基于XML的船舶防污染設(shè)備實操評估智能仿真系統(tǒng)開發(fā)

王永堅, 陳 丹, 陳景鋒

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

基于XML的船舶防污染設(shè)備實操評估智能仿真系統(tǒng)開發(fā)

王永堅, 陳 丹, 陳景鋒

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 福建 廈門 361021)

針對當(dāng)前輪機(jī)員實操評估存在的問題及虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術(shù)在船員培訓(xùn)中的創(chuàng)新應(yīng)用，采用3DSMax等通用建模軟件構(gòu)建具有交互功能的船舶防污染設(shè)備仿真場景。以Visual Studio為開發(fā)環(huán)境，以Ajax為通信手段，綜合運用C++程序語言和可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML設(shè)計實現(xiàn)防污染設(shè)備實操項目在線評估與訓(xùn)練系統(tǒng)。從系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)、高逼真度仿真場景搭建、試題編輯模擬器開發(fā)、模糊綜合自動評判系統(tǒng)設(shè)計及考核評估過程實現(xiàn)等方面詳細(xì)分析系統(tǒng)的設(shè)計過程及其應(yīng)用功能。經(jīng)船員考試中心測試、應(yīng)用，該系統(tǒng)取得了令人滿意的效果。

XML； 防污染設(shè)備； 實操項目； 智能評估； 仿真

Abstract: Aimed at solving the problems existing in scoring operation skill of marine engineers and introducing modern information technology, such as VR, into the simulator, a three-dimensional scene of marine pollution prevention equipment with interactive features is built with 3DSMax modeling software in Visual Studio environment. The design and implementation of the online training and scoring simulator system of pollution prevention equipment comprehensively applies C++ and XML programming language and Ajax communication design. The simulator system is analyzed in detail and its application functions are described covering the whole design process, the high fidelity simulating scene modeling, the developing of test question compiling simulator, the design of automatic scoring system with fuzzy comprehensive evaluation and the implement of scoring process, etc. Trial operation in the crew test center of MSA gives satisfactory results.

Keywords: XML; pollution prevention equipment; practical operation program; intelligent evaluation; simulation

國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)頒布的《經(jīng)2010年修正的1978年海員培訓(xùn)、發(fā)證和值班標(biāo)準(zhǔn)國際公約》及我國海事局2011年頒布的《中華人民共和國海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》等與船員適任考試相關(guān)的法規(guī)對船員實操評估提出了比以往更高的要求。當(dāng)前，輪機(jī)員的實操訓(xùn)練與評估大多采用實物設(shè)備，存在受訓(xùn)人員有限、設(shè)備不足等問題[1]，影響培訓(xùn)質(zhì)量。針對目前輪機(jī)員實操訓(xùn)練與評估存在的不足及虛擬現(xiàn)實等現(xiàn)代信息技術(shù)在船員培訓(xùn)中的應(yīng)用[2]，以一艘剛下水的母型船(57 000載重噸散貨船)的防污染設(shè)備及機(jī)艙實際布置為研究對象，設(shè)計高逼真度、遠(yuǎn)程、具有人機(jī)交互功能、適用于輪機(jī)員實操訓(xùn)練與評估的船舶防污染設(shè)備實操評估智能仿真系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與整體結(jié)構(gòu)介紹

1.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

船舶防污染設(shè)備實操評估智能仿真系統(tǒng)二維和三維仿真場景由3DSMax(3D Studio Max)等通用建模軟件搭建而成；采用Visual Studio 2013對場景中各操作設(shè)備的狀態(tài)、操作邏輯及人機(jī)交互功能進(jìn)行設(shè)計；運用C++語言的程序設(shè)計風(fēng)格多樣、支持多種數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點進(jìn)行程序編寫；利用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML(eXtensible Markup Language)的數(shù)據(jù)描述能力[3]強(qiáng)大、易于在任何應(yīng)用程序中讀寫數(shù)據(jù)及擁有嵌套的信息結(jié)構(gòu)等優(yōu)點進(jìn)行實操仿真操作時事件綁定和參數(shù)變量數(shù)據(jù)儲存等文檔的記錄。在通過C++解析XML的過程中，系統(tǒng)首先利用DOM(Document Object Model)解析器，運用樹狀層次結(jié)構(gòu)[4]將每道實操題的XML文件加載到內(nèi)存中，并構(gòu)成與之相對應(yīng)的節(jié)點樹；然后使用節(jié)點(Node)間的鄰居、父子等邏輯關(guān)系讀取這些節(jié)點，獲取各道實操題XML文檔的全部信息。

1.2仿真系統(tǒng)的功能及整體結(jié)構(gòu)

防污染設(shè)備實操評估仿真系統(tǒng)是建立在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中的采用B/S(Browser/Server)架構(gòu)[5]、可進(jìn)行全景漫游、具有人機(jī)交互功能的仿真考試系統(tǒng)。系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)，由學(xué)員遠(yuǎn)程利用交互工具(鼠標(biāo)和鍵盤)在實操評估仿真系統(tǒng)虛擬場景內(nèi)完全模擬實際操作環(huán)境，進(jìn)行常規(guī)實操項目及設(shè)備故障排查項目的訓(xùn)練與考核評估。

整個系統(tǒng)以仿真模型搭建與評估操作界面設(shè)計分開進(jìn)行的方式實現(xiàn)，以使場景模型在不同實操智能題的編輯設(shè)置中得到充分利用，便于試題編輯人員利用該系統(tǒng)完成各類實操智能題的編寫。仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計結(jié)構(gòu)

1) 主控程序模塊：通過輸出相應(yīng)的程序命令和數(shù)據(jù)完成仿真模型的渲染、試題編輯模擬器實操題編輯信息的存儲與更新及學(xué)員進(jìn)行仿真操作時各種信息的讀取等。此外，系統(tǒng)中其他3部分功能的有機(jī)聯(lián)系也通過該模塊實現(xiàn)。

2) 試題編輯模擬器：用于試題編輯人員新增實操試題或?qū)υ性囶}進(jìn)行修改、編輯。

3) 實操仿真操作界面：學(xué)員可利用該界面完成防污染設(shè)備實操題的練習(xí)與評估。

4) 仿真場景模塊：存放并提供各種具有動畫效果的虛擬仿真模型。

2 仿真系統(tǒng)虛擬仿真場景的搭建

防污染設(shè)備實操評估仿真系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實仿真場景(模型)搭建包括模型搭建、場景優(yōu)化和場景對象動畫設(shè)計。仿真場景搭建是指首先通過采集經(jīng)Photoshop處理的母型船機(jī)艙實際布置圖、各防污染設(shè)備現(xiàn)場圖及相關(guān)技術(shù)資料，綜合運用3DSMax和Pro/E(Pro/Engineer)等通用建模軟件，完成機(jī)艙、油水分離器及生活污水處理裝置等防污染設(shè)備虛擬場景的搭建；接著在3DSMax環(huán)境中對各模型進(jìn)行燈光、烘焙和抗鋸齒處理以提升模型的逼真度，并將模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為*tbd專用格式；最后在3DSMax中加載，使用專用圖形渲染引擎TDuExpertor工具將其轉(zhuǎn)換為三維仿真引擎的專用優(yōu)化格式。

為提高仿真場景渲染速度，通過使用TDuExpertor，采用高倍壓縮、優(yōu)化幾何面、合并相近點[6]、改進(jìn)貼圖方式、優(yōu)化和重復(fù)貼圖及相同物體采用引用機(jī)制等方式對場景模型進(jìn)行優(yōu)化。通過以上處理，可獲得數(shù)據(jù)大小級別為10K～2M的場景模型，達(dá)到大小與網(wǎng)頁中使用的JPEG(Joint Photographic Experts Group)圖片大小相同的級別。

為便于在試題編輯模擬器配置文件(XML文件)內(nèi)根據(jù)實際操作步驟和邏輯進(jìn)行仿真操作過程設(shè)計，必須事先在3DSMax環(huán)境中對防污染設(shè)備場景內(nèi)的各組成部件設(shè)置必要的動畫效果，例如：控制箱上的各種旋鈕、儀器儀表及管路中的閥門等設(shè)備的操作采用旋轉(zhuǎn)命令(變量類型Rotation)獲取動畫路徑，再利用關(guān)鍵幀記錄進(jìn)行動畫設(shè)置；控制箱上的啟動/停止按鈕采用點擊命令(變量類型Hit)設(shè)置動畫；對于液體的流動，通過利用不同的觸發(fā)部件控制粒子流動。圖2為具有動畫效果的船舶生活污水(黑水、灰水)處理裝置仿真場景。

3 實操項目試題編輯模擬器的開發(fā)

為便于試題編輯人員和海事主考官根據(jù)《海船船員適任評估規(guī)范》相關(guān)要求，基于已搭建的具有動畫效果的防污染設(shè)備虛擬仿真場景進(jìn)行組題操作，系統(tǒng)開發(fā)試題編輯模擬器。該模擬器能為不同類型實操題的新增或修改提供可視化的編輯界面，并可對設(shè)置好的試題進(jìn)行模擬測試。利用該模擬器，教練員或評估員也可根據(jù)學(xué)員的實際能力和考核重點在仿真練習(xí)或評估現(xiàn)場臨時對原有試題進(jìn)行修改或重置，保存后重新生成一道實操試題，在方便現(xiàn)場考試的同時提高考務(wù)管理效率。

圖2 具有動畫效果船舶生活污水(黑水、灰水)處理裝置仿真場景

3.1試題編輯模擬器的設(shè)計

試題編輯模擬器主要由位于編輯界面左側(cè)的導(dǎo)航編輯模塊、中部的TDuExpertor仿真場景顯示區(qū)及右側(cè)的對象屬性編輯模塊等3個功能模塊組成(見圖3)，各模塊的功能簡述如下。

圖3 試題編輯模擬器編輯界面

3.1.1導(dǎo)航編輯模塊

該模塊由參數(shù)定義與設(shè)置、邏輯定義與設(shè)置、自動評判設(shè)置和視點設(shè)置等4個子模塊組成。

(1) 參數(shù)定義與設(shè)置模塊用于定義不同操作對象變量參數(shù)的名稱并通過“對象屬性編輯模塊”設(shè)置參數(shù)范圍，這些設(shè)置能實時保存在管理數(shù)據(jù)庫配置文件中。

(2) 邏輯定義與設(shè)置模塊用于新增邏輯變量或?qū)σ讯x場景變量的名稱進(jìn)行修改，其邏輯功能設(shè)置可通過“對象屬性編輯模塊”完成。

(3) 自動評判設(shè)置模塊：對于每道實操題，首先設(shè)置仿真操作邏輯、操作時間、操作動作的違規(guī)嚴(yán)重程度及操作動作是否到位等；接著采用模糊綜合評判法，通過學(xué)員最終操作時間、操作邏輯、操作準(zhǔn)確性和是否完成操作等因素集對學(xué)員仿真操作過程進(jìn)行自動評判。

(4) 視點設(shè)置模塊用于在仿真操作過程中快速切換到需要的操作設(shè)備，在場景內(nèi)根據(jù)設(shè)備在操作中的功用設(shè)置不同的視點，方便學(xué)員根據(jù)操作需要切換到相應(yīng)的界面。

3.1.2TDuExpertor仿真場景顯示區(qū)

根據(jù)實操題的內(nèi)容和相關(guān)要求加載與試題相對應(yīng)的二維和三維仿真場景；同時，具有實時顯示“視點設(shè)置”不同視點切換畫面及“對象屬性編輯模塊”新增或修改實操題邏輯條件和狀態(tài)參數(shù)值后場景對象出現(xiàn)的狀態(tài)變化的作用，便于試題編輯人員進(jìn)行試題編輯。

3.1.3對象屬性編輯模塊

對導(dǎo)航編輯模塊中的各個變量進(jìn)行詳細(xì)描述。例如，選中“參數(shù)定義與設(shè)置”中的某個對象變量時，對象屬性編輯模塊將顯示該變量詳細(xì)的內(nèi)容并可進(jìn)行參數(shù)修改、當(dāng)前值設(shè)置及變量類型改變等操作。通過該模塊，教練員或評估員可根據(jù)實際需要臨時進(jìn)行實操智能題相關(guān)參數(shù)修改、變量增減及故障點設(shè)置等操作，經(jīng)程序刷新后在TDuExpertor仿真場景顯示區(qū)中顯示相應(yīng)的變化。

此外，試題編輯模擬器還設(shè)有新建、打開及保存文件和加載場景等功能。

3.2自動評判模塊的設(shè)計

自動評判模塊是防污染設(shè)備實操仿真系統(tǒng)的一個重要組成部分，置于“自動評判設(shè)置”之中；根據(jù)評估規(guī)范要求，結(jié)合設(shè)備實際操作特點，采用模糊綜合評判法對其進(jìn)行設(shè)計。

3.2.1選擇評價因素

模糊綜合評判法的評判因素[7]包括因素集和評價集，其中：因素集是包含影響評判的對象各方面因素的集合；評價集是評判者對評判對象進(jìn)行評估時可能給出的各種評判結(jié)果的集合。根據(jù)學(xué)員的操作特點和設(shè)備故障排查要求，選定操作時間(U1)、操作準(zhǔn)確性(U2)、操作完成與否(U3)和故障正確判斷與否(U4)作為評價因素。常規(guī)操作題因數(shù)集取U常規(guī)=(U1,U2,U3)；設(shè)備故障排查題因數(shù)集取U故障=(U1,U2,U3,U4)。根據(jù)規(guī)范要求，考核等級分為正確/熟練(100分，V1)、正確/較熟練(80分，V2)、正確/熟練程度一般(60分，V3)和操作差(40分，V4)等4個等級，建立評判集V=(V1,V2,V3,V4)。

3.2.2確定隸屬度和權(quán)重

模糊集合Ri=(rij,…,rim)為對第i個考核因素ui的評判結(jié)果。rij越大，表明ui與vj之間的聯(lián)系越密切。[8]單因素評判矩陣是以各單因素評判集的隸屬度為行組成的矩陣：

(1)

學(xué)員進(jìn)行實操評估時，各道實操題評價集的單因素隸屬度是不同的，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)員每次仿真操作的完成情況來確定隸屬度。由于因素集中各因素在評判時的重要程度不同，因此權(quán)值也不相同。由各權(quán)值組成權(quán)重集A=(a1,a2,…,an)，根據(jù)評估專家和海事主考官的建議，得到常規(guī)操作題各因素集權(quán)重A常規(guī)=(0.2,0.4,0.4)；設(shè)備故障排查題各因素集權(quán)重A故障=(0.15,0.15,0.30,0.40)。

3.2.3建立模糊綜合評判模型

(2)

例如，在對某道常規(guī)實操題進(jìn)行評估時，學(xué)員最終操作時間為9 min，規(guī)定時間為15 min，學(xué)員共計操作60步，其中25步與該題無關(guān)，最終成功啟動油水分離裝置。由此可得出單因素評判矩陣：

(3)

由權(quán)重集A常規(guī)=(0.2,0.4,0.4)及式(3)，可得B=(0.40, 0.08, 0.52, 0);將B及評價集V=(100, 80,60,40)代入到式(2)中，最終可得學(xué)員該題的最后得分為N常規(guī)=77.6分，取78分。

此外，評估員也可根據(jù)每道實操題的考核重點，通過試題編輯模擬器“自動評判模塊”對評價集及因素集的權(quán)重進(jìn)行修改，完成每道實操題自動評分標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置。

3.3實操智能題的設(shè)置過程

針對防污染設(shè)備實操智能題(常規(guī)操作題和設(shè)備故障排查題)的設(shè)置，主要利用試題編輯模擬器強(qiáng)大的試題編輯功能及已建好的具有動畫效果的仿真場景來完成實操題的編輯工作，過程簡述如下。

1) 試題編輯人員根據(jù)《評估規(guī)范》對實操項目的要求，通過配置文件(XML)的方式將設(shè)置好的試題題干、設(shè)備初始狀態(tài)和操作要求置于模擬器相應(yīng)區(qū)域，供學(xué)員訓(xùn)練或考核時實時查看。

2) 在模擬器TDuExpertor仿真場景顯示區(qū)設(shè)置與所設(shè)試題一致的仿真場景，并通過模擬器邏輯、參數(shù)等定義與設(shè)置模塊進(jìn)行命名；同時，在“對象屬性編輯模塊”中編輯相應(yīng)的參數(shù)和操作邏輯，經(jīng)程序刷新后在顯示區(qū)內(nèi)觀察設(shè)備的狀態(tài)變化是否符合要求。

3) 根據(jù)試題的考核重點，在“自動評判設(shè)置”模塊中進(jìn)行操作時間、操作準(zhǔn)確性及故障是否正確判斷等評價因素分值和權(quán)重的設(shè)置，完成實操題評判設(shè)置。

4 防污染設(shè)備實操項目在線智能化評估過程的實現(xiàn)

防污染設(shè)備實操評估仿真系統(tǒng)的終端既可安裝在海事主管機(jī)關(guān)授權(quán)的船員考試中心供輪機(jī)員實操項目評估使用，也可利用互聯(lián)網(wǎng)讓學(xué)員通過實時訪問考試中心服務(wù)器進(jìn)行評估前的遠(yuǎn)程仿真訓(xùn)練。其具體實現(xiàn)流程見圖4。

圖4 基于B/S結(jié)構(gòu)的船舶防污染設(shè)備實操項目智能化評估實現(xiàn)流程

1) 評估時，海事服務(wù)中心通過局域網(wǎng)下發(fā)已編輯好的實操項目試題包，考試終端接收到試題包后啟動仿真系統(tǒng)，完成各功能模塊的初始化設(shè)置，并根據(jù)獲取的智能實操題信息從資源庫中加載對應(yīng)的仿真場景。

2) 加載完成后，學(xué)員可在考試界面模擬真實的操作環(huán)境，完成實操題仿真操作。所有操作步驟、時間、違規(guī)情況及操作是否完成等均通過Ajax( Asynchronous JavaScript and XML)通信方式受自動評判系統(tǒng)監(jiān)控[9]；同時，這些操作信息會實時記錄在作答信息文件中。

3) 學(xué)員完成操作后，點擊“提交”或考試時間到，考試終端自動評判模塊根據(jù)模糊綜合評判法對學(xué)員的操作結(jié)果進(jìn)行自動評判，給出最終得分；同時，將考試結(jié)果和得分情況返回給船員考試中心數(shù)據(jù)庫或上傳到海事服務(wù)中心的服務(wù)器，進(jìn)行打印、存檔；如有異議，可進(jìn)行成績查詢和溯源。

4.1常規(guī)操作題

常規(guī)操作題指的是試題編輯專家根據(jù)實操題的評估要素，結(jié)合實際操作邏輯和參數(shù)，利用試題編輯模擬器和虛擬仿真場景編輯的實操試題。這類試題僅限于對場景對象進(jìn)行常規(guī)操作。在考核或練習(xí)時，學(xué)員在防污染設(shè)備實操評估系統(tǒng)上點擊已生成的實操題標(biāo)簽，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)自動加載相應(yīng)的仿真場景，學(xué)員可通過交互工具在場景中選定實操題進(jìn)行評估考核或練習(xí)；操作過程受自動評判系統(tǒng)監(jiān)控，點擊“提交”或考試時間到，系統(tǒng)自動退出并自動進(jìn)行評判，給出最終得分。圖5為二維、三維仿真場景關(guān)聯(lián)生活污水處理裝置常規(guī)操作實操題交互界面。

圖5 二維、三維仿真場景關(guān)聯(lián)生活污水處理裝置常規(guī)操作實操題交互界面

4.2設(shè)備故障排查題

設(shè)備故障排查題在線評估或練習(xí)的過程與常規(guī)操作題類似，不同之處在于學(xué)員開始操作時，考試界面場景中會通過相關(guān)儀器設(shè)備發(fā)出聲、光現(xiàn)象，或以儀表直接顯示故障時參數(shù)及故障問題等方式顯示與試題編輯人員所設(shè)故障有關(guān)的故障現(xiàn)象?？己嘶蚓毩?xí)時，學(xué)員首先根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行故障問題判斷，在確認(rèn)故障原因并作出相應(yīng)的解決后才能進(jìn)行其他常規(guī)操作；操作過程實時受自動評判系統(tǒng)監(jiān)控，點擊“提交”或考試時間到，系統(tǒng)自動退出并自動進(jìn)行評判，給出最終得分。

上述2種類型實操題的評估完成后，每道題最終的操作結(jié)果和得分情況將反饋給船員考試中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行成績管理。

5 結(jié)束語

基于XML的船舶防污染設(shè)備實操評估智能仿真系統(tǒng)的開發(fā)滿足國際公約和國內(nèi)船員主管機(jī)關(guān)對船員適任考試實操評估提出的新要求[10]，經(jīng)船員考試中心測試及學(xué)員實際應(yīng)用，取得了令人滿意的效果。此外，該系統(tǒng)作為整個輪機(jī)智能化考試系統(tǒng)的一部分，其開發(fā)設(shè)計過程將為輪機(jī)實操項目智能化考試系統(tǒng)整體研制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

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《中國航?！肪庉嫴?/p>

AnIntelligentOperationScoringSimulatorSystemforMarinePollutionPreventionEquipment

WANGYongjian,CHENDan,CHENJingfeng

(Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China)

TP311.52;U664.9

A

2016-04-25

福建省自然科學(xué)基金(2016J01251)

王永堅(1972—)，男，福建晉江人，高級輪機(jī)長，副教授，主要從事輪機(jī)仿真技術(shù)與船舶動力裝置故障分析研究。 E-mail：wyongjian55@qq.com

1000-4653(2016)03-0026-05