曹漢卿 聶偉

（1.海軍駐貴陽地區(qū)軍代室，貴陽 558400；2.海軍工程大學(xué) 動力工程學(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)用的一個重要領(lǐng)域，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的人—機(jī)實(shí)時仿真系統(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)中的作用越來越突出。國際海事組織頒布的《海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》規(guī)定，高級輪機(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)的適任證書前必須在經(jīng)過認(rèn)可的輪機(jī)模擬器系統(tǒng)中進(jìn)行規(guī)定時間的訓(xùn)練并取得合格證書[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)、自動控制、圖形圖象技術(shù)和多媒體等高新技術(shù)，通過數(shù)學(xué)建模，建立一個虛擬的輪機(jī)運(yùn)行和操作環(huán)境，達(dá)到使操作人員感覺在實(shí)艇中操作所具有的場景。怎樣評價操作者實(shí)際使用設(shè)備和處理故障的能力也是輪機(jī)訓(xùn)練模擬器的一個重要組成部分。如果通過教員監(jiān)視操作者并根據(jù)其操作過程打分，這樣結(jié)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(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)建立知識庫作為評價準(zhǔn)則，監(jiān)測數(shù)學(xué)模型中各狀態(tài)參數(shù)的變化，識別操作者的操作過程，通過相應(yīng)的程序算法實(shí)現(xiàn)自動評分。

1 專家系統(tǒng)理論在評分系統(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)也被稱為基于知識的系統(tǒng)(Knowledge-based system)。一般來講，專家系統(tǒng)是被設(shè)計(jì)用來在某些特定領(lǐng)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(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)域知識和經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來解決該領(lǐng)域的問題。

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)行評估。輪機(jī)動力系統(tǒng)模擬器的培訓(xùn)考核也是依靠教練員?？忌僮鹘Y(jié)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(yè)知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)起著決定性的作用，它是評估過程中一個無形的準(zhǔn)則。自動評分系統(tǒng)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(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。以專家系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，通過綜合各個方面的專家的專業(yè)知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并以計(jì)算機(jī)能識別的方式表示出來，作為自動評分的標(biāo)準(zhǔn)，然后以一定的推理機(jī)制，對考生的操作過程做出合理的評判。

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

規(guī)則知識庫：知識庫用來存放專家提供的知識。專家系統(tǒng)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(tǒng)質(zhì)量是否優(yōu)越的關(guān)鍵所在，即知識庫中知識的質(zhì)量和數(shù)量決定著專家系統(tǒng)的質(zhì)量水平。一般來說，專家系統(tǒng)中的知識庫與專家系統(tǒng)程序是相互獨(dú)立的，用戶可以通過改變、完善知識庫中的知識內(nèi)容來提高專家系統(tǒng)的性能。

圖1 自動評分系統(tǒng)的專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

推理機(jī)：推理機(jī)針對當(dāng)前問題的條件或已知信息，反復(fù)匹配知識庫中的規(guī)則，獲得新的結(jié)論，以得到問題求解結(jié)果。在自動評分系統(tǒng)中，推理機(jī)通過編程語言實(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)能有效的利用知識庫的規(guī)則解決實(shí)際問題。

綜合數(shù)據(jù)庫：綜合數(shù)據(jù)庫用于存儲問題的初始數(shù)據(jù)庫和推理過程中得到的中間數(shù)據(jù)。在自動評分系統(tǒng)中，綜合數(shù)據(jù)庫主要存放由監(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程和錯誤的操作步驟。

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，通過編程軟件實(shí)現(xiàn)。

2 專家系統(tǒng)知識庫

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

2.1 知識的獲取

知識獲取是專家系統(tǒng)開發(fā)的主要工作之一。在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，開發(fā)人員通過與領(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，然后把知識輸入到計(jì)算機(jī)中，這個過程就是知識獲取的過程。在自動評分系統(tǒng)中，知識的獲取主要通過開發(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)的書籍和操作手冊，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)；同時與專家教授反復(fù)討論，對知識的科學(xué)性和合理性做進(jìn)一步研究，并系統(tǒng)地表達(dá)出來。

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(jì)算機(jī)語言對已獲得的領(lǐng)域知識進(jìn)行編碼，構(gòu)建問題求解所需的領(lǐng)域知識庫，并對其進(jìn)行檢測、求精等維護(hù)操作的過程。知識表示方法對整個系統(tǒng)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(tǒng)的性能。

知識表示方法主要研究各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把問題領(lǐng)域的各種知識結(jié)合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)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(tǒng)能夠利用這些知識進(jìn)行推理和做出決策。

3 輪機(jī)模擬器評分系統(tǒng)研究

本文采用知識表示是產(chǎn)生式規(guī)則。在眾多的知識表示方法中，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表示方法。產(chǎn)生式規(guī)則表示方式的知識形式簡潔，便于理解和解釋，規(guī)則之間相互獨(dú)立，有利于知識的提取和形式化。在本文評分系統(tǒng)中，其基本形式如圖2所示：

圖2 知識庫中規(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(quán)重分別用a、b、c表示。以推進(jìn)電機(jī)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(guī)則組成了對推進(jìn)電機(jī)啟動備便操作進(jìn)行評判的規(guī)則知識庫，即包含了所有可能出現(xiàn)的操作錯誤。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：啟動前備便應(yīng)該進(jìn)行的操作步驟沒有進(jìn)行，或者操作步驟沒有完成；結(jié)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(guī)則的前提條件，所以這條規(guī)則的結(jié)論都會被執(zhí)行。

（2）對于一個操作錯誤可能同時滿足兩條規(guī)則的情況的處理。例如推進(jìn)電機(jī)啟動前備便操作中，啟動勵磁機(jī)和接通電樞自動器的操作，如果操作時出現(xiàn)這樣的錯誤，系統(tǒng)控制電源開關(guān)沒有接通。這種情況觸發(fā)了兩條規(guī)則，屬于重復(fù)扣分的情況。對于這種情況采取的方法是：在程序設(shè)計(jì)中，如果同一個步驟出現(xiàn)多次扣分時，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)庫中作為最初的默認(rèn)值。但這些權(quán)值都可以在自動評分系統(tǒng)的調(diào)試過程中，根據(jù)評分結(jié)果的合理性進(jìn)行動態(tài)的修改，使得權(quán)值的設(shè)定更加合理。

（4）在評分的規(guī)則中，存在著許多這樣的規(guī)則，例如啟動和檢查水冷系統(tǒng)的操作步驟有誤。這樣的規(guī)則主要針對檢查類的操作，主要從以下兩個方面考慮：一、操作的時機(jī)是否對，這項(xiàng)操作是否按照操作規(guī)定時機(jī)操作，如啟動和檢查水冷系統(tǒng)的操作是否在啟動勵磁機(jī)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(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)模擬器自動評分系統(tǒng)的開發(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。論文以專家系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，介紹了其在自動評分系統(tǒng)中應(yīng)用，并重點(diǎn)研究了知識庫的建立過程。以主推電機(jī)操作評分為實(shí)例，提出了輪機(jī)模擬器開發(fā)過程知識庫建立的方法和準(zhǔn)則。自動評分系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。

：

[1]肖章權(quán), 高孝洪. 現(xiàn)代輪機(jī)仿真訓(xùn)練器及其技術(shù)發(fā)展[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 1999, 36-39.

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

[3]施祝斌. 船舶輪機(jī)模擬器技術(shù)發(fā)展研究[D]. 上海:上海海運(yùn)學(xué)院, 2003.

[4]王熙沉. 基于單 PC機(jī)的輪機(jī)仿真系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2008.

[5]敖志剛. 人工智能與專家系統(tǒng)[M]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2002.

[6]沈美芳. 基于專家系統(tǒng)的智能化考試系統(tǒng)基于 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[D]. 無錫: 江南大學(xué), 2008.