模擬訓練設備的操作評估專(zhuān)家系統

摘要：介紹了模擬訓練設備中，用于對操作人員實(shí)際操作進(jìn)行評估的專(zhuān)家系統。該系統以典型操作的專(zhuān)家知識庫為基礎，利用基于模糊邏輯的數學(xué)推理模型對操作人員的實(shí)際操作進(jìn)行評估，使得評估工作具有了類(lèi)似于人的智能，避免了武斷性，提高了評估的科學(xué)性和可信度。著(zhù)重敘述了系統的建模方法并簡(jiǎn)要介紹了編程實(shí)現的思路。

關(guān)鍵詞：專(zhuān)家系統 模糊邏輯

隨著(zhù)計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，在很多領(lǐng)域中人們都利用模擬訓練設備代替實(shí)際儀器裝備進(jìn)行操作訓練，如許多培訓基地都用模擬設備對培訓人員進(jìn)行故障排除訓練和基本操作訓練等。通常，這些模擬訓練設備分為主機和分機兩部分，分機負責模擬實(shí)際操作的背景環(huán)境，主機則負責給出用戶(hù)界面、進(jìn)行操作指導和控制訓練進(jìn)程等工作。此種設備通常要對操作人員的實(shí)際操作進(jìn)行評估，針對評估結果進(jìn)行訓練計劃的調整，為合理地安排教學(xué)內容、調整訓練進(jìn)度提供科學(xué)依據，以提高訓練的實(shí)際效果和質(zhì)量?；谀：壿嫷牟僮髟u估專(zhuān)家系統就是針對這一目的建立的。

１ 系統的數學(xué)模型

對實(shí)際操作的考核評估不同于筆答試卷的評分，具體的實(shí)際操作情況是不能用某一種或幾種標準答案來(lái)簡(jiǎn)單地評定的。系統需要對操作人員的操作時(shí)間、操作技巧等因素進(jìn)行綜合評估，而這些因素本身都具有一定的模糊性，對它們很難給出精確的評價(jià)標準。因此，本文提出了基于模糊邏輯的專(zhuān)家評估系統，讓計算機以接近于人的思維進(jìn)行綜合評估打分，使評估比較科學(xué)合理。

１.１ 模糊邏輯簡(jiǎn)介

模糊邏輯運算是軟計算的一種，它所研究的對象是表征某種程度、具有不確定邊界的量，利用模糊系統可以得到輸入空間到輸出空間的便捷的映射。

模糊推理通常使用語(yǔ)言變量，這些變量用詞語(yǔ)代替了數值，將采集到的精確量測量數據進(jìn)行Ｆｕｚｚｙ化處理，轉化成通過(guò)隸屬度函數及Ｆｕｚｚｙ子集表達的Ｆｕｚｚｙ量。模糊邏輯將原來(lái)通過(guò)精確量描述的輸入輸出關(guān)系的精確數學(xué)模型，轉化為一種相應的、由條件語(yǔ)句表達的模糊關(guān)系，其運算形式接近于人的直覺(jué)思維，這就提高了系統的彈性，即系統對輸入量的不確定性Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ、不精確性Ｉｍｐｒｅｃｉｓｉｏｎ和部分正確性Ｐａｒｔｉａｌ Ｔｒｕｔｈ的容忍度。

模糊邏輯的推理規則是一系列的模糊ｉｆ－ｔｈｅｎ條件。ｉｆ（輸入語(yǔ)言變量Ｆｕｚｚｙ子集）ｔｈｅｎ（輸出語(yǔ)言變量Ｆｕｚｚｙ子集）模糊規則的應用，使系統易于理解和調整，可以在專(zhuān)家經(jīng)驗的基礎上建模，使得系統可以方便地與控制系統相結合。

１.２ 模型設計思想

訓練時(shí)，操作項目由主機內部預存的典型操作專(zhuān)家知識庫提供，訓練模擬器記錄操作人員的操作時(shí)間和操作步驟。本文把操作時(shí)間的長(cháng)短，操作技巧應用的好壞，操作準確程度等因素用模糊量來(lái)設定，即定義時(shí)間符合度、操作點(diǎn)符合度和成功度作為輸入量，根據專(zhuān)家的評判意見(jiàn)建立模糊推理規則，并根據實(shí)際操作的抽樣調查試驗對系統的參數進(jìn)行調整，得到最終的模糊評估模型。

１.３ 模型的符號說(shuō)明

模型的符號說(shuō)明如表１所示。

表1 符號說(shuō)明表

１.４ 輸入與輸出量的確定及隸屬度曲線(xiàn)

系統輸入量的數學(xué)描述定義如下：

（１）時(shí)間符合度

對于每一個(gè)模擬訓練項目，系統均設有一個(gè)參考操作時(shí)間。以實(shí)際操作時(shí)間與該值的比值ｔｉｎ作為輸入量，對ｔｉｎ進(jìn)行模糊評定得到的等級模糊數定義為時(shí)間符合度Ｃｔ。

ｔｉｎ＝ｔ／ＴＫＫＫＫＫＫ （１）

Ｃｔ＝μｔ（ｔｉｎ）ＫＫＫＫＫ（２）

圖１為Ｃｔ分為ｆａｓｔ、ｎｏｒｍａｌ、ｓｌｏｗ三級時(shí)的隸屬函數曲線(xiàn)。

（２）操作點(diǎn)集符合度

模擬訓練項目的數據庫中存有參考操作點(diǎn)集。實(shí)際操作時(shí)的操作點(diǎn)與該點(diǎn)集的符合度定義為操作點(diǎn)集符合度Ｃｐ。符合的涵義有兩點(diǎn)，一是一些必要的步驟必須與參考步驟相符，二是操作步驟的順序應該合理，以這兩個(gè)標準來(lái)評定操作點(diǎn)集符合度，作為對操作步驟合理性的評定。

Ｃｐ 由實(shí)際操作點(diǎn)與參考操作點(diǎn)的匹配度和操作步驟逆序數兩個(gè)參數決定。實(shí)際操作完畢后，由程序查找操作匹配點(diǎn)的個(gè)數百分比和步驟匹配逆序數百分比，以其乘積作為Ｃｐ的值。

圖２為Ｃｐ分為ｂａｄ、ｎｏｒｍａｌ、ｇｏｏｄ三級時(shí)的隸屬度函數

（３）成功度

衡量操作人員操作效果的變量，定義為成功度Ｓ。成功度輸入量分為兩級：ｆａｌｌ、ｓｕｃｃｅｓｓ。曲線(xiàn)見(jiàn)圖３。根據實(shí)際操作的具體情況，由于操作是否成功能夠比較明確地給出，所以在對操作的評估中成功度可以只?。昂停眱蓚€(gè)值。

（４）輸出量

系統的評估結果就是對三個(gè)輸入量進(jìn)行模糊推理得到的結果，用ｙ表示。輸出量分為五級：ｙ０、ｙ６、ｙ７、ｙ８、ｙ９，曲線(xiàn)見(jiàn)圖４。

１.５ 評判條件的建立

評判條件由表２給出。

表2 評分條件

說(shuō)明：括號中的數字是每一ｉｆ－ｔｈｅｎ條件的權重。不同的單位、不同的訓練目的，評定操作人員的能力水平的側重點(diǎn)可能不同，如本系統側重于對操作原理的掌握程度，所以對于操作中的思路和步驟要求較嚴格。如果側重點(diǎn)是操作效果（比如操作時(shí)間）時(shí)，可以調整相應的ｉｆ－ｔｈｅｎ 語(yǔ)句的權值，提高反映側重點(diǎn)變量的條件的權重。

１.６ 參數的調整及模型的應用

系統參數的調整過(guò)程：模擬一實(shí)際操作事例，給出某些類(lèi)型操作者的操作步驟，選擇具有豐富實(shí)際經(jīng)驗和知識的專(zhuān)家對操作情況進(jìn)行評估，給出評分值。而后，對專(zhuān)家的打分進(jìn)行數據處理。因為不同專(zhuān)家打分基數可能不同，但是其對于不同操作水平的區分程度級別是相似的，所以，先對不同專(zhuān)家的打分進(jìn)行歸一化處理，再根據統一的評分基數進(jìn)行數據加權平均，得到專(zhuān)家評分值。以此值為參考量，對模糊系統進(jìn)行數據參數進(jìn)行調整，在模型的運行實(shí)踐中，模型也可以對系統的參數進(jìn)行自適應調整，使系統的輸出更符合實(shí)際要求。

設Ｒ位專(zhuān)家打分矩陣，ｒｉ，ｊ為第ｉ位專(zhuān)家對第ｊ中操作情況的打分。


其中ｗｉ為權系數，一般情況下?。鳎椋剑保?，當然可以根據評估側重點(diǎn)等實(shí)際情況改變權值。

系統的參數確定以后，根據系統模型，圖５和圖６分別給出了操作成功度為１和０ 時(shí)的輸出值曲面圖。

２ 評估系統實(shí)現

評估模型建立之后，一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何讓模型能夠與應用程序相連接。根據系統實(shí)際運行的特點(diǎn)和要求，確定以數據庫操作為主的編程思路，建立相應的數據庫體系，不僅可以使系統的可擴充性和可維護性大大提高，而且也易于用戶(hù)自行擴充和修改操作信息庫及關(guān)聯(lián)庫相關(guān)參數。

２.１ 系統需要建立的數據庫

（１）操作信息數據庫；

（２）模糊評判數據庫；

（３）操作記錄表。

２.２ 實(shí)現方法的幾點(diǎn)說(shuō)明

２.２.１ 數學(xué)模型轉化為可操作數據庫

數學(xué)模型本身完成的就是輸入量與輸出量之間的映射。通過(guò)建立模糊評判數據庫來(lái)保存這一輸入、輸出關(guān)系，就避免了大量的數學(xué)運算程序的編寫(xiě)，保證了系統擁有較高的實(shí)時(shí)性。但這樣做的代價(jià)是占用了系統的部分內存。

２.２.２ 根據操作信息確定模型的輸入量

系統的輸入量是根據操作信息確定的。時(shí)間符合度、操作點(diǎn)符合度和成功度三個(gè)量需要根據數學(xué)模型編制計算程序。其中操作點(diǎn)符合度的確定是編程的難點(diǎn)：首先，在編程中使用了循環(huán)查詢(xún)并對匹配項計數的方法先確定匹配記錄項，查到的匹配記錄在參考操作記錄中的順序號由數組依次進(jìn)行記錄；然后，以此數組為依據，與參考操作記錄的序號序列進(jìn)行逆序數查詢(xún)；最后，計算匹配符合度。

２.２.３ 評分值的確定

評分值的確定可以用數據庫查詢(xún)操作來(lái)實(shí)現。不同組合輸入量對應的輸出值由模糊評判數據庫存儲。輸入量遵循一定的排序規則，在查詢(xún)時(shí)按照排序規則進(jìn)行輸出值位置的計算，就可以確定評分值在數據庫中的序號。

專(zhuān)家評估系統在智能型模擬訓練設備中的應用。大大提高了評估工作的科學(xué)性和合理性。模糊邏輯理論的應用，使得評估系統以接近于人的思維進(jìn)行評估活動(dòng)。只要建立適當的專(zhuān)家知識庫，此種評估系統可以推廣到許多其他領(lǐng)域中去。因此，這種評估系統在實(shí)際工作中有著(zhù)極大的應用價(jià)值。