艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

（海軍陸戰(zhàn)學(xué)院 廣州 510430）

1 引言

艦船長(zhǎng)的損管決策指揮與應(yīng)急處置能力是其崗位任職的重要能力，直接影響艦船在發(fā)生災(zāi)害時(shí)的生命力。目前，廣泛裝備的損管技能模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)提高戰(zhàn)位人員的損管技能發(fā)揮了重要作用，但系統(tǒng)功能無(wú)法滿足艦船長(zhǎng)的損管決策與組織指揮的訓(xùn)練需求；同時(shí)由于艦船損管訓(xùn)練的特殊性，難以在實(shí)船上進(jìn)行各種復(fù)雜和危險(xiǎn)的損管訓(xùn)練。因此，艦船長(zhǎng)的損管決策指揮訓(xùn)練難以有效開(kāi)展，嚴(yán)重制約了艦船長(zhǎng)損管決策與組織指揮能力的培養(yǎng)與提高。本文以艦船損管決策指揮能力訓(xùn)練為目標(biāo)，基于艦船原理等理論，采用計(jì)算機(jī)仿真、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、多目標(biāo)決策等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了“艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)”。該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)模擬艦船在破損進(jìn)水、火災(zāi)、擱淺等災(zāi)害條件下的損害情況，對(duì)艦船長(zhǎng)的損管決策處置過(guò)程進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，為艦船長(zhǎng)提供了貼近實(shí)際的損管決策與組織指揮訓(xùn)練平臺(tái)，解決了艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練的急需［1］。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)有效地培養(yǎng)和提高了艦船長(zhǎng)的損管決策與組織指揮的崗位任職能力。本文介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用情況。

2 系統(tǒng)組成

2．1 設(shè)計(jì)思路

艦船長(zhǎng)的損管決策是依據(jù)艦船損害的狀態(tài)信息進(jìn)行的。為提高訓(xùn)練的逼真性，必須呈現(xiàn)出艦船發(fā)生損害過(guò)程充分而完備的動(dòng)態(tài)變化信息和逼真的災(zāi)害發(fā)展場(chǎng)景，能夠使受訓(xùn)人員在強(qiáng)烈沉浸感的環(huán)境中進(jìn)行逼真的決策訓(xùn)練，深刻體會(huì)艦船災(zāi)害處置的重要性。為此，該系統(tǒng)主要面向艦船長(zhǎng)訓(xùn)練，采用虛擬的損管戰(zhàn)位和損管組織，突出模擬各種損害發(fā)生過(guò)程的艦船狀態(tài)信息變化，以及損管方案措施實(shí)施后艦船狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)變化，為艦船長(zhǎng)提供逼真的損管決策與組織指揮訓(xùn)練平臺(tái)；考慮到訓(xùn)練的規(guī)模和效益，系統(tǒng)可通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)靈活擴(kuò)展訓(xùn)練單元，同時(shí)組織多個(gè)訓(xùn)練單元開(kāi)展訓(xùn)練。同時(shí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中堅(jiān)持科學(xué)性、整體性、實(shí)用性、可靠性與可拓性原則，使系統(tǒng)充分滿足實(shí)際訓(xùn)練需要。

2．2 組成結(jié)構(gòu)

基于總體設(shè)計(jì)思路，該系統(tǒng)采用教控臺(tái)集中控制多個(gè)訓(xùn)練單元（艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練臺(tái)）的組訓(xùn)方式。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，由教控臺(tái)、多個(gè)訓(xùn)練單元、網(wǎng)絡(luò)通信單位、研討廳和損管綜合數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)總體組成與結(jié)構(gòu)

1）教控臺(tái)

教控臺(tái)對(duì)各損管訓(xùn)練臺(tái)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和管理。并對(duì)研討子系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船損管案例庫(kù)的管理，編輯與生成各種損害訓(xùn)練方案，顯示各訓(xùn)練單元的訓(xùn)練狀態(tài)，控制各訓(xùn)練單元訓(xùn)練進(jìn)程，設(shè)置虛擬損管戰(zhàn)位損管技能訓(xùn)練水平，實(shí)時(shí)記錄訓(xùn)練過(guò)程，以及對(duì)每個(gè)訓(xùn)練單元的損管決策指揮過(guò)程進(jìn)行效果評(píng)估和訓(xùn)練檔案管理等功能。為了相互學(xué)習(xí)和研究對(duì)各種災(zāi)害，特別是典型案例的損管決策和處置方法，教控臺(tái)在研討廳實(shí)時(shí)切換顯示或回放各訓(xùn)練單元的訓(xùn)練過(guò)程，進(jìn)行研討性學(xué)習(xí)交流。教控臺(tái)的控制界面如圖2所示。

2）訓(xùn)練單元

訓(xùn)練單元是艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練的平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)損管決策指揮訓(xùn)練的全部功能，操作界面如圖3所示。通過(guò)接收教控臺(tái)發(fā)送的各種災(zāi)害情況，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示災(zāi)害發(fā)展過(guò)程的艦船狀態(tài)參數(shù)和仿真三維災(zāi)害場(chǎng)景。受訓(xùn)人員通過(guò)動(dòng)態(tài)變化的艦船狀態(tài)參數(shù)信息和災(zāi)害場(chǎng)景，適時(shí)制定損管決策方案并下達(dá)損管指令。訓(xùn)練單元能夠依據(jù)艦船損害發(fā)展規(guī)律和所采取的損管措施，及時(shí)模擬出損管組織實(shí)施效果和艦船狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化信息，為受訓(xùn)人員提供進(jìn)一步的判斷和決策依據(jù)。訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，各訓(xùn)練單元能夠?qū)p管決策處置全過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。教控臺(tái)可動(dòng)態(tài)組織1～24個(gè)訓(xùn)練單元同時(shí)開(kāi)展損管決策指揮訓(xùn)練。

圖2 教控臺(tái)控制界面

圖3 訓(xùn)練單元操作界面

3）損管綜合數(shù)據(jù)庫(kù)

圖4 損管綜合數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

損管綜合數(shù)據(jù)庫(kù)是該訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行的最重要支撐，用于構(gòu)建損管決策指揮訓(xùn)練虛擬環(huán)境，表示艦船損害的發(fā)展與處置的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為艦船長(zhǎng)的損管決策指揮訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)。由知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，如圖4所示。知識(shí)庫(kù)構(gòu)建了各種損害的處置條例、規(guī)則與方法，專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和訓(xùn)練效果評(píng)估規(guī)則等內(nèi)容，為各種損害的損管方案提供輔助決策和訓(xùn)練效果評(píng)估提供依據(jù)；模型庫(kù)構(gòu)建立了各種損害描述和發(fā)展模型、損管組織指揮控制模型、艦船艙室三維模型等，以支持艦船各種損害計(jì)算、狀態(tài)信息和災(zāi)害發(fā)展場(chǎng)景的描述；數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了各種艦船的特征數(shù)據(jù)和艙室結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，虛擬的損管戰(zhàn)位和損管組織的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練方案、參訓(xùn)人員訓(xùn)練情況記錄等，為訓(xùn)練全過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持。

3 主要功能

3．1 防沉與抗沉決策指揮訓(xùn)練

防沉與抗沉訓(xùn)練功能由加固隔墻模塊、堵漏與排水模塊、平衡艦體等模塊構(gòu)成。參訓(xùn)人員通過(guò)對(duì)破損部位、破口類型、自由液面、穩(wěn)性、浮性、艦船姿態(tài)等信息做出綜合判斷，依據(jù)本艦（船）虛擬的損管戰(zhàn)位和所配置損管器材情況，運(yùn)用系統(tǒng)提供的加固隔墻、堵漏、排水、封閉艙室、導(dǎo)移載荷、排出載荷、對(duì)角灌注、對(duì)稱灌注、消除自由液面等多種自由組合的方法，作出損管決策方案；同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)施的損管方案、艦船狀態(tài)參數(shù)、虛擬損管人員調(diào)度情況和平衡艦體效果等多個(gè)因素，對(duì)參訓(xùn)人員的防沉與抗沉訓(xùn)練情況進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估，實(shí)現(xiàn)在不同的損害狀態(tài)下的損管決策指揮訓(xùn)練。

3．2 防火與滅火決策指揮訓(xùn)練

防火與滅火訓(xùn)練功能主要由火災(zāi)類型模塊和火災(zāi)干預(yù)模塊構(gòu)成。參訓(xùn)人員通過(guò)對(duì)火災(zāi)種類信息、特征信息進(jìn)行綜合分析，依據(jù)滅火原則，運(yùn)用系統(tǒng)提供的水消防滅火、各種滅火器材、艦船消防系統(tǒng)滅火、封艙滅火等多種滅火方法，作出損管決策方案，并根據(jù)火災(zāi)的控制效果確定是否采取進(jìn)一步措施；系統(tǒng)依據(jù)參訓(xùn)人員的反應(yīng)速度、對(duì)火災(zāi)特性的判斷、滅火方法、滅火效果等多個(gè)方面對(duì)參訓(xùn)人員的防火與滅火訓(xùn)練情況進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜火災(zāi)災(zāi)害下的防火與滅火決策指揮訓(xùn)練。

3．3 擱淺與脫淺決策指揮訓(xùn)練

擱淺與脫淺訓(xùn)練功能主要由擱淺類型、自力脫淺和外援脫淺等模塊構(gòu)成。參訓(xùn)人員通過(guò)對(duì)艦船擱淺海區(qū)、水文、氣象和艦船擱淺狀態(tài)信息的分析，綜合運(yùn)用系統(tǒng)提供的平衡艦體、增加浮力、提高穩(wěn)性等手段，自力脫淺或拖船拖帶脫淺等方法，制定脫淺決策方案，系統(tǒng)根據(jù)艦船脫淺效果對(duì)參訓(xùn)人員的擱淺與脫淺訓(xùn)練情況進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了在不同擱淺狀態(tài)下保持艦艇穩(wěn)性、浮性、安全脫淺的決策指揮訓(xùn)練。

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

4．1 艦船艙室量化

艦船艙室數(shù)據(jù)參數(shù)量化是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)工作，工作量大且要求高，直接關(guān)系到模擬計(jì)算的逼真性。該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)涵蓋的所有艦船艙室數(shù)據(jù)均進(jìn)行了量化處理，在艙室量化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用對(duì)象鏈表技術(shù)構(gòu)建了全艦船艙室結(jié)構(gòu)圖，艙室數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲(chǔ)格式如圖5所示。

圖5 艦艇艙室數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)視圖

受訓(xùn)者通過(guò)艙室結(jié)構(gòu)圖可以隨時(shí)了解全艦艙室參數(shù)信息，主要包括：艙室名稱、類型、體積、破口位置、破口等效半徑、火災(zāi)類型、火災(zāi)等級(jí)、火焰中心溫度、煙氣濃度、艙壁溫度、火焰蔓延方向等。這些數(shù)據(jù)信息使受訓(xùn)者的決策指揮過(guò)程更具科學(xué)依據(jù)，使訓(xùn)練過(guò)程更加貼近實(shí)際情況。

4．2 破損進(jìn)水非線性計(jì)算模型構(gòu)建

破損進(jìn)水是一項(xiàng)非常復(fù)雜的非定常、非線性問(wèn)題。破損剛開(kāi)始時(shí)，由于艦艇內(nèi)外壓差較大，其進(jìn)水速度非?？?，隨著艦艇艙室水位的升高，艦艇內(nèi)外水壓差減小，艦艇的進(jìn)水速度將逐漸減小，其進(jìn)水速度將呈非線性變化［2］。該系統(tǒng)通過(guò)建立進(jìn)水流量與水位升高之間的關(guān)系，建立微分方程，再利用差分的方法對(duì)每一時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，獲得較為精確的結(jié)果；對(duì)于艦船橫截面舭部以下呈現(xiàn)曲線形狀，通過(guò)曲線擬合的方式，找出水位高度變化與橫截面形狀之間的函數(shù)關(guān)系，比較逼真地表現(xiàn)了艦船破損進(jìn)水非線性過(guò)程［3］。

通過(guò)采用非線性數(shù)值技術(shù)方法，對(duì)艦船不同位置、形狀、大小和的破損進(jìn)水進(jìn)行模擬量化，構(gòu)建了艦船破損模型庫(kù)，能夠?qū)崟r(shí)反映艦船浮態(tài)與穩(wěn)性的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程［4］。

4．3 火災(zāi)場(chǎng)干預(yù)模型構(gòu)建

艦船火災(zāi)主要有密閉艙室火災(zāi)、開(kāi)放式火災(zāi)、通風(fēng)受限制火災(zāi)，該系統(tǒng)對(duì)三種類型的火災(zāi)分別進(jìn)行模擬［5］。

1）艦船火災(zāi)場(chǎng)模型構(gòu)建思路

艦船火災(zāi)場(chǎng)模型是三維的非定常模型，采用FDS軟件計(jì)算結(jié)果與Fluent數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)艦船火災(zāi)場(chǎng)特性與發(fā)展規(guī)律進(jìn)行描述，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了火災(zāi)場(chǎng)干預(yù)模型［6］。模型可真實(shí)反映滅火器材的性能及火災(zāi)場(chǎng)在干預(yù)作用下的發(fā)展規(guī)律。

2）艦船火災(zāi)場(chǎng)模型構(gòu)建方法

通過(guò)建立模型艙與原型艙的幾何相似、時(shí)間相似、排煙體積流率相似和火災(zāi)熱量相似等關(guān)系；基于相似關(guān)系，建立了原型艙火災(zāi)場(chǎng)模型，然后由火災(zāi)場(chǎng)模型，構(gòu)建原型艙的火災(zāi)場(chǎng)干預(yù)模型，采用Fluent軟件對(duì)艙室模型的油火發(fā)展規(guī)律及滅火后各種煙氣濃度進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與原型艙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，其模型構(gòu)建方法能夠逼真地對(duì)火災(zāi)場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律及其干預(yù)過(guò)程進(jìn)行仿真［7］。

4．4 三維視景仿真實(shí)現(xiàn)

采用3dmax軟件制作系統(tǒng)中的三維模型，基于Vega軟件平臺(tái)對(duì)模型動(dòng)態(tài)渲染，通過(guò)調(diào)用Vega軟件包中的粒子特效函數(shù)庫(kù)動(dòng)態(tài)生成系統(tǒng)中的天氣、煙、火、破口進(jìn)水等效果，為參訓(xùn)人員提供具有強(qiáng)烈沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境。其中，艦船主機(jī)艙破損進(jìn)水效果如圖6所示，配電室起火仿真效果如圖7所示。

圖6 主機(jī)艙破損進(jìn)水初、中期效果圖

圖7 配電室起火初、中期效果圖

5 訓(xùn)練過(guò)程

系統(tǒng)的訓(xùn)練流程如圖8所示。教控臺(tái)和各訓(xùn)練單元之間的組織流程可以描述為［8］

1）教控臺(tái)組訓(xùn)人員依據(jù)訓(xùn)練需要，通過(guò)損管訓(xùn)練方案庫(kù)選擇或在線編輯損害情況等方式生成訓(xùn)練方案，發(fā)出損管警報(bào)并將艦船的損害訓(xùn)練方案發(fā)送到各個(gè)訓(xùn)練單元。

2）訓(xùn)練單元接收教控臺(tái)發(fā)送的損害訓(xùn)練方案信息，生成虛擬仿真訓(xùn)練環(huán)境，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)發(fā)生損害艦船狀態(tài)信息和逼真的災(zāi)害發(fā)展場(chǎng)景，為受訓(xùn)人提供具有強(qiáng)烈沉浸感的損管決策訓(xùn)練環(huán)境。

圖8 損管訓(xùn)練流程圖

3）各訓(xùn)練臺(tái)參訓(xùn)人員對(duì)艦船損害情況進(jìn)行綜合分析，制定損管決策方案并下達(dá)損管指令，通過(guò)系統(tǒng)提供的虛擬損管組織、損管戰(zhàn)位和損管器材，組織指揮損管方案的實(shí)施。

4）損管方案實(shí)施過(guò)程中，訓(xùn)練臺(tái)動(dòng)態(tài)顯示艦船的狀態(tài)信息［9］，參訓(xùn)人員判斷損害的處置結(jié)果，進(jìn)一步損管決策，繼續(xù)采取相應(yīng)的措施。

5）在參訓(xùn)人員完成損管決策指揮訓(xùn)練過(guò)程后，系統(tǒng)依據(jù)艦艇的生命力指標(biāo)和損管綜合數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)庫(kù)規(guī)則，對(duì)參訓(xùn)人員進(jìn)行全過(guò)程訓(xùn)練效果評(píng)估。

6 結(jié)語(yǔ)

“艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練模擬系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解決了艦船長(zhǎng)開(kāi)展損管決策指揮訓(xùn)練缺少模擬訓(xùn)練器材的難題。通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，取得比較逼真的模擬訓(xùn)練效果，為艦船長(zhǎng)的損管決策指揮訓(xùn)練提供有效的訓(xùn)練平臺(tái)。該系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，受訓(xùn)人員深入了解了艦船災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程，熟練掌握艦艇災(zāi)害發(fā)生后，如何辨識(shí)和控制災(zāi)害的主要矛盾，明顯縮短了艦船長(zhǎng)損管決策能力的培養(yǎng)周期，促進(jìn)了艦船長(zhǎng)損管能力與水平的提高。然而，完善系統(tǒng)還有許多工作需要深入研究，如破損非線性離散和火災(zāi)場(chǎng)的模擬粒度等問(wèn)題［10］，進(jìn)一步提高模擬的逼真度是今后深入研究的方向。

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