陳佳伊，李紅波，崔偉燦，王 吉，應(yīng)正波

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310053）

0 引言

一所現(xiàn)代化工廠(chǎng)成功的一個(gè)重要因素就是具有較高技術(shù)水平和豐富經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)操作人員。傳統(tǒng)的師傅帶徒弟的一對(duì)一培訓(xùn)模式由于效率低下，已經(jīng)逐漸被淘汰，采用虛擬控制仿真培訓(xùn)系統(tǒng)不僅可以大大提高培訓(xùn)效果，節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用，縮短培訓(xùn)時(shí)間，而且可以降低裝置操作的不確定性，減少或避免事故發(fā)生。同時(shí)仿真培訓(xùn)可以培養(yǎng)一人多崗，一專(zhuān)多能的高素質(zhì)人才，為企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展提供人才保障，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的煤化工、石油化工等領(lǐng)域最高效的現(xiàn)代化技能培訓(xùn)與考核手段。

目前OTS 仿真培訓(xùn)的評(píng)分算法采用的是單向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，評(píng)分規(guī)則單一，對(duì)評(píng)分配置的限制諸多，難以滿(mǎn)足工程上對(duì)于評(píng)分規(guī)則靈活性的要求。本文提出了一種評(píng)分關(guān)系依賴(lài)模型，改進(jìn)了評(píng)分規(guī)則算法，使得工程實(shí)施時(shí)的靈活度和便利性大大提高。

1 建立評(píng)分關(guān)系依賴(lài)模型

圖1 有向圖表示步驟間依賴(lài)關(guān)系示例圖Fig.1 An example diagram of a directed graph of inter-step dependencies

在培訓(xùn)過(guò)程中，教員使用評(píng)分組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一套評(píng)分規(guī)則對(duì)學(xué)員的現(xiàn)場(chǎng)操作進(jìn)行考察，構(gòu)成評(píng)分規(guī)則的基本元素為評(píng)分步驟。步驟表示操作員的一個(gè)操作動(dòng)作，不同步驟根據(jù)不同的規(guī)則組合在一起，用于評(píng)定操作員的操作順序是否正確，操作是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

一個(gè)步驟可以抽象為有向圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在此將步驟記為S。步驟與步驟之間存在依賴(lài)關(guān)系，依賴(lài)關(guān)系的類(lèi)型有時(shí)間關(guān)系、順序關(guān)系和引用關(guān)系。時(shí)間關(guān)系用于考察兩個(gè)關(guān)聯(lián)的步驟是否在設(shè)定的時(shí)間關(guān)系內(nèi)完成，順序關(guān)系考察兩個(gè)關(guān)聯(lián)的步驟是否按照設(shè)定的次序被執(zhí)行，引用關(guān)系表示一個(gè)步驟引用另一個(gè)步驟的狀態(tài)作為該步驟的評(píng)分依據(jù)。例如，步驟2 引用步驟1 的完成狀態(tài)作為該步驟開(kāi)始的條件。

步驟的最終計(jì)算結(jié)果與步驟間的依賴(lài)關(guān)系有關(guān)，步驟的時(shí)間關(guān)聯(lián)和順序關(guān)聯(lián)也可抽象為有向圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別記為T(mén) 和O，引用關(guān)系和函數(shù)關(guān)系以箭頭方式表示。在評(píng)分關(guān)系依賴(lài)模型中存在多個(gè)依賴(lài)關(guān)系確定步驟狀態(tài)的情況，記為{O,T-＞S}，其中O,T-＞S 的含義即為順序依賴(lài)關(guān)系O 和時(shí)間依賴(lài)關(guān)系T 共同確定步驟S 的狀態(tài)。圖1 表示了這種依賴(lài)關(guān)系，其中用圓弧連接兩條有向邊表示節(jié)點(diǎn)間存在“與”的關(guān)系，“或”關(guān)系未在圖中做出特殊標(biāo)記。

2 評(píng)分算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 構(gòu)建最小函數(shù)依賴(lài)集

步驟的規(guī)則屬性間存在函數(shù)依賴(lài)關(guān)系，該函數(shù)依賴(lài)關(guān)系反映了規(guī)則屬性間的關(guān)聯(lián)性和數(shù)據(jù)的完整性約束。而由于各步驟規(guī)則屬性間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的依賴(lài)關(guān)系，為了使依賴(lài)關(guān)系簡(jiǎn)單、明了，減少在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中的重復(fù)運(yùn)算，首先需要求解模型的最小函數(shù)依賴(lài)[1]集以簡(jiǎn)化運(yùn)算。在求解最小函數(shù)依賴(lài)集的過(guò)程中，傳統(tǒng)的算法能解決相應(yīng)問(wèn)題，但不夠直觀(guān)，將有向圖的表達(dá)運(yùn)用到函數(shù)依賴(lài)關(guān)系中去，會(huì)使得問(wèn)題的求解更加清晰、直觀(guān)。

下面給出最小函數(shù)依賴(lài)集F'的求解算法：

圖2 深度遍歷模型示例圖Fig.2 Depth traversing model sample

1）根據(jù)函數(shù)依賴(lài)集F，畫(huà)出步驟間依賴(lài)關(guān)系的有向圖，其中各節(jié)點(diǎn)表示各個(gè)步驟或時(shí)間、順序關(guān)系、引用關(guān)系，有向邊表示函數(shù)關(guān)系，有向邊箭頭的起始結(jié)點(diǎn)為決定因子。

2）考察圖中每條邊，如果出現(xiàn)平行邊，則刪除存在“與”的關(guān)系的那組邊，由于在函數(shù)依賴(lài)集中不會(huì)出現(xiàn)完全相同的函數(shù)依賴(lài)關(guān)系，所以這里的平行邊只會(huì)存在于一條獨(dú)立邊與一組“與”邊中的其中一條。

3）如果圖中某個(gè)結(jié)點(diǎn)到達(dá)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路徑有多條，則刪除直接相連的邊，保留經(jīng)過(guò)其他節(jié)點(diǎn)到達(dá)的邊。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，消除了由傳遞函數(shù)依賴(lài)導(dǎo)致的多余函數(shù)依賴(lài)。

4）將變換后的圖中屬性間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為函數(shù)依賴(lài)關(guān)系的表達(dá)，得到的函數(shù)依賴(lài)集即為最小函數(shù)依賴(lài)集F'。

2.2 環(huán)的存在與檢測(cè)

得到步驟關(guān)系依賴(lài)圖，在對(duì)步驟進(jìn)行拓?fù)渑判蚯?，需要?duì)步驟間的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行環(huán)路檢測(cè)，保證得到的步驟關(guān)系依賴(lài)圖是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖[2]。如果存在環(huán)路，步驟間接引用自身的狀態(tài)將會(huì)導(dǎo)致死循環(huán)。例如，步驟1 引用步驟3 的考試結(jié)束狀態(tài)作為步驟開(kāi)始的條件，步驟3 引用步驟2的考試結(jié)束狀態(tài)作為步驟開(kāi)始的條件，步驟2 又引用步驟1 的考試結(jié)束狀態(tài)作為步驟開(kāi)始的條件，此時(shí)步驟1 又去獲取步驟3 的考試狀態(tài)，造成死循環(huán)。

這里采用著色法檢測(cè)有向圖中是否存在環(huán)路，檢測(cè)算法如下：

1）分別對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深度遍歷。

2）對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記，白色代表此節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有被處理；灰色代表此節(jié)點(diǎn)正在被處理，或者說(shuō)他的兒孫們還沒(méi)有被處理；黑色代表此節(jié)點(diǎn)以及其所有兒孫都已經(jīng)被處理過(guò)了。

3）在深度遍歷時(shí)，如果到達(dá)了一個(gè)灰色的節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明該有向圖中存在環(huán)路。

圖3 評(píng)分關(guān)系模型示例圖Fig.3 An example of scoring relationship model

以圖2 為例，以深度優(yōu)先搜索S1 節(jié)點(diǎn)時(shí)，先將S1 標(biāo)記為灰色，依次尋找子節(jié)點(diǎn)得到S1-＞S3，到達(dá)S3 節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)不存在子節(jié)點(diǎn)，將S3 標(biāo)記為黑色。繼續(xù)搜索得到S1-＞S2-＞S4-＞S3,到達(dá)S3 節(jié)點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)不存在子節(jié)點(diǎn)，將S1、S2 標(biāo)記為黑色，此時(shí)對(duì)S1 節(jié)點(diǎn)搜索完畢，繼續(xù)搜索S2 節(jié)點(diǎn)，先將S2 標(biāo)記為灰色，依次尋找子節(jié)點(diǎn)得到S2-＞S4-＞S5-＞S6-＞S2，此時(shí)S2 的狀態(tài)為灰色，該圖中存在環(huán)路。

2.3 建立拓?fù)湫蛄袌D

以下面的評(píng)分關(guān)系模型為例，如圖3 所示。

在未經(jīng)排序優(yōu)化前，步驟根據(jù)默認(rèn)的順序進(jìn)行計(jì)算，過(guò)程如下：

1）計(jì)算得到S1 的評(píng)分結(jié)果。

2）對(duì)S2 進(jìn)行評(píng)分計(jì)算-＞獲取本輪評(píng)分中S1 和上一輪評(píng)分中S3 的結(jié)果-＞得到S2 的結(jié)果。

3）對(duì)S3 進(jìn)行評(píng)分計(jì)算-＞獲取本輪評(píng)分中S1 的結(jié)果-＞得到S3 的結(jié)果。

4）對(duì)S4 進(jìn)行評(píng)分計(jì)算-＞獲取本輪評(píng)分中S1 和上一輪評(píng)分中S6 的結(jié)果-＞得到S4 的結(jié)果。

5）對(duì)S5 進(jìn)行評(píng)分計(jì)算-＞獲取本輪評(píng)分中S3 和上一輪評(píng)分中S4、S6 的結(jié)果-＞得到S5 的結(jié)果。

6）對(duì)S6 進(jìn)行評(píng)分計(jì)算-＞獲取本輪評(píng)分中S4、S5 的結(jié)果-＞得到S5 的結(jié)果。

由此可見(jiàn)，采用默認(rèn)的計(jì)算順序會(huì)導(dǎo)致評(píng)分計(jì)算輪次混雜，步驟的依賴(lài)數(shù)據(jù)未更新，甚至出現(xiàn)引用同一個(gè)步驟得到的計(jì)算結(jié)果不一致的問(wèn)題，而實(shí)際應(yīng)用中的模型遠(yuǎn)比上述模型復(fù)雜的多，更容易出現(xiàn)難以預(yù)料的結(jié)果。建立拓?fù)湫蛄袌D[3]，對(duì)評(píng)分中的最小元素進(jìn)行計(jì)算順序的排序可以規(guī)避這種問(wèn)題，拓?fù)渑判蛩惴ㄈ缦拢?/p>

① 在步驟關(guān)系依賴(lài)圖中選一個(gè)沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)并且輸出。

② 從圖中刪除該節(jié)點(diǎn)和所有以它為尾的邊。

③ 重復(fù)上述兩步，直至所有節(jié)點(diǎn)輸出，或者當(dāng)前圖中不存在無(wú)前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)為止，最后得到整理好的拓?fù)湫蛄小?/p>

以圖2 的關(guān)系模型為例，展示拓?fù)渑判蜻^(guò)程：

圖4 變換后的步驟關(guān)系圖Fig.4 Transformed step diagram

首先，發(fā)現(xiàn)S6 和S1 沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)選擇一個(gè)輸出，這里選擇先輸出S1，刪除和S1 有關(guān)的邊，得到如圖4(a)所示結(jié)果。

然后，繼續(xù)尋找沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)S6 沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，輸出S6，刪除和S6 有關(guān)的邊，得到如圖4（b）的結(jié)果。

然后，又發(fā)現(xiàn)S4 和S3 都是沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的，這里選擇先輸出S4，得到如圖4（c）結(jié)果。

然后，繼續(xù)輸出沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的S3，此時(shí)只剩下兩個(gè)沒(méi)有前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)S2 和S5，輸出S2 和S5。最后全部節(jié)點(diǎn)輸出完成，整理得到該圖的一個(gè)拓?fù)湫蛄袨椋篠1-＞S6-＞S4-＞S3-＞S2-＞S5。

此時(shí)按照拓?fù)漤樞蛞来斡?jì)算步驟狀態(tài)，可以保證步驟引用的每個(gè)依賴(lài)數(shù)據(jù)都是本輪次的最新數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于有向圖的工業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)評(píng)分關(guān)系依賴(lài)模型，解決了在評(píng)分計(jì)算中的步驟狀態(tài)循環(huán)引用檢測(cè)問(wèn)題，提高了評(píng)分規(guī)則設(shè)置的靈活性。同時(shí)對(duì)原有的評(píng)分算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種計(jì)算順序重排算法，解決了在同一輪次中計(jì)算結(jié)果不一致的問(wèn)題，規(guī)避了風(fēng)險(xiǎn)。