水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳智慧

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳智慧

(武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

描述了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)和功能架構(gòu)。該系統(tǒng)可代替實(shí)裝，完成不同火災(zāi)場景下的水罐消防車技術(shù)訓(xùn)練。軟件的開發(fā)為解決大型消防裝備訓(xùn)練機(jī)會(huì)少、成本高和危險(xiǎn)性大等問題提供解決方案。

水罐消防車；模擬訓(xùn)練；OpenGL；火災(zāi)場景；考核評(píng)判

0 引言

針對(duì)大型消防裝備訓(xùn)練存在著成本高、危險(xiǎn)性大、機(jī)會(huì)少等問題，研究人員以水罐消防車作為典型案例[1-2]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套桌面計(jì)算機(jī)模擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，使用者不僅能夠以自主漫游和觀看三維動(dòng)畫演示的形式學(xué)習(xí)車輛結(jié)構(gòu)和功能原理[3-4]，還可在專業(yè)逼真的虛擬仿真訓(xùn)練環(huán)境中，完成水罐消防車各環(huán)節(jié)單人操作和不同典型火災(zāi)場景下班組協(xié)同操作的訓(xùn)練科目。訓(xùn)練過程中，計(jì)算機(jī)可完成各操作節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)記錄并據(jù)此完成考核成績的自動(dòng)評(píng)判，不僅能夠?yàn)槭褂谜咛峁┱_操作的引導(dǎo)，還可提供可選的操作訓(xùn)練記錄回放功能，以便于隨時(shí)、多角度觀看操作訓(xùn)練過程。水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)使用Java與C++語言開發(fā)，基于成熟圖形圖像處理技術(shù)OpenGL進(jìn)行擴(kuò)展，并采用易于部署、使用、維護(hù)的B/S技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了仿真教學(xué)、操作訓(xùn)練、過程記錄回放和自動(dòng)評(píng)分考核等建設(shè)目標(biāo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)

為了使用、部署和升級(jí)方便，水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)參照分布式仿真體系HLA，采用B/S和C/S相結(jié)合的方式進(jìn)行構(gòu)架。B/S主要負(fù)責(zé)模擬訓(xùn)練的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、人員權(quán)限管理、系統(tǒng)管理等，訓(xùn)練的控制和仿真采用C/S架構(gòu)。

系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸由基于TCP/IP的分布式網(wǎng)絡(luò)支撐。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)庫的訪問管理。文件服務(wù)器為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供場景文件、模型文件、記錄文件的存儲(chǔ)與傳輸。HLA服務(wù)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的通信傳輸和數(shù)據(jù)計(jì)算。應(yīng)用服務(wù)器主要用作部署基于B/S管理系統(tǒng)，功能包括模擬訓(xùn)練的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、人員權(quán)限管理等公共功能。各仿真終端采用高端圖形工作站進(jìn)行演練的硬件系統(tǒng)支撐?？紤]安全性問題，服務(wù)器都采用集群或負(fù)載均衡的方式，以防止數(shù)據(jù)意外丟失和演練過程中斷。

按照功能的組織方式和執(zhí)行層次，水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部功能可劃分為數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)運(yùn)算、通用信息管理、導(dǎo)調(diào)臺(tái)、演示臺(tái)、訓(xùn)練臺(tái)、評(píng)估臺(tái)等共六個(gè)部分，如圖1所示。

數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)運(yùn)算用于完成HLA的基本功能，實(shí)現(xiàn)模擬仿真各組成部分和訓(xùn)練終端的信息集成、通信與控制。通用信息管理是基于B/S的管理系統(tǒng)，完成通用的數(shù)據(jù)管理與維護(hù)、人員權(quán)限管理和系統(tǒng)管理等。導(dǎo)調(diào)臺(tái)負(fù)責(zé)引導(dǎo)和管理訓(xùn)練的全過程，完成模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、任務(wù)調(diào)度和后臺(tái)維護(hù)，包括訓(xùn)練場景管理、訓(xùn)練任務(wù)管理、訓(xùn)練過程控制和成員管理。演示臺(tái)完成模擬訓(xùn)練中各種操作演示、設(shè)備結(jié)構(gòu)演示和模擬仿真訓(xùn)練講解演示等功能，包括模擬仿真訓(xùn)練演示和結(jié)構(gòu)原理仿真演示。訓(xùn)練臺(tái)用于接收指揮控制的指令，按照訓(xùn)練方案，執(zhí)行特定的訓(xùn)練任務(wù)，包括訓(xùn)練準(zhǔn)備模擬仿真訓(xùn)練操作和班組協(xié)同仿真訓(xùn)練。評(píng)估臺(tái)承擔(dān)訓(xùn)練過程中的各項(xiàng)記錄任務(wù)，完成對(duì)訓(xùn)練效果的評(píng)估，包括仿真訓(xùn)練檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)、訓(xùn)練考核規(guī)則設(shè)置、訓(xùn)練過程記錄和訓(xùn)練過程回放。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)借鑒分層體系架構(gòu)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，將不同的系統(tǒng)功能劃分到不同層級(jí)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，低層級(jí)功能為高層級(jí)提供有效支撐。系統(tǒng)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、信息資源層、基礎(chǔ)支撐層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和系統(tǒng)對(duì)外接口六個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供具體的軟硬件環(huán)境支撐，包括服務(wù)器與存儲(chǔ)、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施四個(gè)部分。信息資源層為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)支撐，針對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需要，主要包括仿真數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和主題數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)支撐層包括三維虛擬現(xiàn)實(shí)引擎、推理機(jī)引擎、腳本引擎、考核評(píng)估引擎、分布式仿真支撐五個(gè)組成部分?；A(chǔ)支撐層主要為訓(xùn)練系統(tǒng)的模塊功能提供理論和邏輯支撐，是整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的靈魂。應(yīng)用支撐層實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練過程的模擬仿真和控制，為最終的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提供功能支撐，主要包括三維視景、訓(xùn)練場景編輯、訓(xùn)練任務(wù)控制、腳本開發(fā)、記錄回放、考核評(píng)估、儀表仿真、人物仿真、態(tài)勢顯示和通訊等共10個(gè)模塊。業(yè)務(wù)應(yīng)用層面向最終用戶，在各支撐層的基礎(chǔ)之上，通過建立訓(xùn)練預(yù)案、想定，建立對(duì)應(yīng)的三維場景模型和人物仿真模型，并結(jié)合業(yè)務(wù)要求和業(yè)務(wù)特點(diǎn)，融合訓(xùn)練的業(yè)務(wù)流程，開展對(duì)應(yīng)的模擬訓(xùn)練活動(dòng)。

為確保訓(xùn)練系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的互聯(lián)互通，系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)采用以服務(wù)集成為核心，數(shù)據(jù)集成為基礎(chǔ)，功能集成為補(bǔ)充的多種集成手段。服務(wù)集成以發(fā)布和調(diào)用SOA服務(wù)方式來實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間主動(dòng)、實(shí)時(shí)的獲取所需信息。功能集成主要以提供本地API、ActiveX控件等方式與外部系統(tǒng)集成，來調(diào)用外部系統(tǒng)的相應(yīng)功能。數(shù)據(jù)集成則以各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)庫或采取數(shù)據(jù)同步工具方式實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)功能

水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)以某型號(hào)水罐消防車為教學(xué)對(duì)象，以低層建筑火災(zāi)撲救、高層建筑火災(zāi)撲救和著火罐冷卻為協(xié)同訓(xùn)練背景，通過虛擬仿真技術(shù)把教學(xué)對(duì)象、教學(xué)內(nèi)容、教員指導(dǎo)、學(xué)員訓(xùn)練和檢驗(yàn)評(píng)估有機(jī)地融合為一體，形成一部生動(dòng)形象的水罐消防車教科書和一個(gè)可操作、可練習(xí)、可測評(píng)的水罐消防車操作訓(xùn)練場，切實(shí)滿足教員、學(xué)員對(duì)水罐消防車“教”“學(xué)”“練”“考”四個(gè)方面的教學(xué)需要。

水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)原理演示臺(tái)、訓(xùn)練演示臺(tái)、單環(huán)節(jié)訓(xùn)練操作臺(tái)、班組協(xié)同訓(xùn)練操作臺(tái)、訓(xùn)練檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)臺(tái)、過程控制與回放及系統(tǒng)管理七部分組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)原理演示臺(tái)

結(jié)構(gòu)原理演示臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了含消防車整體外觀、發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤、乘員室、水罐、引水裝置、水泵與管路系統(tǒng)、水泵裝置的動(dòng)力傳動(dòng)與操縱系統(tǒng)、儀表、附加裝置、器材廂等共10項(xiàng)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)演示，采用三維模擬仿真場景動(dòng)畫、語音講解和字幕顯示融為一體的方式，生動(dòng)形象地向?qū)W員講授和演示水罐消防車整體、各部分結(jié)構(gòu)組成及運(yùn)行原理的專業(yè)理論知識(shí)。

2.2 訓(xùn)練演示臺(tái)

訓(xùn)練演示臺(tái)采用全三維動(dòng)畫展示水罐消防車操作訓(xùn)練流程，同時(shí)輔以語音講解和字幕顯示，向?qū)W員介紹消防車及相關(guān)設(shè)備的正確操作方法和操作注意事項(xiàng)。

訓(xùn)練演示臺(tái)涉及駐車操作、鋪設(shè)供水線路、取水操作、射水操作和特殊條件下操作等五個(gè)方面，包括沿地面鋪設(shè)水帶、利用水罐取水、水帶水槍射水和球閥加熱等共13個(gè)環(huán)節(jié)的操作演示內(nèi)容。

2.3 單環(huán)節(jié)訓(xùn)練操作臺(tái)

與訓(xùn)練操作演示臺(tái)相應(yīng)，單環(huán)節(jié)訓(xùn)練操作臺(tái)針對(duì)水罐消防車操作過程中13個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)模擬真實(shí)的仿真操作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)完全自主控制的單環(huán)節(jié)操作訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中系統(tǒng)對(duì)于出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作會(huì)給出相應(yīng)提示，并記錄下來，進(jìn)行后續(xù)的操作評(píng)分。對(duì)于可能引起車輛損壞和造成人員事故的嚴(yán)重錯(cuò)誤，系統(tǒng)將會(huì)終止當(dāng)前訓(xùn)練。

2.4 班組協(xié)同訓(xùn)練操作臺(tái)

該部分構(gòu)建一個(gè)全功能模擬仿真環(huán)境，虛擬不同的水罐消防車應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)多使用人在局域網(wǎng)環(huán)境內(nèi)協(xié)同參與訓(xùn)練。該功能模塊遵循HLA架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的分布式模擬仿真。

學(xué)員進(jìn)入?yún)f(xié)同訓(xùn)練操作臺(tái)后，可利用訓(xùn)練設(shè)置功能對(duì)仿真場景進(jìn)行預(yù)先定義，然后根據(jù)不同應(yīng)用的仿真場景確定供水方案，并根據(jù)選擇的不同角色，進(jìn)入仿真場景進(jìn)行綜合訓(xùn)練。該功能模塊構(gòu)建了一車兩槍撲救低層建筑火災(zāi)、一車兩槍撲救高層建筑火災(zāi)、一車一炮冷卻著火罐等三種不同的消防車班組訓(xùn)練科目。

2.5 訓(xùn)練檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)臺(tái)

訓(xùn)練檢驗(yàn)評(píng)測臺(tái)提供組織考核和查詢操作成績的功能。該模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了測評(píng)計(jì)劃安排、測評(píng)結(jié)果人工評(píng)定和自動(dòng)評(píng)定、測評(píng)結(jié)果查詢等四項(xiàng)內(nèi)容。測評(píng)計(jì)劃安排可以預(yù)先制定班組協(xié)同訓(xùn)練的測評(píng)計(jì)劃，提供測評(píng)信息的編制、修改、刪除和查詢。測評(píng)結(jié)果人工評(píng)定為教員提供操作訓(xùn)練人工評(píng)判的功能。測評(píng)結(jié)果自動(dòng)評(píng)定則是系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的考核規(guī)則實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打分的過程。所有測評(píng)計(jì)劃及其操作結(jié)果都可以在測評(píng)結(jié)果查詢功能里進(jìn)行查詢觀看。

2.6 過程控制與回放

過程控制與回放主要用于回放記錄、重演訓(xùn)練過程，在訓(xùn)練過程中能記錄每個(gè)學(xué)員的整個(gè)訓(xùn)練過程，包括所有的事件細(xì)節(jié)、處理過程等。記錄策略可由教員統(tǒng)一設(shè)定，記錄結(jié)果統(tǒng)一存放在數(shù)據(jù)庫中。該模塊對(duì)訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行存儲(chǔ)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各訓(xùn)練階段的完整過程記錄和回放功能，為相關(guān)的操作訓(xùn)練提供指導(dǎo)和借鑒的信息來源，記錄對(duì)象包括語音、動(dòng)畫、文字、時(shí)間等。

2.7 系統(tǒng)管理模塊

該模塊提供用戶信息、功能權(quán)限、業(yè)務(wù)參數(shù)、考核規(guī)則等資源的配置管理、認(rèn)證授權(quán)功能，可實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)子系統(tǒng)、模塊和功能的權(quán)限配置。同時(shí)，系統(tǒng)管理模塊可提供用戶進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的身份認(rèn)證功能，以及進(jìn)入系統(tǒng)后的操作權(quán)限鑒定功能。

3 結(jié)論

大型消防裝備教學(xué)和訓(xùn)練效果的提升一直是教學(xué)改革關(guān)注的難點(diǎn)問題之一。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為這一難題提供了解決方案?；谧烂嬗?jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路有效擴(kuò)寬了系統(tǒng)的使用環(huán)境，B/S與C/S相結(jié)合的架構(gòu)在保證模擬仿真效果的同時(shí)，有效提高了系統(tǒng)使用和維護(hù)的方便性，全面的系統(tǒng)功能完整支持了“學(xué)—練—考”各個(gè)環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了教學(xué)工作的數(shù)字化、自動(dòng)化目標(biāo)。

[1] 張家祥.HLA仿真技術(shù)應(yīng)用教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:181-188.

[2] 國棟,張晶,錢良.基于HLA的分布式仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2012,42(9):5-6.

[3] 王鐵,高昱,申晉憲.水罐消防車操縱穩(wěn)定性與平順性的仿真優(yōu)化[J].汽車工程,2012,34(12):21-25.

[4] 吳攀攀,石鵬飛,肖晶.消防車臂架鉸接變幅機(jī)構(gòu)仿真與優(yōu)化[J].消防科學(xué)與技術(shù),2013,32(3):297-299.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

On the Design and Implementation of the Simulation Training System for Fire Water Vehicles

CHEN Zhihui

(DepartmentofFireCommanding，TheArmedForceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

The framework and functions of a network based on a simulation training system for fire water vehicles are introduced. The system substitutes real equipment for technology training with different fire scenes, which offers an implementation for reforming training methods of big fire equipments.

water fire vehicle; simulated training; OpenGL; fire sight; examination

2015-04-01

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與教學(xué)應(yīng)用”(Z2015160)

陳智慧(1971— )，女，河北廊坊人，教授，研究生導(dǎo)師。

D631.6

A

1008-2077(2015)10-0013-04