火电机组仿真培训自动评分系统研究

姚民康，董 泽，任国俊，白果梁，武晓华

（河北省发电过程仿真与优化控制工程技术研究中心（华北电力大学），河北 保定 071003）

0 引言

电力工业生产运行中的安全性向来都是生产考核中的重要指标［1］。因此面向电站机组运行人员的操作培训考核，是保证机组安全平稳运行的重要基础［2］。为了满足全工况的高逼真度仿真并保证仿真的低成本性，目前国内外多采用基于虚拟分散处理单元的激励式仿真模式［3］。但随着电站自动化需求的进一步扩大，如何自动考核运行人员在仿真机上的实际操作水平，是当前仿真机系统所必须具备功能之一。本文所建立火电机组仿真培训考核系统具有准确性、灵活性、可靠性高等优势，所建立考核准则能够准确反映操作员的实际水平。

1 仿真机培训自动评分系统

1.1 系统简介

机组仿真自动评分系统是机组仿真培训系统的重要组成部分之一，是用来考察运行人员水平以及仿真培训效果的重要工具。传统的机组仿真评分方式是人工评分法，通常的做法是，一个评估员对应一个操作者，这样的评分方式不仅效率低，而且具有很强的主观性［4］。仿真培训的自动考核系统则是实时对操作者的操作行为进行记录打分，并记录下操作者每步操作正确与否，减轻了评估员的劳动强度，提高了仿真机培训考核的准确性和效率，同时可以回顾错误的操作记录，极大地提高了仿真培训的效果。

1.2 系统难点

由于电站系统组成的高度复杂性和设备运行的安全性需求，导致其在仿真培训过程中具有不确定性。研发出一种高度匹配生产现场复杂考核需求的自动评分系统难度很大。因此，保证有效判断操作正确性的评分以及操作分值的有效分配尤为重要［5］。

1.3 仿真机培训评分系统解决方案

1.3.1 仿真机系统分解

电站机组生产系统是一个复杂度很高的控制系统。在研究一个复杂系统时，通常将其逐级分解成多个子系统，直至底层是一系列简单的控制系统，一般称之为“分解”。分解并分析完子系统之后，需要逐级对上级系统进行综合分析，直至回归到整个研究系统，此过程称为“综合”［6］。在分析复杂控制系统时，这种“分解－综合”的思想是非常有效的一种方法。

火电机组的生产运行一方面包含结构上复杂的生产系统，另一方面包含高度复杂的生产过程。根据“分解考核-综合计分”的方法，一方面可以对复杂的电站系统进行分解，另一方面又可以对复杂的生产过程进行分解。

对复杂的电站系统分解。将整个系统分解为燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（由汽轮发电机、主变压器等组成）等一级子系统，这些一级系统如有需要可被进一步分解为一系列二级系统，二级系统又可进一步分解为设备层级的三级子系统，例如可将引风二级系统分解为引风机和引风机出口挡板等三级设备系统。由此可将完整的电站生产系统分解到不同层级的子系统。应当指出的是，系统分解的原则为有效合理分解。三级子系统（即设备级系统）虽然是最底层的系统，但应当考虑到实际的考核需求进行适当分解。

对复杂的生产过程分解。将整个机组生产过程分解为机组启动、冲转、并网等一级子过程，同时又可进一步将一级启动过程拆分为冷态启动、温态启动以及热态启动等二级子过程。国内各仿真培训操作者最终的操作考核是分次进行的，这些分次考试的内容基本上与上述分解的二级过程相对应。由于在机组的一系列操作过程中，对很多顺序操作与众多的参数控制指标等均有时间上的规定和限制，由此延伸出有特殊需求的三级子过程，此级子过程与操作运行中有特殊启停要求的操作相对应。

上述复杂系统或生产过程分解如图1表示，由于火电机组生产过程和生产系统的高复杂度，子系统之间﹑子过程之间以及子过程与系统之间是相互耦合，相互影响的，由此在制定考核规则时可以同时面向系统、面向过程灵活制定。

图1 复杂系统或生产过程分解

1.3.2 专家评分规则与推理机制

专家评分规则是自动评分系统中重要的评分依据，必须保证评分规则的客观性和合理性［7］。自动评分系统专家规则制定为产生式制定，一方面吸收电站生产运行领域专家知识以及现场操作者的实际操作经验，另一方面利用电站仿真标准流程设备操作规范，通过开发语言实现，可形成多套不同考核侧重点的评分规则，并存储于仿真工程文件中。

专家评分规则的表达为

式中：M（i）为第i则专家评分规则的前提条件，通常表示工况条件，一般为多组条件组合而成；N（i）为规则i的考核结果或M（i）条件触发时将要执行的下一步动作，触发的条件不唯一，即 M（i）=A 或者 M（i）=A&（B｜C）等逻辑关系。

任何机构或组织都可以根据需求和设计理念创建知识库，知识库中的数据也充满多样性和异构性［8］，因此推理机制应根据操作者现场和生产经验构成的知识库所制定。采用确定性正向推理机制，根据知识库中所建立的规则等进行确定性推理。自动评分系统的设计中，推理机的结束依赖于自动评分系统考试的结束。

2 知识库考核规则

2.1 考核规则计分

仿真机培训考核系统的考核层级由高至低分为试卷、试题、题目以及考核规则，出题人设置试卷总分，然后为试卷下试题、题目以及规则逐级设置权重，权重分配依据考核对象的重要性，考核规则分数计算为

式中：i为规则序号；j为规则i所属的题目序号；S为试卷分配总分；w1（i），w2（i），w3（i）分别为试题、题目、规则分配的权重系数；y（i，j）为规则i所分配的分数。

考核结束后，考核系统会自动统计考核总分，综合所有添加考核的规则，考核结束应得分数为

式中：i为规则序号；j为规则i所属的试题与题目序号；m为正在考核的规则总数；Y为考核结束应得分数。

2.2 考核规则

仿真机培训考核系统根据专家系统和生产经验，共设有4种考核规则。

条件考核。常规的条件考核是指仿真机培训的操作中，某一组或者多组重要变量是否满足设定值，进行设定逻辑判断，满足则得分，不满足则扣分。考核时将模型中重要参数变量x（m）与知识库设定数值 Xn（n＝1，2，3，4，…）进行大于、小于、相等以及约等的条件比较之后，再通过知识需求将所有比较的逻辑结果进行逻辑条件组合，以4组条件规则考核为例：

式中：A，B，C，D 分别为各自 x（m）（m=i，j，k，l）与Xn（n＝1，2，3，4）的逻辑比较结果；L 为 A，B，C，D 进行规则逻辑组合判断的结果（L为真则此规则满足条件，反之则不满足此条件规则）。

单一条件步序考核。单一条件步序考核是指多组单一条件判断是否满足的先后顺序考核，即先考核某单一条件是否满足，而后考核多组单一条件满足的先后顺序。考核前先设定好多组单一条件应当满足的先后顺序，培训考核时实际顺序与之比较考核，以四组单一规则考核为例，考核范例如表1所示。

表中，A，B，C，D 分别为单一变量 x（m）（m=i，j，k，l）与设定值 Xn（n＝1，2，3，4）的逻辑比较结果，理想设定步序为A，B，C，D（实际操作步序与此一致则满分，不一致则相应扣分）。

成组条件步序考核。成组条件步序考核是指多组单一条件判断后，通过设计逻辑关系组成单一条件组，再考核条件组的先后满足步序，即先考核某条件组是否满足逻辑需求，而后考核多组条件组满足的先后顺序，在实际仿真培训中具有非常突出的考核意义。考核前先设定好多组条件组应当满足的先后顺序，培训考核时实际顺序与之比较进行考核，以4组成组规则考核为例，考核范例如表2所示。

表2 成组条件步序考核范例

曲线考核。曲线考核是先设定理想曲线和对应的上下误差边界，在实际操作过程中，为了使曲线考核更加准确，可记录过程参数中实际曲线与标准曲线的偏差值，通过累计计算偏差和偏离程度来实现操作者的评分［2］。以图2范例所示，A至B段实际曲线越界不符合操作规定，计分公式为

式中：S误为实际曲线AB段越出允许误差的偏差面积；S为实际曲线与理想曲线所围成的总面积；ys为此曲线规则设定分数；y为此曲线规则实际得分。

图2 曲线规则考核范例

仿真考核过程中对偏差面积S误采用偏差积分法计算，当实际操作曲线在允许偏差范围内时，不进行偏差面积积分计算，只有当实际操作曲线越界时，才进行偏差面积S误计算，偏差面积与总面积计算公式为

式中：p1（t），p2（t）分别为 t时刻理想曲线与实际曲线对应的过程参数值；e为设定的理想曲线允许误差（实际操作越界即｜p1（t）－p2（t）｜-e≥0）；Ts为仿真考核时间；Δt为计算时间间隔。

3 学员考核成绩

考核完毕后，系统将自动根据培训时操作员的真实操作情况进行打分，并记录到成绩表中进行显示，成绩表中包括操作者信息、考核起止时间、试卷总分以及考核得分等，较为全面地反映了当前考核状态。同时成绩表也可保存成历史文本，作为操作者的成绩归档，对仿真机培训长期考核具有突出的意义。

4 结语

在火电机组仿真培训系统的基础上对仿真培训自动评分系统进行了设计与研究，运用“分解考核-综合计分”的思想将复杂的操作流程分解为多级试题组合，同时结合专家系统理论与推理机制提出了4类评分规则，并给出考核规则成绩的计算方法。评分层级深入到基本的子生产过程或子系统，使得评分结果真实地反映了操作者的操作水平，而且从面向分解步骤的对应成绩反映出操作者在子生产过程的操作水平，帮助操作者快速定位操作不足，提升自我操作水平。机组仿真培训考核系统已应用于电厂的仿真培训，在实际操作中其考核结果符合实际考核需求。