船舶輔機(jī)設(shè)備實操拆裝虛擬仿真系統(tǒng)自動評估算法

王 壯，商 蕾，柳化松，王 冰

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

21世紀(jì)以來全球航運(yùn)業(yè)獲得了高速發(fā)展，船舶逐漸向著專業(yè)化、集成化的方向發(fā)展。在這種趨勢下，對船員的管理水平和實操水平的要求也越來越高[1-2]。船員適任考試中的船舶輔機(jī)設(shè)備實操評估是必考項目[3]。在當(dāng)前的考核方式中，多采用專家經(jīng)驗法，評估員主要根據(jù)自己的經(jīng)驗為學(xué)員的船舶輔機(jī)設(shè)備的實操拆裝過程進(jìn)行打分，主觀意識成為了主要考核依據(jù)，且不同的評估員經(jīng)驗不同，增加了考核的不確定性，這種實操能力評估方式導(dǎo)致評估要素的屬性模糊、難以量化，不易把握評估尺度[4-5]。因此，本文將模糊綜合評價方法應(yīng)用于基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)的船舶輔機(jī)設(shè)備實操拆裝虛擬仿真系統(tǒng)中，將考核過程中人的經(jīng)驗數(shù)字化、條理化，使考核結(jié)果更具說服力。

1 模糊綜合智能評價方法的概述

由于船舶輔機(jī)設(shè)備的拆裝過程比較復(fù)雜，存在模糊、邊界不清、不定量的評估因素，且比較依賴評估員主觀意識和個人偏好，考核方式不夠明確、標(biāo)準(zhǔn)。因此采用基于模糊數(shù)學(xué)的理論模糊綜合評價方法，將模糊性對象歸一定量化，使其變得清晰有條理，構(gòu)建過程如下。

1)確定拆裝評估的關(guān)鍵因素集。關(guān)鍵因素集即為影響評價船舶輔機(jī)設(shè)備實操拆裝過程好壞程度的關(guān)鍵因素的集合，因素集用U表示，關(guān)鍵因素用ui表示，記為：

U={u1,u2,…,un}，

(1)

式中，ui為u1～un之間的任一關(guān)鍵因素，i=1,2,…,n。

2)構(gòu)建拆裝評估的評估集。依據(jù)學(xué)生在船舶輔機(jī)設(shè)備實操拆裝操作過程中的表現(xiàn)，主要根據(jù)專業(yè)工具使用是否正確、拆裝步驟是否正確、設(shè)備拆裝熟練情況、設(shè)備拆裝完成情況來給予評分，本文采用“優(yōu)，良，中，及格，不及格”5個評價結(jié)果，則實操拆裝評估的評價集記為F={f1,f2,f3,f4,f5}={優(yōu)，良，中，及格，不及格}。反映到常用的百分制即為：優(yōu)(90～100)、良(80～90)、中(70～80)、及格(60～70)不及格(60分以下)。

3)構(gòu)建實操拆裝評估的隸屬度矩陣R。

(2)

式中，rij為其中的矩陣元素，表示第j種評估fj對第i種因素ui實操拆裝評估的隸屬度；i=1,2,…,n;j=1,2,3,4,5。

4)確定拆裝評估關(guān)鍵因素的權(quán)重集。每一個拆裝評估的關(guān)鍵因素，在每個設(shè)備的整個實操拆裝考核過程中的重要性可能不同，因此需要借助權(quán)重值來直觀量化每一個影響設(shè)備實操拆裝評估的關(guān)鍵因素。權(quán)重值可以采用主觀賦權(quán)法的方式獲取，即根據(jù)資深專家的經(jīng)驗主觀判斷得到初始權(quán)重值，然后用貝葉斯后驗分布來進(jìn)行修正，得到最終權(quán)重值。設(shè)第i個關(guān)鍵因素的權(quán)重值為li，權(quán)重值分配結(jié)果矩陣為L，則：

L=[l1l2…ln],

(3)

式中，l1+l2+…+ln=1，且l1,l2，…,ln≥0,

i=1,2,…,n。

V=LR

=[l1l2…ln]×

=[v1v2v3v4v5],

(4)

(5)

式中，V為拆裝評估評價矩陣，vj為評價指標(biāo)。

(6)

2 建立模糊綜合評估的數(shù)學(xué)模型

2.1 確定評估因素集

由模糊綜合評估的原理獲取評價矩陣的前提是要得到學(xué)員船舶輔機(jī)設(shè)備實操拆裝操作的關(guān)鍵因素集，其中船舶輔機(jī)設(shè)備包括往復(fù)泵、齒輪泵、空氣壓縮機(jī)、鍋爐附件、分油機(jī)等設(shè)備，可以將船舶輔機(jī)設(shè)備的評估要素進(jìn)行細(xì)化，本文以往復(fù)泵為例，依據(jù)大綱要求往復(fù)泵的實操拆裝考核規(guī)則，獲取影響往復(fù)泵的實操拆裝評估關(guān)鍵因素集，船舶設(shè)備往復(fù)泵的實操拆裝評估關(guān)鍵因素集如表1所示。

表1 船舶設(shè)備往復(fù)泵的實操拆裝評估關(guān)鍵因素集

2.2 建立評估集

針對學(xué)員在船舶輔機(jī)設(shè)備拆裝操作考核過程中的表現(xiàn)，評估標(biāo)準(zhǔn)見表2。

評估標(biāo)準(zhǔn)主要采用專家經(jīng)驗法確定評估隸屬度，數(shù)值表示的是每一個評估所對應(yīng)的得分區(qū)間概率，評估隸屬度見表3。

表3 評估隸屬度

2.3 確定關(guān)鍵因素權(quán)重集

本文采用層次分析法(AHP)解決船舶輔機(jī)設(shè)備實操拆裝過程中的多目標(biāo)權(quán)重的定量描述問題[6]。因此，可以得到船舶往復(fù)泵的各個層次拆裝評估關(guān)鍵因素的權(quán)重比較值，通過將5個評估要素進(jìn)行兩兩比較，判斷每2個相比的重要程度如何，并構(gòu)造判斷矩陣D，以及得到各指標(biāo)的權(quán)重。關(guān)鍵因素權(quán)重集見表4。

表4 關(guān)鍵因素權(quán)重集

構(gòu)造判斷矩陣D:

(7)

構(gòu)建判斷矩陣D時需要進(jìn)行一致性檢驗，設(shè)特征值為λ,矩陣階數(shù)為n，當(dāng)λ=n時，D為一致矩陣；當(dāng)λ≠n時，則需要通過一致性檢驗公式來判斷，如公式(8)所示：

(8)

式中，CR為一致性比率；CI為一致性指標(biāo)，CI的計算見公式(9)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),與判斷矩陣的階數(shù)有關(guān)，隨著n階矩陣的變化，RI取值表[5]如表5所示。

(9)

式中，λmax為D最大特征值。

表5 RI取值表

得到：λmax=4，CI=0；n=4，RI=0.90；即說明判斷矩陣D通過一致性檢驗，符合一致性要求。計算往復(fù)泵拆裝各個關(guān)鍵因素的權(quán)值分配結(jié)果，A表示權(quán)重分配矩陣，ai表示第i個關(guān)鍵因素的權(quán)重值，則對于往復(fù)泵的權(quán)重矩陣，如公式(10)所示：

A=[a1a2a3a4]

=[0.4 0.2 0.2 0.2]。

(10)

2.4 考核結(jié)果

通過上文對設(shè)備往復(fù)泵的關(guān)鍵因素評價集和評估隸屬度表的研究建立獲得評價矩陣R，如公式(11)所示：

(11)

船舶輔機(jī)設(shè)備的往復(fù)泵拆裝考核評估最后結(jié)果B計算方式為：

B=AR。

(12)

S為學(xué)員最終評價結(jié)果化為百分制的值：

S=B[20,40,60,80,100]T。

(13)

3 實例分析

為了驗證模糊綜合評估方法在船舶輔機(jī)設(shè)備拆裝評估的準(zhǔn)確性，選取學(xué)員對系統(tǒng)中船舶輔機(jī)設(shè)備往復(fù)泵進(jìn)行拆裝評估測試，其關(guān)鍵因素評估如表6所示。

表6 關(guān)鍵因素評估

由表3、表6，確定船舶往復(fù)泵拆裝評估操作的評估矩陣：

(14)

根據(jù)拆裝評估公式，得到評估結(jié)果為：

B=AR

=[0.4 0.2 0.2 0.2]×

=[0.16 0.12 0.32 0.32 0.08]

將評估結(jié)果轉(zhuǎn)化為百分制，則該學(xué)員最終得分為：

S=B[20 40 60 80 100]T

=[0.16 0.12 0.32 0.32 0.08]×

[20 40 60 80 100]T

=60.8

該學(xué)生對于“船用往復(fù)泵拆裝”項目的評估完成以后，基于模糊綜合評價的系統(tǒng)不僅會計算得出最終評分60.8，而且生成詳細(xì)的評估報告，按照表6的專家經(jīng)驗的考核方式，該學(xué)員的最終成績結(jié)果為及格，與系統(tǒng)的結(jié)果相對應(yīng)，符合要求。

4 結(jié)束語

通過模糊綜合評估方法，將傳統(tǒng)實踐評估中復(fù)雜、模糊的評價因素轉(zhuǎn)化為規(guī)范化、定量化的評估方法。這種智能化的評估方法不僅公平合理，而且可以對學(xué)生的拆卸操作水平進(jìn)行規(guī)范化、定量化的評價。另外，需要注意的是，在綜合評估中，有一定的主觀因素決定了拆卸評估的關(guān)鍵因素的重要性，但是基于專家和教師的長期經(jīng)驗和對客觀現(xiàn)實的分析研究，且通過多年的測試和修正，可以公平地反映船舶輔機(jī)實操拆裝的客觀事實。