艦船火災滅火輔助決策軟件設計研究

，

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

國內在艦船火災滅火輔助決策領域`的研究才剛剛起步,國外在損管輔助決策領域的研究已取得很多成果。美軍海軍實驗室研究了基于結構化分析和建模的火災指揮決策系統[1]，美軍艦船先后裝備的Ballast系統、SNIPE系統、損管器材管理系統軟件(DCAMS)和綜合生命力管理系統(ISMS)，都具有損管器材管理和輔助決策能力[2-4]。

火災滅火輔助決策有三項主要功能：艙室資源顯示、逃生路徑規劃、滅火輔助決策。艙室資源顯示指在火災發生時，為決策者提供必要的防火資源(防火區域、防火門、防火風閥、通風機、空調等)、滅火資源(水滅火、泡沫滅火、氣體滅火設施等)、艙室設備(重要電器設備、危險源、通信電話等)等信息，便于決策者快捷地掌握艦船的當前狀態，全面了解火災點附近的消防器材和重要設備、人員戰位分布等情況，并通過路徑優化算法，提供合理的消防資源調配方案和普通艦員逃生路徑規劃，還能錄入并顯示火災滅火預案，幫助決策者迅速做出滅火決策。

1 軟件總體架構

火災滅火輔助決策軟件基于包含空間結構數據、資源屬性數據、滅火預案數據所組成的資源數據構建，通過圖形化界面，根據分布式火災探測器所提供的火情信息，自動搜索附近的消防資源配備情況，實現火災地點附近各類資源快速查找顯示，提供消防資源調配和使用方案，并引導對滅火設備進行聯動控制和管理，規劃普通艦員的逃生路徑。軟件是以網絡為中心，可分為數據層、服務層、應用層，見圖1。

圖1 火災輔助決策結構示意

數據層軟件為火災輔助決策軟件提供數據服務，獲取損管監控系統的火災探測數據，為服務層軟件提供空間數據、屬性數據查詢、存儲、修改等服務，提供輔助決策案例數據的管理。

服務層軟件基于組件技術、空間分析計算和數據融合等技術，完成輔助決策軟件的資源屬性匹對查詢、逃生路徑規劃、輔助決策案例匹配、分析損害情況和損管造成的設備影響、決策方案輸出等功能，為人機界面的顯示提供信息。輔助決策軟件的主要計算功能在服務層完成。

應用層軟件是人機交互的接口，是輔助決策軟件的功能表達界面，可提供輔助決策過程信息、結果信息的顯示，接受人機界面輸入，進行顯示設置，還可查詢和管理艙室資源數據、決策信息數據等。

2 軟件工作流程

1)根據探測器所在艙室查詢本艙的火災預案并進行顯示。

2)查詢屬性數據庫，顯示本艙及附近點的防火資源、滅火資源、艙室設備等相關信息。

3)根據資源分布信息，分析得出多種可行的滅火決策方案。

4)根據火災探測器的位置，調用空間數據庫，查詢通道、梯蓋分布情況，規劃火災點附近普通艦員的逃生路徑。

火災滅火輔助決策軟件工作流程見圖2。

圖2 火災滅火輔助決策軟件工作流程示意

3 軟件主要模塊

火災滅火輔助決策系統由人機界面模塊、數據庫管理模塊、損害分析與輔助決策模塊、路徑規劃模塊等組合而成。人機界面模塊是人機交互的接口，艙室資源、逃生路徑、滅火方案都以圖形文字相結合的方式呈現在決策者面前；數據庫模塊是整個決策系統的基礎，提供各功能模塊所需的基礎空間數據和實現特殊功能的專題數據，對新數據、歷史數據等資源管理維護；損害分析與輔助決策模塊是防火指揮系統的重心部分，它起著統領全局的作用，大多數模型和算法都由此模塊實現，為指揮提供決策的手段和方法，為指揮者提供全面的損管信息；路徑規劃模塊用于計算火災地點艦員逃生路徑。

3.1 數據庫管理模塊

輔助決策軟件的數據庫有空間數據庫、屬性數據庫、預案數據庫。空間數據在空間上定位了各個艙室的地理位置、布局、平面圖以及防火區域、通道、梯蓋的分布信息，包含了全艦的平面空間特征。

屬性數據定義艙室防火資源、滅火資源、主要設備信息，如火災探測器、防火風閥、消火栓、水龍帶箱、移動式滅火器、消防員裝備和為此艙室服務的水滅火、氣體滅火、泡沫滅火設施等各類資源的屬性。屬性的主要內容有設備名稱、類型、編號、位置、規格及操作控制方式等。

預案數據庫存儲重點艙室和部位的消防預案，各類消防設施的使用原則和先后順序，預案數據與艙室號相關聯，在軟件使用中可以進行預案輸入。

數據庫管理模塊可對空間數據庫、屬性數據庫、預案數據庫進行存貯、查詢、修改等操作。當查詢到火災艙室預存有消防滅火預案時，數據庫管理模塊將提取預案的具體內容，在人機界面顯示；空間數據庫與屬性數據庫是相互獨立又相輔相成，任何空間實體至少包含有一個屬性，輔助決策軟件的分析、檢索主要是通過對屬性的操作運算來實現的。軟件進行艦員逃生路徑規劃，要從所有可達路徑中尋找一條最優路徑引導艦員快速逃生，需要根據艙室附近的通道和火災報警探測器的位置信息進行計算，這兩類數據分別來自空間數據和屬性數據，軟件需要調用屬性數據庫、空間數據庫進行最短路徑運算。

本軟件的數據庫系統采用基于對象的空間數據模型來存儲空間數據和屬性數據，這樣存儲保證了數據的一致性和完整性，并且能夠將數據之間的空間拓撲關系方便的存儲起來。空間數據文件與屬性數據文件分開存儲，屬性數據存儲在數據庫的屬性表中，空間數據存儲在圖層文件中，二者通過索引機制聯系起來，為了提高效率，采用層次結構對空間數據進行組織，即根據不同的專題將空間數據分層，上述交互關系見圖3。

圖3 數據庫的交互關系示意

3.2 損害分析與輔助決策模塊

損害分析與輔助決策模塊根據火災探測器的編號、位置信息，定位火災類型、火災危險的艙室，調用數據庫管理模塊，查詢本艙的消防預案，根據報警火災探測器的類型與位置，調用屬性數據庫，查詢本艙及臨近部位的防火、滅火資源和艙室主要設備的信息，通過位置匹配，分析火災可能的來源及造成的損害危險，并根據消防滅火的原則，一般可按初火、小火、大火分別制定消防滅火方案，共決策者參考。

以機艙為例，初火時，采用手提式滅火器材、消火栓或中倍泡沫滅火裝置進行滅火；小火時，艙內非消防隊員撤離，消防隊員關閉空調通風設施，采用噴霧設施滅火，并提示增加消防泵保持消防總管壓力；大火時，則進行封艙滅火，所有人員撤離，啟動氣體滅火設施滅火;如果仍然不能撲滅火災，最后使用高倍泡沫滅火設施滅火。

損害分析與輔助決策模塊查詢屬性數據庫獲取該艙室的所有滅火設施，以圖文形式列舉各種情況下的滅火方案，并提示操作控制注意事項，為消防滅火決策指揮提供數據支持。

3.3 逃生路徑規劃模塊

在初火不能撲滅時，非消防艦員需要撤離，輔助決策軟件利用自身的數據信息集成優勢進行逃生路徑規劃，通過全艦廣播、應急逃生指示裝置等方式引導艦員撤離危險區域。

以火災點為障礙點調用空間數據庫艙室、通道、梯蓋等空間分布節點數據，通過路徑規劃算法計算出最近的應急逃生路線，見圖4。

圖4 應急逃生路線示意

本軟件采用目前比較通用的迪杰斯特拉(Dijkstra)算法，計算距離最短的逃生路徑。

在Dijkstra算法中，將每個通道的拐點定義為頂點V，兩個頂點間對應權值D，并認為：

1)若兩個項點直接相連，則權值D為兩個頂點間的直接距離l(Vi，Vj)；

2)若兩個項點不能直接相連，則權值D為∝。

在路徑規劃時，可以認為每個通道的拐點為一個頂點，每兩個可相連的頂點間存在權值，其值為兩點的通道距離，不連通的兩個頂點間的權值為無窮大。在軟件初始化時，可預先讀入相連兩頂點的權值，并將無窮大的權值設置為一個不可能被取到的大值。發生火災的通道兩頂點間的權值為無窮大。

設V為所有頂點的集合，S為已經找到最短路徑的頂點集合，T為S外未查詢的點的集合，T=V-S。結合圖5，說明本軟件規劃逃生最短路徑的算法原理。

圖5 應急逃生路線示意

1)初始化，起點V1∈S，計算各V中各頂點到V1的權值dk,見表1。

表1 S={V1}時的權值變化

2)查詢集合T中，距離V1權值最小的頂點Vk，將其Vk放入集合S中，并更新T中其它頂點Vj到V1的權值，其計算公式為

d=min{d(V1，Vj)，d(V1，Vk)+d(Vk，Vj)}

(1)

式中：d(V1，Vj)——Vj到V1的權值;

d(V1，Vk)+d(Vk，Vj)——V1經過Vk的路徑到達Vj的權值。

在圖5中，顯然V2是距離V1最近的點，此時，S={V1，V2}，權值表變化見表2。

表2 S={V1,V2}時的權值變化

3)在V2和V5之間未發生火災時，顯然逃生點V5的權值為最小，可直接加入集合S，最佳逃生路徑為V1→V2→V5；當發生火災時，V5對應的權值為∝，此時只有V3的權值最小，加入集合S，S={V1，V2，V3}，并將權值表更新,見表3。

表3 S={V1,V2,V3}時的權值變化

可以發現V4和V6的權值同樣最小，先將V4放入集合S(V4和V6放入集合的先后順序不影響最終逃生路徑的結果)，S={V1，V2，V3，V4}并按照上述流程更新權值，直到S=T；

最終算得由V1和V4最佳路徑為V1→V2→V3→V4→V5。

[1] NIKITIN Y V. Structural analysis and modeling for command decision during fire on board ships[R].Naval Postgraduate School，ADA366351/XAB，Jun 2001.

[2] 方萬水，李 煒，吳先高.艦船損管監控系統發展概述[J].艦船科學技術,2002，24(6):37-39.

[3] 劉 昆，王廣生.基于三維實時渲染技術的虛擬火災訓練系統設計[J].計算機應用,2005，25(8):1962-1964.

[4] 任明侖,朱衛東.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.