水罐消防车仿真训练系统自动考核的功能设计

陈智慧，张晓青

(武警学院 消防指挥系，河北，廊坊 065000)



水罐消防车仿真训练系统自动考核的功能设计

陈智慧，张晓青

(武警学院 消防指挥系，河北，廊坊 065000)

水罐消防车仿真训练系统可代替实装，完成不同火灾场景下的水罐消防车技术训练。针对水罐消防车仿真训练系统中计算机自动考核的功能需求，通过考核设置、考核记录和自动评分功能的设计，实现水罐消防车单环节操作训练及协同操作训练的计算机自动考核。

水罐消防车；模拟训练；人工智能；自动考核

计算机仿真技术及虚拟现实技术已有多年的历史，国内在消防培训领域的研究，主要是针对大型火灾和事故救援作战指挥的仿真训练[1-4]。由武警学院研发的“水罐消防车仿真训练系统”，将仿真技术应用于水罐消防车训练，实现了“教-学-练-考”一体化[5]。该系统实现了仿真教学、操作训练、过程记录回放和自动考核等功能，其中，自动考核功能的设计和实现，不仅解决了人工评判和仅针对操作结果评判等考核方法存在的诸多问题[6-7]，更为使用者有效掌握训练要点提供了重要的技术支撑。训练过程中，计算机可完成各操作节点的状态记录并据此完成考核成绩的自动评判，不仅能够为使用者提供正确操作的引导，还可提供可选的操作训练记录回放功能，以便随时、多角度观看操作训练过程。

1 概要设计与设计原则

根据系统功能的设计目标，水罐消防车仿真训练系统的自动考核功能需要自动记录训练操作中各个关键操作的状态或结果，并结合考核评判规则，对使用者的当前操作训练进行自动评分。为了实现这一过程，水罐消防车仿真训练系统的自动考核功能应主要包括考核设置、考核记录、自动评分等过程。

首先，要实现自动考核，必须对考核点、考核规则、评分规则等内容进行设置，将设置内容存储在数据库表中。其中，考核点指定训练操作过程中需要记录的状态或结果的操作节点，考核规则说明考核点应该记录的内容以及考核点之间的相互关系，评分规则指明该考核点不同操作状态或结果对应的不同得分。其次，在操作训练的过程中，根据考核设置中指定的考核点和考核规则，自动记录相关操作点的内容，并将其写入到相应的数据库结构中进行存储，即考核记录。最后，根据考核记录内容和设置的评分规则，计算机自动计算当前操作训练应该得到的分数，并给出得分及未得分的原因。考核成绩存储在数据库中，可以根据考核人、考核时间、考核科目等内容随时进行查询。

依据上述概要设计，水罐消防车模拟训练考核体系的设计需要遵循以下四项原则：一是每项训练操作对应且唯一对应一棵由该项训练所有考核点组成的完整考核逻辑树。二是处于同一考核逻辑树上的考核点，如果父考核点没有操作，则子考核点操作无效。三是采用一次通过考核方式，即在同一次训练中，同一考核点操作以第一次操作结果为准。四是作为前置条件的级联考核点未得分，则当前考核点不进行考核。

2 考核设置

考核设置是水罐消防车仿真训练系统自动考核功能的首要条件，包括对考核点、考核规则和评分规则的设置。初始设置需要在系统运行前完成，运行过程中可以根据需要对其进行改变。

2.1 考核点设置

考核点是在某一具体操作训练设计时确定的，可以是某一具体操作，也可以是某一段操作过程。指定考核点时需要明确考核点的类型，目前考核点的类型主要有操作类、状态类两种。操作类考核点对应于训练中的某个操作，状态类考核点一定与某一操作类考核点关联，是该操作所引起的状态变化。每一个状态类考核点能且只能对应一个操作类考核点，而一个操作类考核点可以同时有多个状态类考核点与之关联。

2.2 考核规则设置

对于一个具体训练的所有考核点来说，首先按照逻辑的必要性进行分级。例如，消防车点火之后才能进行挂档、开警灯等操作，那么消防车点火就需要放在第一级别，挂档、开警灯则放在其下的第二级上，与消防车点火不存在逻辑关系的考核点可以放置在第一级别上。对于同一级别上的考核点操作，应按照正确操作流程进行排序。

此外，在模拟操作训练过程中，某些考核点在逻辑上并不存在必然的先后顺序，但根据实际业务或者安全性等其他要求，这些考核点之间也需要有关联关系，这种关系就表现为级联关系。例如，穿戴空气呼吸器和进入火场之间并不存在必然的先后顺序，但基于消防员安全防护要求，实际操作时，进入火场之前需要穿戴空气呼吸器设备。

这些考核点之间因逻辑或业务产生的关联关系就是考核规则，依据这些设定的考核规则，水罐消防车仿真训练系统将每项训练包含的所有考核点组成一棵考核树，该树将成为后续记录考核状态的重要依据。根据设计原则要求，每一个训练只能有一棵考核树与之对应。

2.3 评分规则设置

对于每一个考核点，需要设计相应的评分规则，作为系统自动评分的依据。评分规则表现为两类，一类为根据考核点状态或是否操作给出对应的分值，另一类为根据考核点记录数值判断属于不同的区间范围，对于不同的区间给予相应的分值。

设定的分值采用权重这种相对性的形式表现，即该考核点最后得分需要取决于考核点设定值以及该项训练中所有生效考核点设定总值。

考核设置的考核点信息主要包括考核点名称、考核点类型、等级编号等内容。等级编号为该考核点在逻辑树中的位置。级联考核为该考核点是否为前置级联考核点，每个考核点可能有0个或多个级联考核点。表1为水罐消防车仿真训练系统驻车训练的考核点设置的相关信息。

表1 训练的考核点设置信息

3 考核记录

考核记录主要发生在系统运行时和开始某项操作训练后。考核记录功能根据考核设置信息，按照深度遍历的方式遍历该训练的考核树，如果使用者按照正确的操作顺序进行模拟训练，考核点的触发顺序应该与考核树的深度遍历顺序一致，因此，在遍历考核树中每个考核点时，实时记录每个考核点的状态信息或操作数值，如果跳过了某个考核点，此考核点操作状态不记录，相应考核分数为零。

记录考核点状态时，也会查询其级联考核点的状态，如果级联考核点状态符合，则如实记录当前考核点的状态，如果级联考核点状态不符合，则当前考核点状态不记录，相应考核分数为零。

与评分过程的触发时机不同，考核点操作状态的记录过程是随考核操作实时发生的，因此，即使操作训练没有按照正常的过程结束，该项操作训练的考核过程仍有记录。

4 自动评分

根据考核记录功能所记录的操作过程数据、考核设置功能设置的评分规则数据，自动评分功能可以对已经完成的操作训练进行计算评分。

自动评分是在操作训练完成时，由系统后台程序自动进行的，评分结果将会记录在考核结果相关的数据结构中。因为自动评分需要操作人员正确完成考核指令后进行，所以非正常结束的操作训练没有考核成绩。

自动评分是按照百分制规则进行的，依据考核设置中设置的考核点评分权重，自动评分功能会将当前考核点的设置权重与该项训练所有生效考核点的权重之和进行比较，并将计算比例与考核点得分相乘，从而获得当前考核点的实际得分。因为无法保证权重比例与考核点得分的乘积为整数，因此存在四舍五入的问题，可以通过改变评分计算顺序中最后一个考核点得分的计算方法，来确保分项得分之和为100分。

5 结论

为实现上述设计，考虑到自动考核还需要支持多人在线协同训练，因此，为方便使用者，自动考核功能中的考核设置由B/S结构的程序实现。此外，对于已经设定的考核信息和评分结果信息的查询，也是由B/S结构的程序来实现，考核记录以及自动评分则是在多人协同训练中的主机(单环节训练是指运行客户端程序的本地机器)上进行，由C/S结构的程序处理。

训练过程的自动考核一直是模拟训练系统实现过程的难点之一，如何方便、科学地实现对模拟操作过程的考核记录，并能够自动计算考核结果，是每一个模拟训练系统必须面临的问题。本文描述的水罐消防车仿真训练系统训练考核功能的设计，为此类问题的解决提供了一个切实可行的参考样例。

[1] 袁狄平，王尽飞，靳学胜．基于X3D 技术的化学灾害事故处置在线培训系统[J]．中国安全生产科学技术，2012，8(8)：137-142．

[2] 袁狄平，靳学胜，张晓丽，等．沉浸式灭火救援计算机模拟训练平台的开发[J]．消防科学与技术，2012，31(2)：162-165．

[3] 袁狄平，王国臣，张靖，等．油罐火灾灭火指挥计算机模拟训练系统[J]．消防科学与技术，2003，22(6):531-532．

[4] 靳学胜，袁狄平．大型石化储罐库区消防虚拟训练仿真系统研究[J]．消防科学与技术，2009，28(12):934-936．

[5] 陈智慧.水罐消防车仿真训练系统的设计与实现[J]．武警学院学报，2015，31(10)：13-16．

[6] 陈萱华，杨玲.面向仿真系统的自动测评关键技术研究[J]．计算机与现代化，2012(11):59-65.

[7] 李婧，陈浩．军用UUV保障训练考核系统[J]．兵工自动化，2012，31(11):1-5．

(责任编辑 马 龙)

Design of Automatic Evaluation Function of the Simulation Training System for Water Tanks

CHEN Zhihui, ZHANG Xiaoqing

(DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

A computer simulation training system can replace actual water tanks to conduct the training in different fire scenes. The automatic evaluation function can be realized through the design of rule setting, operation recording and automatic scoring. Water tank training and coordinated training can also be automatically evaluated in this simulation system.

water tank; simulated training; artificial intelligence; automatic evaluation

2017-02-22

河北省高等教育教学改革研究与实践项目“基于虚实结合的消防技术装备课程教学模式研究”(2016GJJG241)

陈智慧(1971— )，女，河北廊坊人，教授; 张晓青(1977— )，女，山西长治人，副教授。

D631.6;TU998.1

A

1008-2077(2017)06-0015-03