将以数据库表格形式保存下来，在考试过程中向系统仿真工作站发送该表格定义好的初始状态。系统仿真工作站在收到数据后先恢复到冷船启动的状态，再根据接收到的数据列表将模拟器当前参数刷新到所要求的初始状态。

(2)仿真模型预运行法。这种初始状态的获取是教员操作模拟器到既定状态的，待仿真模型预运行一段时间，所有模型进入稳态后开始收集仿真的输出数据，并将数据通过以太网传输给教员机形成数据库表格后保存，在考试前将此数据表格中的状态列表发送给系统仿真工作站，仿真工作站将依此自行更新运行状态。

四、自动评分模块的实现

1.自动评分系统的评价原则

对于自动评分系统的评定模型有两个类别上的划分，分别为基于操作序列和基于特征值提取的自动评定模型，这两个评定模型对于操作过程中提取并用作为评判依据的信息不同。前者提取的是操作者的操作序列，后者提取的是操作结果，提取操作序列反映的信息更直接。本系统中两部分数据均提取并入一个针对学员ID为索引的数据库列表中保存。

图2　轮机模拟器自动评分系统评价结构图

2.自动评分算法

经研究目前自动评分系统算法大多数采用模糊综合评判法加分制，在算法的实施过程中因素集选取的参数一般为操作者的结果参数，这种算法的局限性在于当操作者A与操作者B最终的结果参数相同，因此得分相同，而实际上操作者B在操作过程中触发类似于全船失电的重大失误而很快恢复供电，所以只重视结果参数有失评分公允。除了操作结果，实际上操作者的操作过程评判也很重要，笔者研究过程中发现也有倾向于过程评估的减分制算法。

在综合考虑两种方式的优点与局限性的基础上，本文提出了一种在结果参数评判中采用模糊综合评判法加分制，在过程失误数据的评判中采用模糊过程评判减分制，生成两种分数后与各自权重相乘得出操作者的最终分数。

3.模糊综合评判法加分制

(1)构建评分因素集U，因素集是在充分研究对象的基础上，根据经验整理出影响评估分数的各方面因素的集合，在模糊综合评判法加分制算法中采集的数据为学员操作的结果参数。

(2)构建评判集V，评判集是根据操作者水平等级划分的评估结果的集合：

各权值应满足归一性和非负性条件：

(4)建立单指标模糊关系矩阵R，矩阵R的建立过程即逐一评价元素集中U中的每个元素，对评判集V中的的每个模糊子集的归属情况进行量化，也就是确定每个评价对象各个指标在各评判等级模糊子集中的隶属度。

(5)确定模糊评分结果向量B，模糊综合评分结果向量反映了被评对象整体上对各等级模糊子集的隶属程度。

B=A×R

模糊综合评判法加分制得出的最后分值为

4.模糊过程评判减分制

为了评估学员在操作过程是否出现失误、漏操作、多操作、顺序误操作、重复操作、操作时机错误等情况，引入模糊过程评判减分制。将扣分等级分为3个层次，最高等级为与船舶安全相关的重大事故扣分项，中间层为与损伤设备或者影响运行效果的中等事故扣分项，底层为操作次序不符合规范的一般扣分项。

具体实现过程为在充分研究评估过程的基础上建立有关安全的误操作，利于机器寿命的误操作以及最优操作次序的专家知识库，并以数据库表格形式保存下来。在采集学员过程操作数据时加入两个属性，操作时间与操作次序编号。在取得学员的操作过程数据后与专家知识库的经验值比对得出比对结果，操作次序评估需经完整的推理过程，求得出相应分值E。

1.原分类所得税制下，纳税人不同来源渠道的所得分别适用其费用扣除标准计算纳税。多渠道取得所得的纳税人可多次享受费用扣除，以降低其税负水平。在综合所得合并征税的制度下，对纳税人取得的收入需要汇总纳税。此时，不论纳税人的所得是单一渠道取得或是多渠道取得，都只能适用一次费用扣除，纳税人的税负水平不会因所得来源渠道数量不同而产生差异。

学员在操作模拟器结束后的最终得分为：

W=N-E

5.自动评估算法示例

以主电网启动运行为例，其评分过程为：

(1)模糊综合评判法加分制

加分制因素集U为：U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}， u1为应急空气瓶压力，u2为启动空气阀开启，u3为1号发电机运行状态，u4为合闸供电，u5为应急发电机解列，u6为操作时间。

评判集由5个等级构成，分别为V1—优秀、V2—良好、V3—中等、V4—及格、V5—不及格。评判集V为：V={1，0.8，0.7，0.6，0}

根据评估员实际打分经验可以将权重集A定义为：A={0.15,0.1,0.25,0.2,0.2,0.1}

获取的结果参数为：应急空气瓶压力为2.7MPa，启动空气阀开启，1号发电机处于运行状态，合闸供电，应急发电机没有解列，操作时间23min。则其构造形成的模糊关系矩阵为：

经计算本例中：B={0.7,0,0.1,0.2}

(2)模糊过程评判减分制

该学员的过程评估得分结果为77-8.05=68.95

五、以太网通信实现方法

除了评分算法，评分系统中操作过程中数据提取与传输也是一个关键环节。在通信方式实现方面，本文采用了基于TCP/IP的网络通信模式，为了资源共享主要采用客户机/服务器模式。

客户机端(进程)发送请求给服务器端(进程),客户机发出请求时服务器进程对其请求做出响应,并产生结果。在客户机/服务器模式下,客户机为主动方,即请求方,而服务器为被动方,接受请求方(见图3)。客户机利用TCP/IP应用程序来访问服务器资源,而服务器的TCP/IP应用程序则可以将客户机访问的结果回送给客户机。系统中教员机为服务器端，仿真工作站为客户端。

图3　客户机/服务器模式

评分过程中教员机与仿真工作站建立点对点的面相连接的通信方式，实时传输操作过程数据。当教员机与仿真工作站建立连接后，所有模块数据将分实时送给教员机，但对于当前的评估内容来说并不是所有的数据都是有效数据，因此在考题下达系统初始化阶段，本次考试内容需要提取的参数内容会形成关键字表格，在收到实时数据后教员机将在后台匹配数据字头，配对后获取相应数据。

教员机上的服务器控件在svrIS_DataArrival()事件触发后，将取得的数据序列按照“；”分开，将拆分得到的数据序列调用SplitSckData()函数，取得4个参数tmpsen、tmpname、tmpval、sencnt，tmpname为数据的字头，tmpval为该字头对应实时数据。如评分算法模块中当需要提取冷船启动操作中主电网启动运行过程中应急空气瓶压力时，应匹配“AES073”这个字头。在SplitSckData()函数比较tmpname与字符串“AES073”，如不一致则丢弃该数据，如匹配一致则将tmpval数值存储该学员对应的数据库列表中。

六、结语

通过对现有的自动评分系统的研究提出了一套针对轮机模拟器的自动评分系统，该系统评分系统的构架灵活，自动评分算法评价要素更为全面，数据点对点通信采用流方式，对数据有重发和校验机制, 保证了通信可靠性。

参考文献：

[1] 聂伟,巫影,夏极.船舶动力系统模拟器自动评分系统的设计与实现[J].船海工程,2010,39(4):84-87.

[2] 聂伟,巫影,胡大斌,等.轮机模拟器考核自动评分算法研究[J].武汉理工大学学报,2013,37(4):834-838.

[3] 董秀成,俎金花.模拟器操作评分系统[J].核动力工程,2005,26(6):645-647.

[4] 胡贤明,陈辉.轮机模拟器操作[M].大连:大连海事出版社,2014.

[5] 张天云,陈奎,段红燕.工程选材综合评价[M].北京:国防工业出版社，2011.

[6] 高煊，王战军，周兴明.直升机训练模拟器评分系统的设计与实现[J].现代电子技术,2012,35(24):64-66.

[7] 焦双伟.基于TCP/IP网络的智能家居控制系统的研究与实现[D].南昌:南昌航空大学，2012.

收稿日期：2015-11-12

作者简介：郭慧茹(1987-)，女，助教，主要从事轮机自动化与仿真研究。