損管訓練模擬系統在艦船中的應用研究*

鄭環宇 吳 晞 韓曉光

(海軍兵種指揮學院 廣州 510430)

1 引言

艦船在嚴重破損狀態下如何進行損管的組織與指揮,是困擾指揮員指揮決策的重要課題。一旦艦船出現嚴重破損,指揮員主要依據損管條令條例和預案進行指揮決策,但是艦船的損害狀態錯綜復雜,要求指揮員面對各種復雜條件下的損管必需作出正確、科學、迅速的決策。而目前的損管操演基本上是針對具體戰位的損管訓練,災害想定固定,處理程序單一,不能反映艦船的漂浮狀態,穩性特征,所以很難使艦船指揮員依據動態的災害過程進行正確的損管組織指揮與決策。艦船損管訓練模擬系統利用Vegar仿真平臺與MFC相結合,準確地實現交互式的實景仿真[2]。通過設定多種艦船損傷狀態,可以模擬不同類型的艦船災害以及災害的發展變化過程,反應艦船在災害狀態下的漂浮狀態和穩性特征。通過構建艦船災害干預模型,提供各種損害處置方案,為指揮員進行干預決策提供基礎。以提高指揮員處置各種艦船災害的組織指揮與決策能力,更好的滿足指揮員的崗位任職需求。

2 基于虛擬現實的交互式損管訓練仿真系統的構成和功能

該系統由教控臺子系統、多個訓練臺子系統、網絡通信子系統、綜合觀摩子系統組成,其模擬對象主要是各種狀態下的艦船,系統構成如圖1所示。

1)訓練臺子系統。訓練臺子系統實現艦船長損管決策指揮訓練的主要功能。該子系統由艦船長訓練臺應用軟件、車舵臺控制軟件、三維視景庫、艦船信息庫、艦船結構數據庫、艦船操縱性模型庫、損管計算模型庫、損管決策模型庫和知識庫構成,主要為艦船長進行損管訓練提供決策支持,其構成如圖2所示。

2)網絡通訊子系統由訓練單元、網絡通訊控制機、教控子系統、操縱系統構成。

圖3 網絡通訊子系統

3)系統物理構成由艦長臺、交換機柜、教控臺、綜合觀摩室及三維視景顯示綜合面板組成,如圖4所示。

圖4 損管訓練仿真系統物理構成圖

3 主要損管計算模塊的生成

艦船在破損狀態下的計算是一個相當復雜的問題,為了能夠近似反映出艦船在大破損情況下的艦船六自由度變化情況,對艦船破損情況作如下假設:

1)假設艦船破損時立即停車,即不考慮動水壓力和水流對破口進水流量的影響;

2)假設艦船發生小角度傾斜時,艦船為等容傾斜,小角度范圍在(-15,15)時,采用《艦船生命力》所提供的公式計算艦船的初穩度、傾斜,傾差[1]。

3)多倉進水時,以多倉合重心進行計算,破口水線面積進行累加,即不考慮多倉隔墻對水線面面積的影響。

4)破口形狀按照規則幾何體如圓形或方形進行近似,破口進水流速依據水深壓力進行線性加權處理,不考慮由于艦船下沉對破口處水壓變化的影響。

依據以上假設,當艦船發生小倉破損或在破損的初始階段,當艦船的橫傾較小時(0°～15°),采用損失浮力法[3]進行計算。其具體計算公式如下:

式(1～6)中,hs為破損后艦艇的橫穩心高;h為沒破損時的艦艇橫穩心高;Δ hs為破損后的穩心變化量;v為破損艙容積;V為艦艇的排水量;T為艦艇吃水;Δ T為破損后艦艇吃水變化量;zv為破損艙容積中心豎坐標;ix為進水艙自由液面對平行于x軸的中心軸的面積慣性矩;iy為進水艙自由液面對平行于y軸的中心軸的面積慣性矩;TH為艦艇首吃水;L為艦艇設計水線長;H為艦艇縱穩性高;xf為艦艇水線面面積漂心縱坐標;φ為艦艇破損后的縱傾角;Δ為艦艇的傾差。

當艦船橫傾大于15°,求解艦船穩性等參數的初穩度計算公式已經無法求解結果,也沒有相關資料可以對破損艦船大角穩性進行計算。所以本文依據艦船破損進水后的進水程度確定艦船排水量,再進行曲線擬合獲得各種排水量下的艦船靜穩性曲線,通過對艦船完好情況下的靜穩性曲線到艦船某一倉或多倉進水下的靜穩性曲線進行數據采集、擬合和插值[4],獲得艦船在破損情況下的靜穩度曲線,從而可以依據不同進水時扶正力臂數值確定艦船的橫傾角。

下面列出某型艦船的幾種排水量,該數據是依據損失浮力法對艦船破損進水進行計算,再依據重心變化和標準排水量的靜穩度曲線[1]計算出艦船不同破損情況的靜穩度曲線。表1是各種排水量時的扶正力臂值,圖5是依據不同排水量擬合的靜穩度曲線圖。

表1 不同排水量時的扶正力臂數值

圖5 不同排水量時的靜水力曲線圖

此圖反映出艦船在破損進水時,艦船排水量從3800t降至2800t,艦船靜穩度曲線的變化情況,所以當艦船進水時,依據進水量形成的力矩可求解出艦船扶正力臂的大小,用數值內插可獲得艦船任意進水時的橫傾角。再將扶正力臂按照0.01m的間距進行等分,找出與之相對應的橫傾角存入數據庫,便可進行艦船破損狀態下艦船大角穩性的計算,計算結果由視景仿真系統接收參數[3]調用和顯示。

4 基于VC++和Vegar平臺的艦船損管訓練仿真流程

現以破損進水損管訓練為例來說明其流程。首先進行破損艙室的情況設定,由教控臺發出損管警報。破損艙室一旦確定,立刻由破損艦船信息庫提供艦船狀態顯示,由訓練場景庫提供海況數據,訓練人員依據破損艦船的狀態進行損害情況的綜合分析,根據分析情況決定采取自主決策還是輔助決策,其自主決策方案按照艦船所能提供的損害管制器材功能對破損進水進行干預,輔助決策是依據專家系統[5]建立的智能決策方法庫確定方案產生邏輯,以多目標決策方法生成最優決策方案。當指揮員采取自主決策時,可以從損管處置方案庫中選取方法,損管器材選定后,由損管計算模塊計算出艦船的實時狀態,指揮員可以隨時對所選方案進行調整,損管計算結果反映艦船的穩度、吃水、傾差等參數的變化,該參數通過Vegar視景驅動,反映在三維視景中。訓練結束后由方案評估模型庫對訓練成績進行評定和存檔。該訓練流程如圖6所示。

圖6 交互式損管訓練仿真系統流程圖

5 破損艦船損管訓練實例演示

某新型護衛艦在一次護航任務中遭恐怖分子偷襲,后機艙右舷78號～86號肋骨中彈進水,破口直徑0.3m,深度3.5m,爆炸時間2009年2月17日21時10分,艦船指揮員準備進行損管組織與指揮。

教控臺提供破損想定,裝定艦艇初始狀態數據與海洋環境數據,調入破損艦船模型,根據訓練時間控制訓練進程,其初始狀態如圖7所示。

訓練臺進行損管組織與指揮,首先指揮員發出損管警報,全艦進入一級戰斗部署,主機停車,截斷后機爐倉電源,前損管隊檢查全艦水下艙室水密情況,后損管隊進行堵漏排水。后損管隊報告,后機爐倉破口太大無法封堵,前損管隊報告,后機爐倉與電羅經室的隔墻嚴重變形,電羅經室出現大面積滲水。艦艇漂浮狀態如圖8所示。

指揮員依據艦艇狀態,改變損管部署,由于艦艇嚴重破損,艦艇狀態繼續惡化,當務之急就是限制水的蔓延,即命令封閉后機爐倉,加固電羅經室隔墻,先抽干羅經室的滲水,通過限制水的蔓延,加固水蔓延邊界來保證艦艇的不沉性,在確定艦艇的不沉性得到保證后,再依據海況和艦艇自身損管器材和能力采取進一步措施。其狀態如圖9所示。

6 結語

本文通過對艦船破損進水的狀態研究,在小角度傾斜時依據初穩性公式進行計算,在大破損狀態下,進行數據擬合和插值,可以方便快速的計算出艦船的漂浮狀態,為艦船指揮員的損管決策提供了逼真的訓練環境。通過指揮員對各種破損情況的處置,提高決策者在損管時的組織指揮能力和決策水平,該仿真系統通過三期艦船指揮員的使用,獲得了顯著地效果,有效地提高了艦船指揮員的損管應急處置能力。

[1]龔卓蓉.Vegar程序設計[M].北京,國防工業出版社,2002

[2]吳家鑄,黨崗.視景仿真技術及其應用[M].西安:西安科技大學出版社,2001:56～59

[3]浦金云,邱金水,程智斌.艦船生命力[M].海潮出版社,2001,7:125～128

[4]郝紅偉.Matlab 6.0實例教程[M].北京:中國電力出版社,2001

[5]張文星,紀有奎.專家系統原理與設計[M].武漢:武漢科技大學出版社,1993:68