新型輪機仿真平臺實操考試自動評估算法

張巧芬，孫建波，史成軍，孫才勤

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026）

新型輪機仿真平臺實操考試自動評估算法

張巧芬，孫建波，史成軍，孫才勤

（大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026）

針對國內外輪機模擬器在操作考試和自動評估方面功能的不足，提出了一種基于專家系統評分規則的模糊評估算法并應用于輪機虛擬現實仿真平臺。該算法采用通用試題評估規則表來設置各道試題的具體評估規則，實時跟蹤操作考試過程中相關變量的變化，進行答題過程評估和答題結束評估。評估過程中選用合適的隸屬函數來計算變量在檢測范圍內的隸屬度，操作結束時自動打分并提供可查詢的扣分記錄。實例中基于此平臺的實操考試自動評估結果與專家系統評分結果一致，驗證了該算法的可行性。該新型輪機實操考試與自動評估系統打破了傳統的船員考試制度，能夠真正意義上地提高船員實操和管理能力。

輪機；仿真；虛擬現實；實操；專家系統；評估算法；隸屬函數

隨著我國航運事業和現代科技的高速發展，現代航海技術也在日新月異，船舶也在向著大型化、專業化的方向發展，這種發展趨勢對船員的管理水平和實操水平的要求越來越高［1］。此外，2012年1月 1日開始生效的STCW公約修正案已明確將機艙資源管理定為強制性適任標準，并新增領導力和團隊工作技巧的使用（操作級）和領導力和管理技巧的使用（管理級）的強制性適任能力［2］。

為使我國船員考試和評估體制滿足新的要求，中國海事局在船員考試體制改革方面做了大量的工作，例如在船員考試中引入多媒體試題，但試題仍然沒有擺脫傳統試題的框架，考試無法真正體現學員的實際操作水平、分析和解決問題的能力。輪機模擬器是船員教學、培訓和考試的重要手段，但是目前傳統的輪機模擬器都是基于硬件設備制造的，跟實船場景還有很大差距［3］，其操作評估依然采用人工評估，考試試題不具有開放性，系統無法實時動態改變初始狀態，不具有考生應答系統，無法實現實操考試的自動評估［4］。

針對這些不足，大連海事大學教育部“海運工程虛擬仿真實驗教學中心”輪機虛擬仿真實驗室在中國海事服務中心的資助下共同開發一種新型的輪機虛擬現實仿真平臺，并在此基礎上提出了一種基于專家系統評分規則的模糊評估算法，應用于輪機實操考試的自動評估。

1 輪機實操考試與自動評估系統組成

該輪機仿真平臺是一種基于虛擬現實技術［5-6］的新型仿真平臺，它由輪機系統仿真模型、試題庫導入平臺、智能動評估推理機、考生站和教練員站構成，其組成結構如圖1所示。

圖1 輪機仿真平臺實操考試與自動評估系統組成Fig.1 Composition of operation examination and intelligent evaluation system based on marine engine simulator

輪機系統仿真模型包括柴油機動力裝置及其控制系統、船舶電站，以及鍋爐、分油機、液壓舵機等其他模型，這些子系統的建模與仿真是整個輪機虛擬仿真平臺的基礎；試題導入平臺從海量試題庫中抽取考題及其相關評分規則用于實操考試與自動評估，試題庫的建立由業內專家出題完成；推理機融合專家系統評估規則，集成了實時檢測、結束檢測和時段檢測算法，對考試過程和結果進行自動評估；考試終端和考試中心通過網絡通信以人機交互方式與系統進行對話。

海船船員實操考試內容具有多樣性和復雜性，每一道試題有其各自的初始化狀態。為了滿足考試要求，該仿真平臺實現了系統初始狀態隨試題的變換而瞬時更新，并可對其進行補充和修改。

2 自動評估算法

2.1 評估規則的設置

輪機仿真平臺的評估內容有操作級和管理級2種，但課題設計的自動評估算法不區分這2種評估內容，而是統一地將評估的試題類型分為4種：參數修改、應急處理、故障判斷和操作。無論是哪一種試題，均可看成由若干個“操作”和“性能參數”組成。所謂“操作”是指完成試題所需的步驟，分有順序要求和無順序要求2種；“性能參數”是用來反映操作過程中相關狀態變化的參數。不管是“操作”還是“性能參數”，在評估算法中都以變量的方式來進行描述，每一個操作或性能參數對應一個變量。試題的評估過程就是實時跟蹤該試題包含的各個變量在實操過程中的變化情況。

輪機仿真變量可多達20萬個，基本上涵蓋了實操考試內容的各個方面，若不將這些變量的評估規則統一起來，則算法實現起來非常困難。因此試題通用評估規則表，如表1所示，具有化繁為簡的作用，適用于任何一道試題。評估規則表以變量為對象，描述了每道試題的具體評估要求，是進行試題自動評估的惟一依據。

表1 試題通用評估規則Table 1 The universal evaluation rules for exam questions

表中各項的含義如下：

1）變量描述：描述該變量的具體含義。

2）變量名稱：該變量的名稱。

3）變量類型：布爾型、整型和浮點型。

4）檢測要求：實時檢測、結束檢測和時段檢測。其中時段檢測要求在操作過程的某個時段進行實時檢測，在此時段以外不檢測。

5）檢測類型：根據變量類型和上下限值，給出檢測值的范圍，作為評分的標準。

6）檢測上（下）限——變量的正確變化范圍。

條件集合：檢測該變量的所有條件，用集合的形式表示。NULL表示空集。

7）條件級別：用數字1、2、3……從高至低表示操作的優先級，不同變量條件順序相同表示優先級相同，無順序先后之分。NULL表示無條件順序。

8）分值：評分項分值，有加分和減分2種機制。變量所代表的“操作”或“性能參數”的意義越重要，其分值越高。對于某些非常重要的操作，其分值可設為-100分，一旦操作失誤則該考題得分為0分。若變量代表的是條件，其分值為0分。

每道考題有其默認的評估規則，由專家出題者完成。此外出題者或教練員在答題前還可以根據具體情況對其進行修改或補充。評估規則的設置除了表1所包含的內容外，還包括評分機制（加分或減分）、答題時間、評分項、變量隸屬函數的選擇等。

2.2 評估過程

1）計算總分Score

通常船員實操考試采用百分制，有m道考題，總得分的計算公式如下：

式中：Si為第i道考題的百分制得分；kf為扣分系數，若考生延遲答題（系統允許的情況下），則在正常總得分的基礎上乘以一定的扣分系數作為考生最后的得分，kf∈0，1[]；wi為其對應的權重系數，權重系數由出題專家給出，也可采用層次分析法［7］來確定，滿足

2）計算每一道試題的百分制得分Si

每一道考題有n個評估變量，對應有n個評分項，每個評分項的得分為si（i＝1，2，3，…，n），若變量表示的是一個條件，則其變量分值為0。若采用加分機制計分，則試題最后的得分：

若采用減分機制計分，則試題最后的得分：

3）計算評分項得分si

定義布爾變量sci(i＝1，2，…，n )為評分項得分系數，sci∈[0，1]，初始值為NULL。因此評分項得分：

4）計算評分項得分系數sci

實操考試與自動評估系統中的變量有“操作”變量和“性能參數”變量2類，其中“操作”變量代表的是相關閥件和按鈕的操作，其對應的評分項得分系數非“1”即“0”，因此其評估結果明確公正，其隸屬函數可采用單點隸屬函數。而“性能參數變量”通常評分范圍是在某一范圍內，若籠統地采用“變量值在檢測范圍內得分標志為1，否則為0的評估規則，評估結果不盡合理。

因此對于評分項得分系數sci，可采用模糊評估的方法，即根據變量性質和檢測范圍選用合適的參數模糊隸屬函數，用以計算“性能參數”變量的得分系數，使其為閉區間［0，1］上的連續值。表示條件的變量其評分項得分系數非1即0。

定義集合A為論域U中的一個模糊集合，其隸屬函數μA（x）表示元素x相對于A的隸屬程度，即

常用的隸屬函數有三角隸屬函數、梯形隸屬函數、Gaussian隸屬函數、K次拋物線隸屬函數（包括偏大型、偏小型和中間型）、Sigmoid隸屬函數、鐘形隸屬函數等［8-9］，也可以采用數值方法擬合構造［10］。

隸屬函數μA（x）的確定可以依據評估變量類型和變量檢測范圍的最佳值位置來選擇合適的隸屬函數，其選擇原則如下：

對于“操作”變量，采用單點隸屬函數：

式中：xi（i＝1，2，…，n）為論域中的取值點。

對于“性能參數”變量，若變量檢測范圍無最佳值，則當變量位于檢測范圍內μA（x）＝1，反之μA（x）＝0。若變量檢測范圍有最佳值，對于最佳值越大越好的性能指標，選用單調遞增函數；對于最佳值越小越好的性能指標，選用單調遞減函數；對于最佳值是一個定值或區間的性能指標，則其隸屬函數在最佳值或區間處有極大值，μA（x）＝1。

5）具體評估流程

本文將所有評估變量VNi(i＝1，2，…，k )看成一個集合，定義集合V＝{VN1，VN2，…，VNk}，根據檢測要求，可以將集合分成2個子集，V1表示實時檢測變量和時段檢測變量的集合，V2表示結束檢測變量集合：

評估過程分答題過程評估和答題結束評估2部分，答題過程評估對集合V1的變量進行評估，在系統規定的答題時間對V1的變量巡檢，如圖2所示。答題結束評估對集合V2的變量進行評估，在答題結束時對集合V2的變量進行檢測，如圖3所示。

圖2 答題過程評估流程圖Fig.2 Flow diagram of evaluation during answering process

根據評估規則的要求，集合V1中的所有元素要不是在整個操作過程中進行實時檢測，要不就在規定的某個時段進行實時檢測，在整個檢測過程中，一旦變量值不符合檢測范圍，其對應的得分系數就為0，系統將停止對其檢測。對于集合V2中的元素，只要求在結束答題之后進行檢測，同時根據對一個變量進行評分是否需要條件，可以將集合V2中的變量又分為子集V21和V22：

集合V21中的變量檢測不需要滿足條件，為表示條件或者不帶條件的結論的變量集合，其對應的條件集合CSi（i＝1，2，3..k）＝?；集合V22中的變量的檢測需要滿足一定條件，CSi（i＝1，2，…，k）∈VN21，可以是單條件，也可以是多條件，條件還可能有順序要求。所以，在對集合V22中的變量進行檢測前，首先判斷其條件是否滿足，其次再判斷條件是否滿足順序要求，只有滿足了變量的條件要求才能對變量進行檢測。

圖3 答題結束評估流程圖Fig.3 Flow diagram of evaluation at the end of answering

3 實例分析

本文以題庫中編號為1011的“集控室-機旁控制位置轉換（ACC20）”考題為例，驗證該評估系統的可行性。考題要求“按正確的操作順序從集中控制室轉換到機旁控制，轉換后正車半速起動主機，并將主機轉速調整在30～40 r／min范圍內”，答題時間為300 s。答題以點擊“開始”按鈕開始，以點擊“完成”按鈕結束，或答題時間到自動結束。

3.1 仿真平臺初始化

該考題的初始狀態：集控室控制，備車完畢，主機處于停止狀態，2號發電機合閘供電，1、3和4號發電機處于停止狀態。如圖4所示為考題1011的系統初始化。

圖4 考題1011的系統初始化Fig.4 System initialization for question 1011

3.2 考生答題與自動評估

該系統的部分虛擬現實操作場景如圖5所示。圖5為機旁操作界面，圖6為ACC20主機遙控系統的集控室車鐘界面。

圖5 機旁操作界面Fig.5 Interface of the operation beside engine

圖6 集控室車鐘界面Fig.6 Interface of the telegraph in control room

1）駕駛臺和集控室操作部位轉換，分值為-20分；

2）脫開調速器，分值為-100分；

3）機旁轉換，分值為-100分；

4）完成應急車鐘的通訊：駕駛臺給出半車起動車令，機旁回車令，分值為-20分；

5）轉動油門手柄，按起動按鈕起動主機，將柴油機轉速調整至30～40 r／min，分值為-10分。

其中2）和3）順序不能調換，否則會扣去50分。

若考生在規定的考試時間內完全按照要求操作，且最后柴油機轉速穩定在35 r／min，專家系統打分為100分，系統自動評估的成績也為100分。

若考生在規定的考試時間內也完成了操作，但其操作步驟2和3順序調換了，按照專家系統打分，該評分項得分為-50分，且最后柴油機的轉速穩定在55 r／min，很大程度地偏離規定范圍，評分項得分為-10分。因此專家系統打分為40分，系統自動評估的成績也為40分，評估記錄如圖7所示。

圖7 40分評估記錄Fig.7 Evaluation details of 40 scores

4 結論

1）課題提出的基于輪機仿真器實操考試自動評估算法能夠針對不同的操作和性能參數選用不同的隸屬函數進行評分，評估過程完全模擬專家系統評估，評估結果合理公正。

2）該新型輪機虛擬仿真平臺實操考試自動評估系統的開發旨在真正提高船員實操和管理能力，并推進我國船員考試制度的改革。目前該系統已在部分海事院校初步應用，承擔起船員教學和培訓的任務。隨著系統平臺的日益完善和成熟，將得到進一步的推廣和應用。

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An automatic-evaluation algorithm for the operation examination of the novel marine engine simulation platform

ZHANG Qiaofen，SUN Jianbo，SHI Chengjun，SUN Caiqin
（Department of Marine Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China）

Aiming at the deficiencies of domestic and foreign marine engine simulators，based on the aspects of crew operation examination and automatic-evaluation，a fuzzy evaluation algorithm based on the expert system assessment rules has been proposed and applied to the marine engine virtual reality simulation platform.This algorithm was accomplished by setting the evaluation rules specific to each question according to a common evaluation rule table initially，and then tracking the variables during the whole operating process.The evaluation proceeded during and after the examination.A proper membership function was chosen to calculate the membership degree for each variable during the evaluation，and a reasonable score was given after the evaluation with a queryable evaluation record.Finally an operation example was taken.The evaluation results being consistent with the scores given by the expert system show that the feasibility of the algorithm is well verified.The novel marine engine simulation platform designed for operation examination and automatic-evaluation has broken away from the traditional form of crew examination，which can improve the operational and management ability of the crew in a real sense.

marine engine；simulation platform；virtual reality；operation examination；expert system；evaluation algorithm；membership function

10.3969／j.issn.1006-7043.201304033

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201304033.html

TP391.6；U664.82

A

1006-7043（2014）06-0725-06

2013-04-08.網絡出版時間：2014-05-14 15：51：57.

國家863計劃資助項目（2011AA110201）

張巧芬（1986-），女，博士研究生；孫建波（1963-），男，教授，博士生導師.

張巧芬，E-mail：qiaofen26＠163.com.