基于專家系統(tǒng)的輪機(jī)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)研究

曹漢卿 聶偉

（1.海軍駐貴陽(yáng)地區(qū)軍代室，貴陽(yáng) 558400；2.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430033）

0 引言

仿真技術(shù)研究始于20世紀(jì)30年代，美國(guó)生產(chǎn)了用于訓(xùn)練飛行員的林克飛行訓(xùn)練器，使飛行員熟悉飛機(jī)的操作程序和駕駛技術(shù)。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，到了上世紀(jì)70年代，仿真計(jì)算機(jī)由數(shù)字計(jì)算機(jī)代替了模擬計(jì)算機(jī)，并廣泛用于航天、航空、航海、電廠和核電站等培訓(xùn)領(lǐng)域[1]。訓(xùn)練模擬器是仿真技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的人—機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。隨著各種新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，輪機(jī)模擬器在人員培訓(xùn)中的作用越來(lái)越突出。國(guó)際海事組織頒布的《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際公約》規(guī)定，高級(jí)輪機(jī)管理人員在取得當(dāng)局主管機(jī)關(guān)或其認(rèn)可機(jī)構(gòu)所頒發(fā)的適任證書(shū)前必須在經(jīng)過(guò)認(rèn)可的輪機(jī)模擬器系統(tǒng)中進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的訓(xùn)練并取得合格證書(shū)[2]。

輪機(jī)訓(xùn)練模擬器[3,4]是一種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、圖形圖象技術(shù)和多媒體等高新技術(shù)，通過(guò)數(shù)學(xué)建模，建立一個(gè)虛擬的輪機(jī)運(yùn)行和操作環(huán)境，達(dá)到使操作人員感覺(jué)在實(shí)艇中操作所具有的場(chǎng)景。怎樣評(píng)價(jià)操作者實(shí)際使用設(shè)備和處理故障的能力也是輪機(jī)訓(xùn)練模擬器的一個(gè)重要組成部分。如果通過(guò)教員監(jiān)視操作者并根據(jù)其操作過(guò)程打分，這樣結(jié)果帶有很大的主觀性、延時(shí)性而且還有可能帶來(lái)不公正。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)以各類專業(yè)技術(shù)人員的專業(yè)理論和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)建立知識(shí)庫(kù)作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型中各狀態(tài)參數(shù)的變化，識(shí)別操作者的操作過(guò)程，通過(guò)相應(yīng)的程序算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)分。

1 專家系統(tǒng)理論在評(píng)分系統(tǒng)中的應(yīng)用

專家系統(tǒng)[5]是人工智能應(yīng)用研究的主要領(lǐng)域之一。專家系統(tǒng)也被稱為基于知識(shí)的系統(tǒng)(Knowledge-based system)。一般來(lái)講，專家系統(tǒng)是被設(shè)計(jì)用來(lái)在某些特定領(lǐng)域中能模擬專家的工作思維和處理問(wèn)題的方式的一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。在它內(nèi)部具有大量專家水平的領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的方法來(lái)解決該領(lǐng)域的問(wèn)題。

在傳統(tǒng)的培訓(xùn)考核方式中，考生操作和管理設(shè)備的能力依靠教練員進(jìn)行評(píng)估。輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模擬器的培訓(xùn)考核也是依靠教練員。考生操作結(jié)束后，教練員對(duì)考生的操作水平做出判斷，最后給出成績(jī)等級(jí)。這個(gè)過(guò)程中教練員的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)起著決定性的作用，它是評(píng)估過(guò)程中一個(gè)無(wú)形的準(zhǔn)則。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)則是要取代教練員的角色，將教練員給考生評(píng)分的方法通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以專家系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，通過(guò)綜合各個(gè)方面的專家的專業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并以計(jì)算機(jī)能識(shí)別的方式表示出來(lái)，作為自動(dòng)評(píng)分的標(biāo)準(zhǔn)，然后以一定的推理機(jī)制，對(duì)考生的操作過(guò)程做出合理的評(píng)判。

專家系統(tǒng)主要由規(guī)則知識(shí)庫(kù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、解釋程序、知識(shí)獲取及人機(jī)界面等幾部分組成。在某輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

規(guī)則知識(shí)庫(kù)：知識(shí)庫(kù)用來(lái)存放專家提供的知識(shí)。專家系統(tǒng)的問(wèn)題求解過(guò)程是通過(guò)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)模擬專家的思維方式的，因此，知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)質(zhì)量是否優(yōu)越的關(guān)鍵所在，即知識(shí)庫(kù)中知識(shí)的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。一般來(lái)說(shuō)，專家系統(tǒng)中的知識(shí)庫(kù)與專家系統(tǒng)程序是相互獨(dú)立的，用戶可以通過(guò)改變、完善知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)內(nèi)容來(lái)提高專家系統(tǒng)的性能。

圖1 自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

推理機(jī)：推理機(jī)針對(duì)當(dāng)前問(wèn)題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問(wèn)題求解結(jié)果。在自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中，推理機(jī)通過(guò)編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。推理機(jī)是專家系統(tǒng)的組織控制機(jī)構(gòu)。合理的推理機(jī)能有效的利用知識(shí)庫(kù)的規(guī)則解決實(shí)際問(wèn)題。

綜合數(shù)據(jù)庫(kù)：綜合數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)問(wèn)題的初始數(shù)據(jù)庫(kù)和推理過(guò)程中得到的中間數(shù)據(jù)。在自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中，綜合數(shù)據(jù)庫(kù)主要存放由監(jiān)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(tǒng)的行為。在輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模擬器培訓(xùn)中，考生操作結(jié)束后，需要解釋的是操作者的操作過(guò)程和錯(cuò)誤的操作步驟。

人機(jī)交換界面：人機(jī)交換界面實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的互動(dòng)，通過(guò)編程軟件實(shí)現(xiàn)。

2 專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)

專家系統(tǒng)的性能取決于它擁有的知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量，所以知識(shí)是專家系統(tǒng)的核心。

2.1 知識(shí)的獲取

知識(shí)獲取是專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要工作之一。在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)與領(lǐng)域?qū)＜液拖嚓P(guān)的工作人員交流，閱讀該領(lǐng)域的資料文獻(xiàn)得到該領(lǐng)域的各種知識(shí)，然后把知識(shí)輸入到計(jì)算機(jī)中，這個(gè)過(guò)程就是知識(shí)獲取的過(guò)程。在自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中，知識(shí)的獲取主要通過(guò)開(kāi)發(fā)人員與領(lǐng)域的專家和具有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員和艇員共同協(xié)作完成，主要分為以下幾個(gè)步驟：

第一，熟悉掌握某輪機(jī)模擬器的組成、功能和訓(xùn)練操作的方法。閱讀了一些相關(guān)的書(shū)籍和操作手冊(cè)，與熟練的操作人員進(jìn)行了深入的交流。

第二，將得到的知識(shí)系統(tǒng)化。進(jìn)行實(shí)際的操作體驗(yàn)，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)與專家教授反復(fù)討論，對(duì)知識(shí)的科學(xué)性和合理性做進(jìn)一步研究，并系統(tǒng)地表達(dá)出來(lái)。

2.2 知識(shí)的表示

知識(shí)表示[6]就是知識(shí)的形式化和符號(hào)化的過(guò)程，即用一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言對(duì)已獲得的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行編碼，構(gòu)建問(wèn)題求解所需的領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)、求精等維護(hù)操作的過(guò)程。知識(shí)表示方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著十分重要的影響，合理有效的知識(shí)表示能極大的提高自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的性能。

知識(shí)表示方法主要研究各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過(guò)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把問(wèn)題領(lǐng)域的各種知識(shí)結(jié)合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)過(guò)程。知識(shí)表示的目的在于通過(guò)知識(shí)的有效表示，使專家系統(tǒng)能夠利用這些知識(shí)進(jìn)行推理和做出決策。

3 輪機(jī)模擬器評(píng)分系統(tǒng)研究

本文采用知識(shí)表示是產(chǎn)生式規(guī)則。在眾多的知識(shí)表示方法中，產(chǎn)生式規(guī)則是目前專家系統(tǒng)中使用最為廣泛的一種知識(shí)表示方法。產(chǎn)生式規(guī)則表示方式的知識(shí)形式簡(jiǎn)潔，便于理解和解釋，規(guī)則之間相互獨(dú)立，有利于知識(shí)的提取和形式化。在本文評(píng)分系統(tǒng)中，其基本形式如圖2所示：

圖2 知識(shí)庫(kù)中規(guī)則的表示形式

每條規(guī)則由前提和結(jié)論組成。前提表示一種可能的錯(cuò)誤操作情況，可以是n條前提條件相與或者相或組成；結(jié)論是操作錯(cuò)誤嚴(yán)重程度的表示。結(jié)論采用了模糊數(shù)學(xué)的思想，將操作錯(cuò)誤分為三個(gè)等級(jí)分別是：重大事故、中等事故和一般事故，其權(quán)重分別用a、b、c表示。以推進(jìn)電機(jī)的操作評(píng)分為例說(shuō)明整個(gè)知識(shí)庫(kù)的一個(gè)建立過(guò)程。知識(shí)庫(kù)的建立方法如下：

（1）全部規(guī)則組成了對(duì)推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)備便操作進(jìn)行評(píng)判的規(guī)則知識(shí)庫(kù)，即包含了所有可能出現(xiàn)的操作錯(cuò)誤。其中每一條規(guī)則又由若干條子規(guī)則組成，例如某條規(guī)則，前提條件：?jiǎn)?dòng)前備便應(yīng)該進(jìn)行的操作步驟沒(méi)有進(jìn)行，或者操作步驟沒(méi)有完成；結(jié)論：a=1，b=0，c=0。若啟動(dòng)前備便操作總共有10步驟，其中任何一個(gè)步驟沒(méi)有操作或者沒(méi)有完成都滿足這條規(guī)則的前提條件，所以這條規(guī)則的結(jié)論都會(huì)被執(zhí)行。

（2）對(duì)于一個(gè)操作錯(cuò)誤可能同時(shí)滿足兩條規(guī)則的情況的處理。例如推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)前備便操作中，啟動(dòng)勵(lì)磁機(jī)和接通電樞自動(dòng)器的操作，如果操作時(shí)出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤，系統(tǒng)控制電源開(kāi)關(guān)沒(méi)有接通。這種情況觸發(fā)了兩條規(guī)則，屬于重復(fù)扣分的情況。對(duì)于這種情況采取的方法是：在程序設(shè)計(jì)中，如果同一個(gè)步驟出現(xiàn)多次扣分時(shí)，只取其中較大者。

（3）其中a表示重大事故的權(quán)值，b中等事故的權(quán)值，c一般事故的權(quán)值。這些權(quán)值的設(shè)定最初是根據(jù)實(shí)際工作人員的長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和一些專家的建議擬定的，它們保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中作為最初的默認(rèn)值。但這些權(quán)值都可以在自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)評(píng)分結(jié)果的合理性進(jìn)行動(dòng)態(tài)的修改，使得權(quán)值的設(shè)定更加合理。

（4）在評(píng)分的規(guī)則中，存在著許多這樣的規(guī)則，例如啟動(dòng)和檢查水冷系統(tǒng)的操作步驟有誤。這樣的規(guī)則主要針對(duì)檢查類的操作，主要從以下兩個(gè)方面考慮：一、操作的時(shí)機(jī)是否對(duì)，這項(xiàng)操作是否按照操作規(guī)定時(shí)機(jī)操作，如啟動(dòng)和檢查水冷系統(tǒng)的操作是否在啟動(dòng)勵(lì)磁機(jī)之后，同時(shí)在啟動(dòng)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(fā)現(xiàn)漏操作以后，再進(jìn)行的操作屬于操作失誤。

4 結(jié)論

輪機(jī)模擬器自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)為培訓(xùn)教學(xué)提供了很大的幫助，其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)涉及了多領(lǐng)域的知識(shí)。論文以專家系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，介紹了其在自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)中應(yīng)用，并重點(diǎn)研究了知識(shí)庫(kù)的建立過(guò)程。以主推電機(jī)操作評(píng)分為實(shí)例，提出了輪機(jī)模擬器開(kāi)發(fā)過(guò)程知識(shí)庫(kù)建立的方法和準(zhǔn)則。自動(dòng)評(píng)分系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。

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