艦艇損管綜合訓練系統研究

1 引 言

為了在戰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，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具有非常重要的現實意義。

2 艦艇損管綜合訓練系統設計

2.1 艦艇損管綜合訓練系統的系統構架

如圖1所示，該系統采用3層結構，即設施層、監控層及信息處理層[1]。

圖1 艦艇損管綜合訓練系統的系統構架示意圖

1) 設施層。整體建筑結構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、排水及水下作業訓練)，滅火艙室(滅火訓練)。根據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，水下作業平臺，通風管路，配電箱，供油管路及閥門，各種滅火系統等)。

2) 監控層。負責數據的采集和現場設備的監測控制。數據采集主要是各種傳感器實時采集現場的環境數據。根據現場采集到的各種數據及系統設備運行的邏輯關系控制現場內設備的運行狀態。

3) 信息處理層。由中央處理計算機、數據庫服務器、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；能夠實現對控制設備進行高速有效的監測和控制；能夠應用智能信息處理技術對實時采集的數據進行處理，結合數據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據存儲在相應的數據庫中，以完善數據庫。指揮員在中央控制室就能實現對全局的指揮調度和集中監控。

2.2 艦艇損管綜合訓練系統的軟件功能

軟件界面突出人機交互性，應用組態軟件技術、虛擬儀器技術實現逼真動態數據顯示，應用基于VB編程的OpenGL技術實現三維動態船體狀態顯示。軟件功能具體如下：

1) 發布訓練方案。由訓練專家設計方案庫，程序員對其進行編程，并添加在數據庫中。可根據不同的訓練科目和難度系數從數據庫中調出相應方案。由中央處理計算機運行程序傳送到現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和動態顯示監測數據。根據數據庫中船體數據、海況的假想數據和實時的災害監測數據，在不同的損管實施階段實時顯示不同的船體狀態。

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、災害發展預報和智能輔助決策。艦艇火災指揮訓練系統功能：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。該系統有一套客觀的考核評價系統。通過該系統能分析出訓練人員的損管技能、應變能力、身體素質和指揮能力等，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基本設施建設思路

艦艇損管綜合訓練系統是鋼結構建筑物。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：發電機艙(破口堵漏、管路包扎、支撐訓練、排水及潛水作業訓練)、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)及觀察區域。在觀測區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示意圖

2.4 艦艇損管綜合訓練系統在功能方面的具體組成

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

抗沉訓練系統既可完成崗位的抗沉技能訓練，又能滿足全船損管抗沉協同訓練的需求；滅火訓練系統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；中央控制系統主要是對抗沉、滅火等現場進行監測控制和完成各戰位之間的通訊與指揮；損管指揮訓練系統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) 建立三維動態船體模型[2]。運用基于VB的OpenGL技術構建艦艇模型。艦艇狀態顯示運用VB編寫程序，從建立的船型模型數據庫和實時監測系統讀入數據，通過OpenGL庫函數調用數據渲染場景，實現船體狀態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。運用數據挖掘和數據融合理論對災害情況進行輔助決策[3]。

3) 建立相關數據庫。如知識庫、模型庫、方法庫、訓練方案庫、船型數據庫等。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現，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的訓練。

3 艦艇損管綜合訓練系統在艦員培訓中的應用

該系統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場控制器形成想定的損害情況。

2) 由數據檢測系統對損害現場環境的各項參數進行實時檢測，將數據實時傳輸到中央處理計算機，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，根據判斷結果做出最優化的損管措施決策，并將決策方案結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

4.1 堵漏訓練成績評定

1) 堵漏成績的構成

評定堵漏成績主要由堵漏的速度、進水量和戰斗姿態等因素構成。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艙內的進水量，顯然進水量越少其成績應越高。戰斗姿態，在堵漏過程中受訓人員的戰斗姿態，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場給定。

以上因素的權重可以根據訓練側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，最后是戰斗姿態。

設W1，W2，W3分別表示時間、進水量和戰斗姿態的權重，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，進水量因數成績為0分。

3) 堵漏難度系數

根據堵漏后的滲漏率，可以為堵漏成績設難度系數k。對于某一特定破口，根據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、進水量和戰斗姿態的分成績，W1，W2，W3分別表示時間、進水量和戰斗姿態的權重，若不考慮難度系數，堵漏總成績P為：

P=W1·P1+W2·P2+W3·P3

(3)

若計入難度系數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斗姿態等因素構成。

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) 戰斗姿態。在滅火訓練過程中，受訓人員的戰斗姿態，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場給定。

參訓人員“動作表現評分值B”的確定：訓練結束時，指揮員要對參訓人員在訓練過程中的表現、動作正確性進行現場評分，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的整數值。

以上兩個因素的權重可以根據訓練側重點、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，其次是戰斗姿態。設N，P分別表示滅火時間和戰斗姿態的權重，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(小數位2位)；應用Visual Basic 6.0編寫滅火訓練成績評估系統軟件。

5 結束語

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。損管綜合訓練系統的建設是迫切的，這就需要我們深入研究、結合實際，不斷完善系統功能，最終將系統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，大幅度提高艦員的訓練質量。

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

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

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

[4] 邱金水，浦金云，陳兆良.艦艇損管監控系統與損管訓練[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.