基于元认知和模糊综合评判的智能化倒闸操作模拟培训系

其中：Qi 为某项认知能力的权值。结合倒闸操 作的特点，利用层次法确定各项认知能力的权重， 按照层次分析法的原理经过计算，可以确定权重如 表 2 所示。
表 2 确定的权重
识记 0.14 理解 0.1125 应用 0.1625 分析 0.18 综合 0.275 评价 0.13
其中 T1+T2+T3=1, T1 为填空题的权值，T2 为模 (5)
其中：t1，t2，t3 分别为在进行若干次测试后每一部 分题型的平均答题的评价值，在系统刚开始投入运 行的时候，可以有专家给定，而经过一定数量的运 行人员测试之后就可以利用公式进行调整。 ⑸ 计算测试后最终各项认知能力的评价结 果：
表 1 测试记录
题号 1 2 3 … n 培训各项认知能力的反映 识记 理解 应用 分析 综合 1 0 1 1 1 1 1 … n 1 0 … n 1 0 … n 0 1 … n 1 1 … n 评价 0 1 1 … n
⑵ 培训人员测试完后，则可以得到培训人员 对某一类型题测试得到的各项能力的表示值。 Zi=（z1, z2, z3, z4, z5, z6） (1) 其中 zi∈[0,1],0≤i≤6，zi 表示某一项认知能力的表 示值。 (2) n 其中： 0≤j≤n （n 为某一种测试题的测试题数量） 。 Rij(1)是第 i 项认知能力在本部分测试中答对的次 数。认知能力依次为识记、理解、应用、分析、综 合、评价共 6 项。 ⑶ 每个元知识点的测试题型都有以上所说的 三种方式的测试题。从而在测试结束后可以构成各
z11 A z21 z31
z12 z16 z22 z26 z32 z36
其中： z11~z16 表示填空题的 6 项认知能力的评价值。 z21~z26 表示模拟操作题的 6 项认知能力的评价值。 z31~z36 表示改错题的 6 项认知能力的评价值。例如 对上面所介绍的安铜 I 线由运行转检修这个知识点 进行完三种类型题型的测试后，就可以得到一个各 种题型各项认知能力的评价矩阵。 ⑷确定这三种题型的权值 T=(T1,T2,T3) 拟操作题的权值，T3 为改错题的权值。 Ti=ti/(t1+t2+t3) (4)
2
[8]
图 2 双母线带旁路接线方式下的安铜 I 线
下面对综合评判的过程进行详细说明： ⑴ 在测试过程中，培训人员答对某一测试题， 测试题所对应的某一项或几项认知能力值为 1，答 错或不回答，则为 0。对于题目所影响哪几项，则 由专家给出。在培训人员答完针对本知识点的某种 类型测试题后，可得到一个测试记录表。如表 1 所 示。例如对于上面所介绍的安铜 I 线由运行转检修 这个知识点，在运行人员进行完模拟操作测试题的 测试后，就可以得到一个关于这种题型的测试记录 表。
283-1 283-2 283-40 283-50
是否低于 目标培训 水平 否 停止 学习
培训 过程
图 1 培训过程图
283 283-10
283-5 283-3
2.1 培训人员的培训模型 根据美国著名教育心理学家布垆坶 （B.S.Bloom） 的理论。 可以把培训系统对运行人员 能力的培训目标根据智力活动的复杂度分为识记， 理解，应用，分析，综合，评价六个方面[7]。 系统把操作规程和倒闸操作任务设计成相关 的知识点。例如针对如图 2 所示的双母带旁路接线 方式下的安铜 I 线，设计了两个知识点：安铜 I 线 由运行转检修和安铜 I 线由检修转运行。同样对于 其他出线、母线、断路器、变压器等的倒闸操作任 务也都设计成相应的知识点。对于操作规程，如对 于 “某间隔母线隔离开关的合闸条件”的这条规 程，看作一个知识点。通过这种方式，把实际中的 操作任务和操作规程都设计成相关的知识点，便于 对运行人员培训。 在某一个知识点上，培训人员培训结束后，要 进行测试，以便程序能够监控培训人员在本知识点 达到的学习水平，修改相应的培训策略对运行人员 培训。根据培训的特点，测试方法采用模糊综合评 判方法 。 2.2 模糊综合评判方法 对于每个知识点，本系统都设计了三种测试方 式。①填空，根据具体的操作任务，空出关键的操 作步骤，由测试人员填上；②在图形界面上模拟操 作测试；③改错，给出错误的操作演示，要求指出 错误点。通过以上三种测试方式，考察培训人员对 此知识点的掌握情况。为下一步的策略选择提供根 据。例如针对如图 2 所示的双母带旁路接线方式下 的安铜 I 线由运行转检修进行倒闸操作的任务，在 填空测试题中，空出关键的一次倒闸操作步骤，让 运行人员填上，例如空出“拉开安铜 I 线 283 断路 器” ，在运行人员提交后，由系统进行判断正误，
０引言
电力系统运行人员的岗位操作技能是影响电 力系统的安全可靠性的重要因素之一。利用仿真培 训系统对运行人员培训是提高运行人员操作技能 的手段。倒闸操作培训就是仿真培训系统的重要功 能之一。相关的研究人员对倒闸操作培训进行了研 究和开发，目前在实际中投入较早和使用较多的是 [1] 带盘台模式的培训系统 ，具有监视、操作、故障 现象和处理的功能，可以方便地进行倒闸操作培 训，但这种培训系统硬件要求较高。针对这样的问 题， 有学者开发了纯软件培训模式， 对电气主设备、 间隔层和变电站层全部采用软件仿真，把倒闸操作 培训作为其中的一项重要功能 。通过分析所开发 的仿真培训系统可以发现，现有的大部分仿真培训 系统，针对物理模型、数值模型研究得比较深入， 尤其是数值模型的建模以及模拟方面，但对非数值 模型的仿真，如何模拟人的思维、问题求解、外界 感知的能力考虑较少。 本文正是从考虑运行人员的思维入手，分析了 运行人员在倒闸操作过程中的思维过程，将元认知 理论应用在倒闸操作模拟培训中 ，在培训过程中 用模糊评判系统评估运行人员对倒闸操作的掌握 情况，根据评估情况自动选择培训策略，模拟人在 认知过程中的元认知过程，有效地检测、调控运行 人员的操作，提高运行人员对操作规程的认知和正 确运用规程进行倒闸操作的能力。实现对培训人员
1
[3] [2]
2 元认知在培训系统中的应用
运行人员从学习规程，到在实际操作中应用规 程，在整个过程中，都受到元认知的指导，有相应 的元认知因素发挥作用。所以在培训系统中，模拟 认知过程中的元认知过程，根据信息获取阶段的元 认知自控机制，设计培训系统的培训过程，从分析 运行人员操作过程的思维入手，利用元认知的指导 作用，研制出运行人员培训和指导系统，可以使操 作人员快速了解规程，有效地检测、调控运行人员 的操作，提高运行人员对操作规程的认知和正确运 用规程进行倒闸操作的能力。实现对培训人员培训 的个别化和智能化。 所设计的培训过程如图 1 所示。
z11 z12 z16 B T A (T1 , T2 , T3 ) z21 z22 z26 z31 z32 z36 ( B1 , B2 , B3 , B4 , B5 , B 6 ) (6)
⑹ 计算培训人员对本知识点的掌握情况 M：
基于元认知和模糊综合评判的智能化倒闸操作模拟培训系统
高 博，栗 然
（华北电力大学 电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，河北省 保定市 071003） 摘 要：针对现有倒闸操作培训系统对模拟人的思维、问
培训的个别化和智能化。
题求解考虑较少的问题。从分析运行人员的思维过程入手， 在结合上安电厂开发的培训系统中， 设计了模拟人的认知过 程的智能倒闸操作培训系统。 把操作规程和操作任务表示成 知识点， 利用模糊集理论评判监督运行人员对知识点的掌握 情况。根据倒闸操作培训的特点，设计培训策略，并利用策 略选择算法实现对培训策略的自动选择， 模拟人在认知过程 中的元认知的功能， 对培训人员培训过程进行监督和策略指 导。逐步提高运行人员对倒闸操作规程的掌握和运用水平， 完善专业知识、优化操作策略。实际应用情况表明，该系统 可以满足运行人员自我培训以及技能考核的需要。 关键词：元认知，模糊综合评判，倒闸操作，培训
zi
RiБайду номын сангаас (1)
种题型各项认知能力的评价矩阵：
b.一般重点培训=文本显示+解释+正例+反例+ (3) 模拟操作中每步进行提示 c.讲述=文本显示+解释+正例+反例 d.示例=文本显示+解释+正例 e.略讲=文本显示+解释 系统在对运行人员的状态进行评估后，根据运 行人员的学习情况，自动地调整培训的策略，对运 行人员的认知过程监督和控制，以达到更好得培训 目的。系统引入策略选择算法，自动选择更合适的 培训策略。 3.2 策略选择算法 在培训人员培训了一段时间后，根据前面的学 习效果让系统进行自动培训，使得系统以后遇到类 似水平的培训人员时能够使用自学习得出的培训 方法进行培训。每个知识点都有几种不同的培训策 略(C1,C2,…,Cn)； 根据对培训人员培训的记录， 记载 着不同培训人员在某个知识点的培训情况、选择的 策略和培训的结果。可以表示为 M1（不及格） ，M2 （及格） ，M3（中等） ，M4（良） ，M5 (优)。因而通 过统计记录可得记录表 3 所示：
表 3 培训策略与测试结果分布表
M1 C1 C2 C3 C4 C5 C6 P(Mi) P11 P21 P31 P41 P51 P61 P(M1) M2 P12 P22 P32 P42 P52 P62 P(M2) M3 P13 P23 P33 P43 P53 P63 P(M3) M4 P14 P24 P34 P44 P54 P64 P(M4) M5 P15 P25 P35 P45 P55 P65 P(M5) P(Ci) P(C1) P(C2) P(C3) P(C4) P(C5) P(C6)
1 元认知在认知过程中的所起的作用
元认知理论属于认知科学的范畴。它的开创者 是 Flavell，他认为“元认知是一个人所具有的关于 自己思维活动和学习活动的认知与监控” ，他指出： “元认知通常被广泛地定义为任何以认知过程与 结果为对象的知识，或是任何调节认知过程的认知 活动”[4]。简言之，元认知就是“反映或调节认知 活动任一方面的知识或者认知活动”[5]。 较为成熟的观点是元认知由三部分构成：即元 认知知识、元认知体验和元认知调节控制[6]。元认 知知识是指个体具有的关于认知活动的一般性知 识；元认知体验是指伴随认知活动而产生的认知体 验或情感体验；元认知调节控制包括监督和控制这 两个特征，它是对认知活动积极监督和控制。 从现有的元认知研究可知，元认知监督和元认 知监控发挥着各自的不同作用，而且二者之间还存 在交互作用，Bower（1990）提出“元认知自控机 制”以解释这种交互作用。它主要包括目标状态、 当前状态，比较器和某种控制处理器等几个因素。 目标状态是认知过程中信息需要达到的熟练程度， 当前状态是由元认知中的学会感判断所操纵的掌 控程度，在比较学会感判断输出的当前状态同目标 状态之后，控制性因素被激活用来分配更多的学习 时间。直到达到理想的熟练程度。