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模擬訓(xùn)練設(shè)備的操作評估專家系統(tǒng)

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:介紹了模擬訓(xùn)練設(shè)備中,用于對操作人員實(shí)際操作進(jìn)行評估的專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)以典型操作的專家知識庫為基礎(chǔ),利用基于模糊邏輯的數(shù)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。著重敘述了系統(tǒng)的建模方法并簡要介紹了編程實(shí)現(xiàn)的思路。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/242346.htm

關(guān)鍵詞:專家系統(tǒng) 模糊邏輯

隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展,在很多領(lǐng)域中人們都利用模擬訓(xùn)練設(shè)備代替實(shí)際儀器裝備進(jìn)行操作訓(xùn)練,如許多培訓(xùn)基地都用模擬設(shè)備對培訓(xùn)人員進(jìn)行故障排除訓(xùn)練和基本操作訓(xùn)練等。通常,這些模擬訓(xùn)練設(shè)備分為主機(jī)和分機(jī)兩部分,分機(jī)負(fù)責(zé)模擬實(shí)際操作的背景環(huán)境,主機(jī)則負(fù)責(zé)給出用戶界面、進(jìn)行操作指導(dǎo)和控制訓(xùn)練進(jìn)程等工作。此種設(shè)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(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練計劃的調(diào)整,為合理地安排教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整訓(xùn)練進(jìn)度提供科學(xué)依據(jù),以提高訓(xùn)練的實(shí)際效果和質(zhì)量。基于模糊邏輯的操作評估專家系統(tǒng)就是針對這一目的建立的。

1 系統(tǒng)的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)答案來簡單地評定的。系統(tǒng)需要對操作人員的操作時間、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標(biāo)準(zhǔn)。因此,本文提出了基于模糊邏輯的專家評估系統(tǒng),讓計算機(jī)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 模糊邏輯簡介

模糊邏輯運(yùn)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(tǒng)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言變量,這些變量用詞語代替了數(shù)值,將采集到的精確量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行Fuzzy化處理,轉(zhuǎn)化成通過隸屬度函數(shù)及Fuzzy子集表達(dá)的Fuzzy量。模糊邏輯將原來通過精確量描述的輸入輸出關(guān)系的精確數(shù)學(xué)模型,轉(zhuǎn)化為一種相應(yīng)的、由條件語句表達(dá)的模糊關(guān)系,其運(yùn)算形式接近于人的直覺思維,這就提高了系統(tǒng)的彈性,即系統(tǒng)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(guī)則是一系列的模糊if-then條件。if(輸入語言變量Fuzzy子集)then(輸出語言變量Fuzzy子集)模糊規(guī)則的應(yīng)用,使系統(tǒng)易于理解和調(diào)整,可以在專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建模,使得系統(tǒng)可以方便地與控制系統(tǒng)相結(jié)合。

1.2 模型設(shè)計思想

訓(xùn)練時,操作項目由主機(jī)內(nèi)部預(yù)存的典型操作專家知識庫提供,訓(xùn)練模擬器記錄操作人員的操作時間和操作步驟。本文把操作時間的長短,操作技巧應(yīng)用的好壞,操作準(zhǔn)確程度等因素用模糊量來設(shè)定,即定義時間符合度、操作點(diǎn)符合度和成功度作為輸入量,根據(jù)專家的評判意見建立模糊推理規(guī)則,并根據(jù)實(shí)際操作的抽樣調(diào)查試驗(yàn)對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,得到最終的模糊評估模型。

1.3 模型的符號說明

模型的符號說明如表1所示。

表1 符號說明表

符號名稱 符號涵義
t 實(shí)際操作時間
T 參考操作時間
Ct 時間符合度
Cp 操作點(diǎn)符合度
S 成功度函數(shù)
μ(x) 隸屬度函數(shù)
M(Ct,Cp,S) 模糊判別函數(shù)
y 評估結(jié)果

1.4 輸入與輸出量的確定及隸屬度曲線

系統(tǒng)輸入量的數(shù)學(xué)描述定義如下:

(1)時間符合度

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

tin=t/TKKKKKK (1)

Ct=μt(tin)KKKKK(2)

圖1為Ct分為fast、normal、slow三級時的隸屬函數(shù)曲線。

(2)操作點(diǎn)集符合度

模擬訓(xùn)練項目的數(shù)據(jù)庫中存有參考操作點(diǎn)集。實(shí)際操作時的操作點(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(yīng)該合理,以這兩個標(biāo)準(zhǔn)來評定操作點(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(shù)兩個參數(shù)決定。實(shí)際操作完畢后,由程序查找操作匹配點(diǎn)的個數(shù)百分比和步驟匹配逆序數(shù)百分比,以其乘積作為Cp的值。

圖2為Cp分為bad、normal、good三級時的隸屬度函數(shù)

(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。曲線見圖3。根據(jù)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€值。

(4)輸出量

系統(tǒng)的評估結(jié)果就是對三個輸入量進(jìn)行模糊推理得到的結(jié)果,用y表示。輸出量分為五級:y0、y6、y7、y8、y9,曲線見圖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

1.If (point is good) and (issuccess is success)then(mark is y9) (1)
2.If (point is normal) and (issuccess is success)then(mark is y8) (1)
3.If (point is bad) and (issuccess is success)then(mark is y7) (1)
4.If (point is bad) and (issuccess is success) then (mark is y9) (0.8)
5.If (time is mormal) and (issuccess is success) then (mark is y8) (0.8)
6.If (time is slow) and (issccess is success) then (mark is y7) (0.8)
7.If (point is good) and (issuccess is fall) then (mark is y7) (1)
8.If (point is normal) and (issuccess is fall) then (mark is y6) (1)
9.If (point is bad) and (issuccess is fall) then (mark is y0) (1)
10.If (time is fast) and (issuccess is fall) then (mark is y7) (0.4)
11.If (time is normal) and (issuccess is fall) then (mark is y6) (0.4)
12.If (time is slow) and (issuccess ia fall) then (mark is y0) (0.4)

說明:括號中的數(shù)字是每一if-then條件的權(quán)重。不同的單位、不同的訓(xùn)練目的,評定操作人員的能力水平的側(cè)重點(diǎn)可能不同,如本系統(tǒng)側(cè)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(yán)格。如果側(cè)重點(diǎn)是操作效果(比如操作時間)時,可以調(diào)整相應(yīng)的if-then 語句的權(quán)值,提高反映側(cè)重點(diǎn)變量的條件的權(quán)重。

1.6 參數(shù)的調(diào)整及模型的應(yīng)用

系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整過程:模擬一實(shí)際操作事例,給出某些類型操作者的操作步驟,選擇具有豐富實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和知識的專家對操作情況進(jìn)行評估,給出評分值。而后,對專家的打分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因?yàn)椴煌瑢<掖蚍只鶖?shù)可能不同,但是其對于不同操作水平的區(qū)分程度級別是相似的,所以,先對不同專家的打分進(jìn)行歸一化處理,再根據(jù)統(tǒng)一的評分基數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加權(quán)平均,得到專家評分值。以此值為參考量,對模糊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,在模型的運(yùn)行實(shí)踐中,模型也可以對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,使系統(tǒng)的輸出更符合實(shí)際要求。

設(shè)R位專家打分矩陣,ri,j為第i位專家對第j中操作情況的打分。


其中wi為權(quán)系數(shù),一般情況下?。鳎椋剑保椋?dāng)然可以根據(jù)評估側(cè)重點(diǎn)等實(shí)際情況改變權(quán)值。

系統(tǒng)的參數(shù)確定以后,根據(jù)系統(tǒng)模型,圖5和圖6分別給出了操作成功度為1和0 時的輸出值曲面圖。

2 評估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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

2.1 系統(tǒng)需要建立的數(shù)據(jù)庫

(1)操作信息數(shù)據(jù)庫;

(2)模糊評判數(shù)據(jù)庫;

(3)操作記錄表。

2.2 實(shí)現(xiàn)方法的幾點(diǎn)說明

2.2.1 數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可操作數(shù)據(jù)庫

數(shù)學(xué)模型本身完成的就是輸入量與輸出量之間的映射。通過建立模糊評判數(shù)據(jù)庫來保存這一輸入、輸出關(guān)系,就避免了大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算程序的編寫,保證了系統(tǒng)擁有較高的實(shí)時性。但這樣做的代價是占用了系統(tǒng)的部分內(nèi)存。

2.2.2 根據(jù)操作信息確定模型的輸入量

系統(tǒng)的輸入量是根據(jù)操作信息確定的。時間符合度、操作點(diǎn)符合度和成功度三個量需要根據(jù)數(shù)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)查詢并對匹配項計數(shù)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(shù)組依次進(jìn)行記錄;然后,以此數(shù)組為依據(jù),與參考操作記錄的序號序列進(jìn)行逆序數(shù)查詢;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(shù)據(jù)庫查詢操作來實(shí)現(xiàn)。不同組合輸入量對應(yīng)的輸出值由模糊評判數(shù)據(jù)庫存儲。輸入量遵循一定的排序規(guī)則,在查詢時按照排序規(guī)則進(jìn)行輸出值位置的計算,就可以確定評分值在數(shù)據(jù)庫中的序號。

專家評估系統(tǒng)在智能型模擬訓(xùn)練設(shè)備中的應(yīng)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(yīng)用,使得評估系統(tǒng)以接近于人的思維進(jìn)行評估活動。只要建立適當(dāng)?shù)膶<抑R庫,此種評估系統(tǒng)可以推廣到許多其他領(lǐng)域中去。因此,這種評估系統(tǒng)在實(shí)際工作中有著極大的應(yīng)用價值。



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