基于態(tài)勢(shì)的損管輔助決策系統(tǒng)

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(1.92246部隊(duì),浙江 寧波,315100；2.中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京,100094; 3.91991部隊(duì),浙江 舟山,316000)

傳統(tǒng)的損管指揮和訓(xùn)練過程中，由于缺乏信息化工具和“大損管”理念，普遍存在損害定位難、人員調(diào)度不合理、損管指揮效率低和決策失誤多等問題，導(dǎo)致實(shí)際損管中容易出現(xiàn)過度損管和資源嚴(yán)重浪費(fèi)等情況。隨著船舶信息化水平越來越高，對(duì)人員損管水平和能力要求也越來越高，因此，迫切需要開展信息化損管指揮和訓(xùn)練方面的研究。

1 國(guó)內(nèi)外損管指揮現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外損管指揮發(fā)展

歐美國(guó)家最早于20世紀(jì)80年代開始提出以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代損管概念，并成功運(yùn)用到了艦船的抗沉系統(tǒng)中,以FFG-30艦為試驗(yàn)船,建成了Ballast損管系統(tǒng)，在DD969艦上進(jìn)行了實(shí)船安裝運(yùn)用SNIPE損管系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備初始的輔助決策功能，能在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)到艦船的破損信號(hào)，進(jìn)行分析處理，并計(jì)算艦船的損害程度和穩(wěn)性狀態(tài)，最后向艇員推薦最佳的對(duì)策。

20世紀(jì)90年代以后，由于艦船損管系統(tǒng)逐漸向集成化和自動(dòng)化方向發(fā)展，美國(guó)海軍損管指揮與處置效率得到提升，對(duì)現(xiàn)有船艇通過加裝便攜機(jī)、大屏等信息化設(shè)備(見圖1)，統(tǒng)一配備電子標(biāo)繪等功能[1]。

圖1 電子標(biāo)繪的損管中心與損管站

從手動(dòng)標(biāo)繪指揮模式到電子標(biāo)繪指揮模式(見圖2)轉(zhuǎn)變以后，指揮方式也相應(yīng)由手工標(biāo)繪與指揮電話相結(jié)合方式轉(zhuǎn)變成無聲指揮，即多個(gè)回合的電話通訊變成了即時(shí)的交互損管信息(見圖3)，綜合網(wǎng)絡(luò)同步獲取的信息態(tài)勢(shì)，縮短了損管響應(yīng)時(shí)間和決策時(shí)間，大幅提高了損管指揮和訓(xùn)練效率。

圖2 紙質(zhì)標(biāo)繪向電子標(biāo)繪轉(zhuǎn)變

圖3 指揮方式的轉(zhuǎn)變

1.2 國(guó)內(nèi)損管指揮技術(shù)發(fā)展

我國(guó)在20世紀(jì)80年代開始研發(fā)艦船損管技術(shù)，已先后推出多套損管系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的安全監(jiān)測(cè)報(bào)警功能和損害補(bǔ)救能力， 但在數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)輔助決策、系統(tǒng)自能化、系統(tǒng)可靠性以及損管訓(xùn)練方面存在不足[2-3]。

由于國(guó)外技術(shù)的封鎖，國(guó)內(nèi)損管指揮系統(tǒng)絕大部分都是通過自主開發(fā)電子標(biāo)繪指揮技術(shù)來進(jìn)行研究。有學(xué)者利用地理信息系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)的高效管理和靈活的綜合分析能力，采用決策支持系統(tǒng)解決問題方法，對(duì)損管輔助決策進(jìn)行了嘗試[4]；以VB為平臺(tái)，研發(fā)了基于GIS技術(shù)的損管輔助決策系統(tǒng)，結(jié)合災(zāi)害模型和專家系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策，提供了一條新思路[5]。但由于開發(fā)出來的系統(tǒng)占用計(jì)算資源太多，不能應(yīng)用于實(shí)踐的實(shí)時(shí)指揮。

在艦船損害信息分析和損管決策方面，有學(xué)者編制了初步的損管集控智能決策系統(tǒng)，并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，為損管訓(xùn)練、各項(xiàng)損管技術(shù)的試驗(yàn)以及損管決策系統(tǒng)的不斷完善提供了基礎(chǔ)[6-7]。構(gòu)建了以模型庫系統(tǒng)為主，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、知識(shí)庫系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)并重的船舶抗沉輔助決策系統(tǒng)，通過建立抗沉方案計(jì)算模型，分別采用非線性規(guī)劃法和改進(jìn)遺傳算法求解最佳抗沉方案；同時(shí)提出了用M-H方法依據(jù)不沉性標(biāo)板圖數(shù)據(jù)，快速搜索得到較優(yōu)抗沉方案[8]。開展了船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練流程設(shè)計(jì)，并建立了一套模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[9]。依據(jù)不沉性理論、專家系統(tǒng)和多目標(biāo)決策理論建立了船舶損管輔助決策的有關(guān)模型，并針對(duì)某型船的破損情況進(jìn)行了數(shù)值仿真，證明了該模型的有效性[10]。以海警船為研究對(duì)象，進(jìn)行了抗沉應(yīng)急指揮決策系統(tǒng)的研制工作，帶動(dòng)了相關(guān)的損管實(shí)訓(xùn)的開展[11]。基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性建立了虛擬艙室滅火交互模型，結(jié)合典型狀態(tài)下火災(zāi)與滅火措施的對(duì)抗關(guān)系，給出了交互模型的解析形式，通過人員實(shí)際損害管制訓(xùn)練的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，確定模型參數(shù)，并對(duì)模型適用性進(jìn)行了驗(yàn)證[12]。這些損管技術(shù)在一定程度上有助于輔助船員進(jìn)行有效的損管決策和快速響應(yīng)，但應(yīng)用在實(shí)踐上仍有許多問題待解決。

2 基于態(tài)勢(shì)損管輔助決策

2.1 定義

基于態(tài)勢(shì)損管輔助決策系統(tǒng)是一個(gè)基于全船損管信息集成和損管輔助決策的損管指揮系統(tǒng)(見圖4)。其核心理念是借助損管信息化技術(shù)和輔助決策能力完成3次反饋指揮：損害發(fā)生時(shí)通過自動(dòng)報(bào)警第一次反饋給指揮員，完成災(zāi)害艙室快速定位；災(zāi)害蔓延過程通過視頻或其他信息化手段第二次反饋給指揮員，結(jié)合輔助決策卡完成精細(xì)指揮；受損程度評(píng)估通過輔助決策軟件第三次反饋給指揮員，完成損管資源和人力的精準(zhǔn)調(diào)配。

開展基于態(tài)勢(shì)的損管指揮和訓(xùn)練，基本前提要實(shí)現(xiàn)全船損管信息資源的全面監(jiān)測(cè)和控制，只有對(duì)損管態(tài)勢(shì)做到全面掌控，才能支持人在回路的損管行動(dòng)快速響應(yīng)。其次，要建立不同位置和不同種類火(水)災(zāi)蔓延模型，研究災(zāi)害蔓延規(guī)律和損壞程度評(píng)估，才能實(shí)現(xiàn)精細(xì)、精準(zhǔn)層面上的輔助損管指揮決策。

圖4 基于態(tài)勢(shì)的損管輔助決策基本流程

2.2 系統(tǒng)功能

1)損管態(tài)勢(shì)集成功能。損管態(tài)勢(shì)集成功能主要指能夠?qū)λ袚p管信息及相關(guān)要素進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警、標(biāo)注和定位，包含艙室信息、附近損管器材、防火門、水密門、艙口蓋開閉狀態(tài)、消防系統(tǒng)操作等信息，保證指揮員全面及時(shí)了解艙室受損情況和人員分布情況，為快速作出事故分析和決策謀取信息優(yōu)勢(shì)。

2)損管分析決策功能。損管分析決策功能主要指通過對(duì)災(zāi)害事故的受損狀態(tài)預(yù)估，在全面分析損管信息的基礎(chǔ)上，結(jié)合火(水)災(zāi)蔓延模型、強(qiáng)度計(jì)算以及破損穩(wěn)性模型，針對(duì)不同艙室不同損害部位實(shí)時(shí)給出損管輔助建議，包含冷卻邊界及加固支撐、人員進(jìn)攻、撤退路線、電器設(shè)備及電路轉(zhuǎn)換、油路和消防水轉(zhuǎn)換、排煙等方面的輔助建議，保證指揮員能精心把控?fù)p管行動(dòng)細(xì)節(jié)，為正確作出損管決策謀取數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)。

3)損管行動(dòng)指揮功能。損管行動(dòng)指揮功能是指揮員、損管隊(duì)及相關(guān)戰(zhàn)位人員能夠依據(jù)損管標(biāo)示符號(hào)同步交互損管戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，包括堵漏-支撐-排水-平衡、滅火-冷卻-支撐-排水-排煙、電路轉(zhuǎn)換、動(dòng)力轉(zhuǎn)換等行動(dòng)，完成損害事故的處置和現(xiàn)場(chǎng)裝備恢復(fù)，保證指揮員能全面把控?fù)p管行動(dòng)細(xì)節(jié)，為及時(shí)作出損管決策謀取時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

4)損管評(píng)估功能。損管評(píng)估功能指通過評(píng)估模型軟件對(duì)災(zāi)害和損管行動(dòng)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，包括船體受損情況、裝備損壞情況、人員傷亡情況以及對(duì)執(zhí)行任務(wù)的影響等方面，給指揮員提供決策依據(jù)，保證指揮員能清醒掌控?fù)p管資源，為合理作出損管調(diào)配謀取綜合優(yōu)勢(shì)。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

因?yàn)闉?zāi)害的突發(fā)和隨機(jī)性，損管事件也應(yīng)該具有隨機(jī)性。傳統(tǒng)訓(xùn)練中，基于損管預(yù)案來進(jìn)行損管訓(xùn)練和指揮，實(shí)際上是一種訓(xùn)練上的妥協(xié)?；趹B(tài)勢(shì)的損管輔助決策系統(tǒng)能夠解決預(yù)案的靜態(tài)性帶來的無針對(duì)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)指揮和訓(xùn)練；也能夠解決預(yù)案的不精準(zhǔn)帶來的盲目耗費(fèi)損管器材，節(jié)約損管資源；還能夠把所有系統(tǒng)納入整個(gè)損管指揮，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合控制和指揮。

基于態(tài)勢(shì)的損管輔助決策系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的損管系統(tǒng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1)在全面掌握損管信息的基礎(chǔ)上，能夠減少損管發(fā)現(xiàn)、定位、決策和行動(dòng)時(shí)間，加快損管處置效率。

2)在基于災(zāi)害模型驅(qū)動(dòng)的輔助決策基礎(chǔ)上，能夠更加合理科學(xué)決策，提高決策質(zhì)量。

3)在全面掌控?fù)p管態(tài)勢(shì)和科學(xué)決策的基礎(chǔ)上，能夠?qū)p管裝備器材和人員合理調(diào)度，真正做到物盡其用和人盡其用，節(jié)約資源，避免過度損管的發(fā)生，并最大化地減小全船損失。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 指揮設(shè)備方面

外軍新型船艇考慮損管指揮與會(huì)商、實(shí)時(shí)綜合控制等需要，普遍采用觸摸式大屏(見圖5)進(jìn)行損管綜合指揮與操控，在損管指揮戰(zhàn)位可以掌握完整的損害態(tài)勢(shì)，支持損管指揮的協(xié)商、損管輔助決策及損管綜合控制。

圖5 新的損管指揮設(shè)備

3.2 損管控制技術(shù)方面

外軍新型船艇考慮使用偽三維形式實(shí)現(xiàn)GAP圖層展示[13]，表明輕量化的計(jì)算技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，否則巨大信息量是無法在實(shí)際裝備上面達(dá)到同步傳輸?shù)?。此外，可以結(jié)合推進(jìn)、電力和輔助設(shè)備的軟控制界面，綜合完成相關(guān)設(shè)備的交互操控，達(dá)到快速止損目的。