基于專家系統的輪機模擬器自動評分系統研究

曹漢卿 聶偉

（1.海軍駐貴陽地區軍代室，貴陽 558400；2.海軍工程大學 動力工程學院，武漢430033）

0 引言

仿真技術研究始于20世紀30年代，美國生產了用于訓練飛行員的林克飛行訓練器，使飛行員熟悉飛機的操作程序和駕駛技術。經過40年的發展，到了上世紀70年代，仿真計算機由數字計算機代替了模擬計算機，并廣泛用于航天、航空、航海、電廠和核電站等培訓領域[1]。訓練模擬器是仿真技術應用的一個重要領域，是以計算機為基礎的人—機實時仿真系統。隨著各種新技術發展應用，輪機模擬器在人員培訓中的作用越來越突出。國際海事組織頒布的《海員培訓、發證和值班標準國際公約》規定，高級輪機管理人員在取得當局主管機關或其認可機構所頒發的適任證書前必須在經過認可的輪機模擬器系統中進行規定時間的訓練并取得合格證書[2]。

輪機訓練模擬器[3,4]是一種在實驗室內利用計算機、自動控制、圖形圖象技術和多媒體等高新技術，通過數學建模，建立一個虛擬的輪機運行和操作環境，達到使操作人員感覺在實艇中操作所具有的場景。怎樣評價操作者實際使用設備和處理故障的能力也是輪機訓練模擬器的一個重要組成部分。如果通過教員監視操作者并根據其操作過程打分，這樣結果帶有很大的主觀性、延時性而且還有可能帶來不公正。自動評分系統以各類專業技術人員的專業理論和實際操作經驗建立知識庫作為評價準則，監測數學模型中各狀態參數的變化，識別操作者的操作過程，通過相應的程序算法實現自動評分。

1 專家系統理論在評分系統中的應用

專家系統[5]是人工智能應用研究的主要領域之一。專家系統也被稱為基于知識的系統(Knowledge-based system)。一般來講，專家系統是被設計用來在某些特定領域中能模擬專家的工作思維和處理問題的方式的一個智能計算機程序系統。在它內部具有大量專家水平的領域知識和經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領域的問題。

在傳統的培訓考核方式中，考生操作和管理設備的能力依靠教練員進行評估。輪機動力系統模擬器的培訓考核也是依靠教練員。考生操作結束后，教練員對考生的操作水平做出判斷，最后給出成績等級。這個過程中教練員的專業知識和實際經驗起著決定性的作用，它是評估過程中一個無形的準則。自動評分系統則是要取代教練員的角色，將教練員給考生評分的方法通過計算機來實現。以專家系統理論為指導，通過綜合各個方面的專家的專業知識和實際經驗，并以計算機能識別的方式表示出來，作為自動評分的標準，然后以一定的推理機制，對考生的操作過程做出合理的評判。

專家系統主要由規則知識庫、綜合數據庫、推理機、解釋程序、知識獲取及人機界面等幾部分組成。在某輪機動力系統模擬器自動評分系統的應用中，其結構如圖1所示。

規則知識庫：知識庫用來存放專家提供的知識。專家系統的問題求解過程是通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式的，因此，知識庫是專家系統質量是否優越的關鍵所在，即知識庫中知識的質量和數量決定著專家系統的質量水平。一般來說，專家系統中的知識庫與專家系統程序是相互獨立的，用戶可以通過改變、完善知識庫中的知識內容來提高專家系統的性能。

圖1 自動評分系統的專家系統的基本結構

推理機：推理機針對當前問題的條件或已知信息，反復匹配知識庫中的規則，獲得新的結論，以得到問題求解結果。在自動評分系統中，推理機通過編程語言實現。推理機是專家系統的組織控制機構。合理的推理機能有效的利用知識庫的規則解決實際問題。

綜合數據庫：綜合數據庫用于存儲問題的初始數據庫和推理過程中得到的中間數據。在自動評分系統中，綜合數據庫主要存放由監控軟件記錄的操作人員的操作信息。

解釋程序：解釋程序用于向用戶解釋專家系統的行為。在輪機動力系統模擬器培訓中，考生操作結束后，需要解釋的是操作者的操作過程和錯誤的操作步驟。

人機交換界面：人機交換界面實現人與機器之間的互動，通過編程軟件實現。

2 專家系統知識庫

專家系統的性能取決于它擁有的知識的數量和質量，所以知識是專家系統的核心。

2.1 知識的獲取

知識獲取是專家系統開發的主要工作之一。在系統的實現過程中，開發人員通過與領域專家和相關的工作人員交流，閱讀該領域的資料文獻得到該領域的各種知識，然后把知識輸入到計算機中，這個過程就是知識獲取的過程。在自動評分系統中，知識的獲取主要通過開發人員與領域的專家和具有豐富的實際經驗的技術人員和艇員共同協作完成，主要分為以下幾個步驟：

第一，熟悉掌握某輪機模擬器的組成、功能和訓練操作的方法。閱讀了一些相關的書籍和操作手冊，與熟練的操作人員進行了深入的交流。

第二，將得到的知識系統化。進行實際的操作體驗，并總結經驗；同時與專家教授反復討論，對知識的科學性和合理性做進一步研究，并系統地表達出來。

2.2 知識的表示

知識表示[6]就是知識的形式化和符號化的過程，即用一種計算機語言對已獲得的領域知識進行編碼，構建問題求解所需的領域知識庫，并對其進行檢測、求精等維護操作的過程。知識表示方法對整個系統的性能有著十分重要的影響，合理有效的知識表示能極大的提高自動評分系統的性能。

知識表示方法主要研究各種數據結構的設計，通過這種數據結構把問題領域的各種知識結合到計算機系統的程序設計過程。知識表示的目的在于通過知識的有效表示，使專家系統能夠利用這些知識進行推理和做出決策。

3 輪機模擬器評分系統研究

本文采用知識表示是產生式規則。在眾多的知識表示方法中，產生式規則是目前專家系統中使用最為廣泛的一種知識表示方法。產生式規則表示方式的知識形式簡潔，便于理解和解釋，規則之間相互獨立，有利于知識的提取和形式化。在本文評分系統中，其基本形式如圖2所示：

圖2 知識庫中規則的表示形式

每條規則由前提和結論組成。前提表示一種可能的錯誤操作情況，可以是n條前提條件相與或者相或組成；結論是操作錯誤嚴重程度的表示。結論采用了模糊數學的思想，將操作錯誤分為三個等級分別是：重大事故、中等事故和一般事故，其權重分別用a、b、c表示。以推進電機的操作評分為例說明整個知識庫的一個建立過程。知識庫的建立方法如下：

（1）全部規則組成了對推進電機啟動備便操作進行評判的規則知識庫，即包含了所有可能出現的操作錯誤。其中每一條規則又由若干條子規則組成，例如某條規則，前提條件：啟動前備便應該進行的操作步驟沒有進行，或者操作步驟沒有完成；結論：a=1，b=0，c=0。若啟動前備便操作總共有10步驟，其中任何一個步驟沒有操作或者沒有完成都滿足這條規則的前提條件，所以這條規則的結論都會被執行。

（2）對于一個操作錯誤可能同時滿足兩條規則的情況的處理。例如推進電機啟動前備便操作中，啟動勵磁機和接通電樞自動器的操作，如果操作時出現這樣的錯誤，系統控制電源開關沒有接通。這種情況觸發了兩條規則，屬于重復扣分的情況。對于這種情況采取的方法是：在程序設計中，如果同一個步驟出現多次扣分時，只取其中較大者。

（3）其中a表示重大事故的權值，b中等事故的權值，c一般事故的權值。這些權值的設定最初是根據實際工作人員的長期積累的經驗和一些專家的建議擬定的，它們保存在數據庫中作為最初的默認值。但這些權值都可以在自動評分系統的調試過程中，根據評分結果的合理性進行動態的修改，使得權值的設定更加合理。

（4）在評分的規則中，存在著許多這樣的規則，例如啟動和檢查水冷系統的操作步驟有誤。這樣的規則主要針對檢查類的操作，主要從以下兩個方面考慮：一、操作的時機是否對，這項操作是否按照操作規定時機操作，如啟動和檢查水冷系統的操作是否在啟動勵磁機之后，同時在啟動滑油泵之前；二、操作的步驟是否正確，包括操作的按鈕是否正確和操作按鈕的順序是否正確，如果是操作者在發現漏操作以后，再進行的操作屬于操作失誤。

4 結論

輪機模擬器自動評分系統的開發為培訓教學提供了很大的幫助，其設計與實現涉及了多領域的知識。論文以專家系統理論為指導，介紹了其在自動評分系統中應用，并重點研究了知識庫的建立過程。以主推電機操作評分為實例，提出了輪機模擬器開發過程知識庫建立的方法和準則。自動評分系統在實際應用中也取得了較好的效果。

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[1]肖章權, 高孝洪. 現代輪機仿真訓練器及其技術發展[J]. 計算機仿真, 1999, 36-39.

[2]何治斌, 張均東, 林葉錦等. 國內外輪機模擬器的發展及對比研究[J]. 造船技術, 2007, 275(1): 38-39.

[3]施祝斌. 船舶輪機模擬器技術發展研究[D]. 上海:上海海運學院, 2003.

[4]王熙沉. 基于單 PC機的輪機仿真系統的研究和實現[D]. 大連: 大連海事大學, 2008.

[5]敖志剛. 人工智能與專家系統[M]. 合肥: 中國科學技術大學出版社, 2002.

[6]沈美芳. 基于專家系統的智能化考試系統基于 BP神經網絡的應用[D]. 無錫: 江南大學, 2008.