艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)研究

1 引 言

為了在戰(zhàn)斗破損或火災等緊急情況下有效地保持艦艇的生命力，需要全艦人員在技術與心理上作好充分的準備。為此，艦艇抗沉與滅火等損害管制行動的日常訓練是一個極為重要與關鍵的問題。這種訓練不僅包括士兵一級的損管技能和崗位協(xié)同訓練，而且還包括艦長、副長和機電長等指揮員處理各種損害情況的損管指揮能力的訓練。

由于抗沉與滅火訓練的特殊性，一般無法在實船上進行實操。因此，在損管模擬器中的訓練是各國對艦員和指揮人員進行訓練與考核的主要手段。為了使艦員在損管模擬器中的訓練接近實戰(zhàn)，研究和設計出集仿真、自動控制、信息綜合處理于一體的智能化多功能的艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)設計

2.1 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，該系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)，即設施層、監(jiān)控層及信息處理層[1]。

圖1 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

1) 設施層。整體建筑結(jié)構(gòu)是模擬艦艇的一個艙段。損管場所分兩類艙室：抗沉艙室(破口堵漏、管路包扎、排水及水下作業(yè)訓練)，滅火艙室(滅火訓練)。根據(jù)艙室訓練功能的不同，配置相應的設施(如各種艙室破口，各種破損管路，排水設施，水下作業(yè)平臺，通風管路，配電箱，供油管路及閥門，各種滅火系統(tǒng)等)。

2) 監(jiān)控層。負責數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場設備的監(jiān)測控制。數(shù)據(jù)采集主要是各種傳感器實時采集現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場采集到的各種數(shù)據(jù)及系統(tǒng)設備運行的邏輯關系控制現(xiàn)場內(nèi)設備的運行狀態(tài)。

3) 信息處理層。由中央處理計算機、數(shù)據(jù)庫服務器、各級損管指揮部位的通訊設備及控制顯示終端、監(jiān)控軟件及智能輔助決策軟件等組成。在訓練開始之前，它能夠制定訓練方案；能夠?qū)崿F(xiàn)對控制設備進行高速有效的監(jiān)測和控制；能夠應用智能信息處理技術對實時采集的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的相關信息在形成決策的同時把挖掘出的新的有價值的數(shù)據(jù)存儲在相應的數(shù)據(jù)庫中，以完善數(shù)據(jù)庫。指揮員在中央控制室就能實現(xiàn)對全局的指揮調(diào)度和集中監(jiān)控。

2.2 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)的軟件功能

軟件界面突出人機交互性，應用組態(tài)軟件技術、虛擬儀器技術實現(xiàn)逼真動態(tài)數(shù)據(jù)顯示，應用基于VB編程的OpenGL技術實現(xiàn)三維動態(tài)船體狀態(tài)顯示。軟件功能具體如下：

1) 發(fā)布訓練方案。由訓練專家設計方案庫，程序員對其進行編程，并添加在數(shù)據(jù)庫中?？筛鶕?jù)不同的訓練科目和難度系數(shù)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應方案。由中央處理計算機運行程序傳送到現(xiàn)場控制器形成想定災害，開始進行訓練。

2) 三維動畫顯示船體狀態(tài)和動態(tài)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中船體數(shù)據(jù)、海況的假想數(shù)據(jù)和實時的災害監(jiān)測數(shù)據(jù)，在不同的損管實施階段實時顯示不同的船體狀態(tài)。

3) 損管指揮訓練功能。損管指揮訓練包括艦艇防沉指揮訓練和艦艇火災指揮訓練。艦艇防沉指揮訓練功能包括平日防沉、破損防沉，操作后安全性評估、災害發(fā)展預報和智能輔助決策。艦艇火災指揮訓練系統(tǒng)功能：艦艇火災種類信息、重要艙室設備信息、火災處置安全評估、火災蔓延預報和智能輔助決策。

4) 訓練評價。該系統(tǒng)有一套客觀的考核評價系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)能分析出訓練人員的損管技能、應變能力、身體素質(zhì)和指揮能力等，從而提出針對性極強的改進訓練計劃，為下次訓練作指導。

2.3 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)基本設施建設思路

艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)建筑物。它模擬艦艇的1個艙段，共分3層甲板，如圖2。頂層甲板設直升機庫以模擬驅(qū)護艦飛行甲板及機庫的消防滅火，以及設有通風機艙。2層甲板布置有損管站、醫(yī)務室、艦長指揮室、動力損管部位和各種通道，可作為損管集控中心和損管隊集結(jié)地。3層甲板是受訓人員進行損管的場所，分隔成多個艙室：發(fā)電機艙(破口堵漏、管路包扎、支撐訓練、排水及潛水作業(yè)訓練)、士兵住艙(破口堵漏、管路包扎、排水及支撐訓練)、主機艙(火災模擬艙)及觀察區(qū)域。在觀測區(qū)域能夠全面觀測災害情況和受訓人員的損管活動情況。3層甲板以下設置各種管路、傳感器和閥件等。

圖2 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)示意圖

2.4 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)在功能方面的具體組成

該系統(tǒng)主要由抗沉訓練系統(tǒng)、滅火訓練系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、損管指揮訓練系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。

抗沉訓練系統(tǒng)既可完成崗位的抗沉技能訓練，又能滿足全船損管抗沉協(xié)同訓練的需求；滅火訓練系統(tǒng)為全體艦員提供滅火的基本技能，特別是能模擬艦艇火災的全過程；中央控制系統(tǒng)主要是對抗沉、滅火等現(xiàn)場進行監(jiān)測控制和完成各戰(zhàn)位之間的通訊與指揮；損管指揮訓練系統(tǒng)為艦艇指揮人員提供在艦艇破損和火災情況下的損管指揮能力訓練。

2.5 采用的關鍵技術

1) 建立三維動態(tài)船體模型[2]。運用基于VB的OpenGL技術構(gòu)建艦艇模型。艦艇狀態(tài)顯示運用VB編寫程序，從建立的船型模型數(shù)據(jù)庫和實時監(jiān)測系統(tǒng)讀入數(shù)據(jù)，通過OpenGL庫函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)渲染場景，實現(xiàn)船體狀態(tài)隨災害情況和損管實施階段的不同而實時顯示。

2) 智能輔助決策。運用數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合理論對災害情況進行輔助決策[3]。

3) 建立相關數(shù)據(jù)庫。如知識庫、模型庫、方法庫、訓練方案庫、船型數(shù)據(jù)庫等。模型庫和方法庫為各種分析工具提供指導，知識庫中的知識不僅可以指導新知識的發(fā)現(xiàn)，也可以不斷得到新知識的充實。訓練方案庫為訓練提供不同的訓練科目和不同難度系數(shù)的訓練。

3 艦艇損管綜合訓練系統(tǒng)在艦員培訓中的應用

該系統(tǒng)不僅能對艦員進行單項的基本技能訓練，而且還能對指揮員和艦員及艦員之間的協(xié)同進行訓練。其訓練流程如下[4]：

1) 由中央處理計算機對損害情況進行設定，完成任務想定和訓練命令下達，運行程序并傳達到現(xiàn)場控制器形成想定的損害情況。

2) 由數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)對損害現(xiàn)場環(huán)境的各項參數(shù)進行實時檢測，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街醒胩幚碛嬎銠C，并在各損管指揮部位的顯示終端上予以顯示，讓受訓指揮人員指揮艦員進行損管動作。

3) 中央處理計算機接收到各項參數(shù)后，其所配備的智能輔助決策軟件能及時判斷火災和破損情況，根據(jù)判斷結(jié)果做出最優(yōu)化的損管措施決策，并將決策方案結(jié)果傳輸給受訓指揮員供其參考[5]。

4) 指揮員做出最終決策，執(zhí)行控制設備和指揮艦員進行損管。中央處理計算機將其損管情況進行監(jiān)測和顯示，并做出成績評定。

4 艦員成績評定方法的研究和實現(xiàn)

4.1 堵漏訓練成績評定

1) 堵漏成績的構(gòu)成

評定堵漏成績主要由堵漏的速度、進水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)等因素構(gòu)成。堵漏的速度是將破口堵好用的時間越短其成績應越高。進水量是從開始堵漏的瞬間起到堵漏完畢這段時間之內(nèi)艙內(nèi)的進水量，顯然進水量越少其成績應越高。戰(zhàn)斗姿態(tài)，在堵漏過程中受訓人員的戰(zhàn)斗姿態(tài)，如口令是否洪亮、器材應用是否正確、動作是否準確等，此項成績由教練員現(xiàn)場給定。

以上因素的權重可以根據(jù)訓練側(cè)重點不同由教練員設定。首先應考慮的是時間因素，其次是進水量，最后是戰(zhàn)斗姿態(tài)。

設W1，W2，W3分別表示時間、進水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)的權重，則它們滿足：W1+W2+W3=1，W1>W2>W3>0。

2) 用時因素和進水量因素成績的評定方法

對于特定破口及不同的堵漏環(huán)境條件(如不同壓力、有無燈光、初學者與熟練者等)，教練員可以設定堵漏時限下限X1和堵漏時限上限X2，當堵漏所用時間X少于下限X1，即XX2時，認為堵漏失敗，用時得分Y為0分，堵漏用時在兩者之間(X1≤X≤X2)，用時得分Y為0～100分之間的線性插值。用下式計算：

(1)

進水量因素成績采用與評定用時因素成績相類似的方法設定最少進水量下限和上限，進水量少于下限為滿分，進水量超過上限認為艙室被淹，堵漏失敗，進水量因數(shù)成績?yōu)?分。

3) 堵漏難度系數(shù)

根據(jù)堵漏后的滲漏率，可以為堵漏成績設難度系數(shù)k。對于某一特定破口，根據(jù)熟練操作人員與初學者的差異設置下限流量最小值Qmin和下限流量最大值Qmax，難度系數(shù)k就是該次堵漏所設定的下限流量Q與最小值Qmin和最大值Qmax之間的相對難易程度。難度系數(shù)k用下式計算：

(2)

4) 總成績的評定

設P1，P2，P3分別表示用時、進水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)的分成績，W1，W2，W3分別表示時間、進水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)的權重，若不考慮難度系數(shù)，堵漏總成績P為：

P=W1·P1+W2·P2+W3·P3

(3)

若計入難度系數(shù)k，則總成績Pk為：

Pk=k(W1·P1+W2·P2+W3·P3)

(4)

應用Visual Basic 6.0編寫堵漏訓練成績評估系統(tǒng)軟件，其中成績評估界面如圖3。

圖3 堵漏訓練成績評估界面

4.2 滅火訓練成績評定

評定滅火訓練成績主要由滅火的速度和戰(zhàn)斗姿態(tài)等因素構(gòu)成。

1) 滅火的速度。將火撲滅用的時間越短成績應越高。評定方法：“點火”開關打開后，程序自動獲取艙室溫度，并設為初始溫度，艙室溫度逐步上升，當上升的溫差達到“燃燒點溫差值R”時，程序自動取得“開始時間t1”，參訓人員開始滅火。滅火期間，燃燒點溫度繼續(xù)上升，上升到最大值時燃燒點溫度會逐漸下降，當下降的溫差達到“火熄滅溫差值M”時，程序認為火已被撲滅，并自動取得“截止時間t2”，將“截止時間t2”與“開始時間t1”相減得“滅火時間Tm”，即：Tm=t2-t1。

火撲滅時“滅火評分值Hm”的確定方式：

(5)

式中，T2是“最短滅火時間”，T1是“最長滅火時間 ”。

2) 戰(zhàn)斗姿態(tài)。在滅火訓練過程中，受訓人員的戰(zhàn)斗姿態(tài)，如口令是否洪亮、器材應用是否正確、動作是否準確等，此項成績由教練員現(xiàn)場給定。

參訓人員“動作表現(xiàn)評分值B”的確定：訓練結(jié)束時，指揮員要對參訓人員在訓練過程中的表現(xiàn)、動作正確性進行現(xiàn)場評分，程序自動打開“操作步驟評分表”(含“滅火手段”)，供指揮員填表中的各個單項值，單項值之和為0～100的整數(shù)值。

以上兩個因素的權重可以根據(jù)訓練側(cè)重點、訓練科目的難易程度、訓練大綱的要求和部隊的實際情況的不同由教練員設定。首先應考慮的是時間因素，其次是戰(zhàn)斗姿態(tài)。設N，P分別表示滅火時間和戰(zhàn)斗姿態(tài)的權重，則它們滿足：N+P=1，N>P>0。

3) 總成績評定。訓練成績F的計算公式：F=Hm×N+B×P；最后得到的是0.00～100之間的值(小數(shù)位2位)；應用Visual Basic 6.0編寫滅火訓練成績評估系統(tǒng)軟件。

5 結(jié)束語

艦艇損管是預防或減少艦艇災害帶來的損失以確保艦艇生命力的一項重要工作。損管綜合訓練系統(tǒng)的建設是迫切的，這就需要我們深入研究、結(jié)合實際，不斷完善系統(tǒng)功能，最終將系統(tǒng)建設成集損管指揮與技能訓練、訓練研究、理論研究、實操與虛擬仿真、自動控制、信息綜合處理于一體的智能化多功能損管綜合訓練系統(tǒng)，大幅度提高艦員的訓練質(zhì)量。

[1] 郭華芳，李智文.消防模擬訓練系統(tǒng)初探[J].消防科學與技術,2007,26(1):86-88.

[2] 陸錦輝，張敏.主推進系統(tǒng)實船訓練系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].上海艦艇運輸科學研究所,2006,29(1)：6-13.

[3] 任明侖，朱衛(wèi)東，等.智能決策支持系統(tǒng):研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].系統(tǒng)工程學報，2002,17(5):430-440.

[4] 邱金水，浦金云，陳兆良.艦艇損管監(jiān)控系統(tǒng)與損管訓練[M].武漢:海軍工程大學出版社,2001.

[5] 劉俊，浦金云.艦艇損管決策及自動化控制[J].艦艇與海洋工程研究總集，2001(143):1-2.