舰艇损管综合训练系统研究
2008-04-24雷宁,邱金水,吴晓辉
1 引 言
为了在战斗破损或火灾等紧急情况下有效地保持舰艇的生命力，需要全舰人员在技术与心理上作好充分的准备。为此，舰艇抗沉与灭火等损害管制行动的日常训练是一个极为重要与关键的问题。这种训练不仅包括士兵一级的损管技能和岗位协同训练，而且还包括舰长、副长和机电长等指挥员处理各种损害情况的损管指挥能力的训练。
由于抗沉与灭火训练的特殊性，一般无法在实船上进行实操。因此，在损管模拟器中的训练是各国对舰员和指挥人员进行训练与考核的主要手段。为了使舰员在损管模拟器中的训练接近实战，研究和设计出集仿真、自动控制、信息综合处理于一体的智能化多功能的舰艇损管综合训练系统具有非常重要的现实意义。
2 舰艇损管综合训练系统设计
2.1 舰艇损管综合训练系统的系统构架
如图1所示，该系统采用3层结构，即设施层、监控层及信息处理层[1]。
图1 舰艇损管综合训练系统的系统构架示意图
1) 设施层。整体建筑结构是模拟舰艇的一个舱段。损管场所分两类舱室：抗沉舱室(破口堵漏、管路包扎、排水及水下作业训练)，灭火舱室(灭火训练)。根据舱室训练功能的不同，配置相应的设施(如各种舱室破口，各种破损管路，排水设施，水下作业平台，通风管路，配电箱，供油管路及阀门，各种灭火系统等)。
2) 监控层。负责数据的采集和现场设备的监测控制。数据采集主要是各种传感器实时采集现场的环境数据。根据现场采集到的各种数据及系统设备运行的逻辑关系控制现场内设备的运行状态。
3) 信息处理层。由中央处理计算机、数据库服务器、各级损管指挥部位的通讯设备及控制显示终端、监控软件及智能辅助决策软件等组成。在训练开始之前，它能够制定训练方案；能够实现对控制设备进行高速有效的监测和控制；能够应用智能信息处理技术对实时采集的数据进行处理，结合数据库中的相关信息在形成决策的同时把挖掘出的新的有价值的数据存储在相应的数据库中，以完善数据库。指挥员在中央控制室就能实现对全局的指挥调度和集中监控。
2.2 舰艇损管综合训练系统的软件功能
软件界面突出人机交互性，应用组态软件技术、虚拟仪器技术实现逼真动态数据显示，应用基于VB编程的OpenGL技术实现三维动态船体状态显示。软件功能具体如下：
1) 发布训练方案。由训练专家设计方案库，程序员对其进行编程，并添加在数据库中。可根据不同的训练科目和难度系数从数据库中调出相应方案。由中央处理计算机运行程序传送到现场控制器形成想定灾害，开始进行训练。
2) 三维动画显示船体状态和动态显示监测数据。根据数据库中船体数据、海况的假想数据和实时的灾害监测数据，在不同的损管实施阶段实时显示不同的船体状态。
3) 损管指挥训练功能。损管指挥训练包括舰艇防沉指挥训练和舰艇火灾指挥训练。舰艇防沉指挥训练功能包括平日防沉、破损防沉，操作后安全性评估、灾害发展预报和智能辅助决策。舰艇火灾指挥训练系统功能：舰艇火灾种类信息、重要舱室设备信息、火灾处置安全评估、火灾蔓延预报和智能辅助决策。
4) 训练评价。该系统有一套客观的考核评价系统。通过该系统能分析出训练人员的损管技能、应变能力、身体素质和指挥能力等，从而提出针对性极强的改进训练计划，为下次训练作指导。
2.3 舰艇损管综合训练系统基本设施建设思路
舰艇损管综合训练系统是钢结构建筑物。它模拟舰艇的1个舱段，共分3层甲板，如图2。顶层甲板设直升机库以模拟驱护舰飞行甲板及机库的消防灭火，以及设有通风机舱。2层甲板布置有损管站、医务室、舰长指挥室、动力损管部位和各种通道，可作为损管集控中心和损管队集结地。3层甲板是受训人员进行损管的场所，分隔成多个舱室：发电机舱(破口堵漏、管路包扎、支撑训练、排水及潜水作业训练)、士兵住舱(破口堵漏、管路包扎、排水及支撑训练)、主机舱(火灾模拟舱)及观察区域。在观测区域能够全面观测灾害情况和受训人员的损管活动情况。3层甲板以下设置各种管路、传感器和阀件等。
图2 舰艇损管综合训练系统示意图
2.4 舰艇损管综合训练系统在功能方面的具体组成
该系统主要由抗沉训练系统、灭火训练系统、中央控制系统、损管指挥训练系统和辅助系统组成。
抗沉训练系统既可完成岗位的抗沉技能训练，又能满足全船损管抗沉协同训练的需求；灭火训练系统为全体舰员提供灭火的基本技能，特别是能模拟舰艇火灾的全过程；中央控制系统主要是对抗沉、灭火等现场进行监测控制和完成各战位之间的通讯与指挥；损管指挥训练系统为舰艇指挥人员提供在舰艇破损和火灾情况下的损管指挥能力训练。
2.5 采用的关键技术
1) 建立三维动态船体模型[2]。运用基于VB的OpenGL技术构建舰艇模型。舰艇状态显示运用VB编写程序，从建立的船型模型数据库和实时监测系统读入数据，通过OpenGL库函数调用数据渲染场景，实现船体状态随灾害情况和损管实施阶段的不同而实时显示。
2) 智能辅助决策。运用数据挖掘和数据融合理论对灾害情况进行辅助决策[3]。
3) 建立相关数据库。如知识库、模型库、方法库、训练方案库、船型数据库等。模型库和方法库为各种分析工具提供指导，知识库中的知识不仅可以指导新知识的发现，也可以不断得到新知识的充实。训练方案库为训练提供不同的训练科目和不同难度系数的训练。
3 舰艇损管综合训练系统在舰员培训中的应用
该系统不仅能对舰员进行单项的基本技能训练，而且还能对指挥员和舰员及舰员之间的协同进行训练。其训练流程如下[4]：
1) 由中央处理计算机对损害情况进行设定，完成任务想定和训练命令下达，运行程序并传达到现场控制器形成想定的损害情况。
2) 由数据检测系统对损害现场环境的各项参数进行实时检测，将数据实时传输到中央处理计算机，并在各损管指挥部位的显示终端上予以显示，让受训指挥人员指挥舰员进行损管动作。
3) 中央处理计算机接收到各项参数后，其所配备的智能辅助决策软件能及时判断火灾和破损情况，根据判断结果做出最优化的损管措施决策，并将决策方案结果传输给受训指挥员供其参考[5]。
4) 指挥员做出最终决策，执行控制设备和指挥舰员进行损管。中央处理计算机将其损管情况进行监测和显示，并做出成绩评定。
4 舰员成绩评定方法的研究和实现
4.1 堵漏训练成绩评定
1) 堵漏成绩的构成
评定堵漏成绩主要由堵漏的速度、进水量和战斗姿态等因素构成。堵漏的速度是将破口堵好用的时间越短其成绩应越高。进水量是从开始堵漏的瞬间起到堵漏完毕这段时间之内舱内的进水量，显然进水量越少其成绩应越高。战斗姿态，在堵漏过程中受训人员的战斗姿态，如口令是否洪亮、器材应用是否正确、动作是否准确等，此项成绩由教练员现场给定。
以上因素的权重可以根据训练侧重点不同由教练员设定。首先应考虑的是时间因素，其次是进水量，最后是战斗姿态。
设W1，W2，W3分别表示时间、进水量和战斗姿态的权重，则它们满足：W1+W2+W3=1，W1>W2>W3>0。
2) 用时因素和进水量因素成绩的评定方法
对于特定破口及不同的堵漏环境条件(如不同压力、有无灯光、初学者与熟练者等)，教练员可以设定堵漏时限下限X1和堵漏时限上限X2，当堵漏所用时间X少于下限X1，即X
(1)
进水量因素成绩采用与评定用时因素成绩相类似的方法设定最少进水量下限和上限，进水量少于下限为满分，进水量超过上限认为舱室被淹，堵漏失败，进水量因数成绩为0分。
3) 堵漏难度系数
根据堵漏后的渗漏率，可以为堵漏成绩设难度系数k。对于某一特定破口，根据熟练操作人员与初学者的差异设置下限流量最小值Qmin和下限流量最大值Qmax，难度系数k就是该次堵漏所设定的下限流量Q与最小值Qmin和最大值Qmax之间的相对难易程度。难度系数k用下式计算：
(2)
4) 总成绩的评定
设P1，P2，P3分别表示用时、进水量和战斗姿态的分成绩，W1，W2，W3分别表示时间、进水量和战斗姿态的权重，若不考虑难度系数，堵漏总成绩P为：
P=W1·P1+W2·P2+W3·P3
(3)
若计入难度系数k，则总成绩Pk为：
Pk=k(W1·P1+W2·P2+W3·P3)
(4)
应用Visual Basic 6.0编写堵漏训练成绩评估系统软件，其中成绩评估界面如图3。
图3 堵漏训练成绩评估界面
4.2 灭火训练成绩评定
评定灭火训练成绩主要由灭火的速度和战斗姿态等因素构成。
1) 灭火的速度。将火扑灭用的时间越短成绩应越高。评定方法：“点火”开关打开后，程序自动获取舱室温度，并设为初始温度，舱室温度逐步上升，当上升的温差达到“燃烧点温差值R”时，程序自动取得“开始时间t1”，参训人员开始灭火。灭火期间，燃烧点温度继续上升，上升到最大值时燃烧点温度会逐渐下降，当下降的温差达到“火熄灭温差值M”时，程序认为火已被扑灭，并自动取得“截止时间t2”，将“截止时间t2”与“开始时间t1”相减得“灭火时间Tm”，即：Tm=t2-t1。
火扑灭时“灭火评分值Hm”的确定方式：
(5)
式中，T2是“最短灭火时间”，T1是“最长灭火时间 ”。
2) 战斗姿态。在灭火训练过程中，受训人员的战斗姿态，如口令是否洪亮、器材应用是否正确、动作是否准确等，此项成绩由教练员现场给定。
参训人员“动作表现评分值B”的确定：训练结束时，指挥员要对参训人员在训练过程中的表现、动作正确性进行现场评分，程序自动打开“操作步骤评分表”(含“灭火手段”)，供指挥员填表中的各个单项值，单项值之和为0～100的整数值。
以上两个因素的权重可以根据训练侧重点、训练科目的难易程度、训练大纲的要求和部队的实际情况的不同由教练员设定。首先应考虑的是时间因素，其次是战斗姿态。设N，P分别表示灭火时间和战斗姿态的权重，则它们满足：N+P=1，N>P>0。
3) 总成绩评定。训练成绩F的计算公式：F=Hm×N+B×P；最后得到的是0.00～100之间的值(小数位2位)；应用Visual Basic 6.0编写灭火训练成绩评估系统软件。
5 结束语
舰艇损管是预防或减少舰艇灾害带来的损失以确保舰艇生命力的一项重要工作。损管综合训练系统的建设是迫切的，这就需要我们深入研究、结合实际，不断完善系统功能，最终将系统建设成集损管指挥与技能训练、训练研究、理论研究、实操与虚拟仿真、自动控制、信息综合处理于一体的智能化多功能损管综合训练系统，大幅度提高舰员的训练质量。
[1] 郭华芳，李智文.消防模拟训练系统初探[J].消防科学与技术,2007,26(1):86-88.
[2] 陆锦辉，张敏.主推进系统实船训练系统的研究与实现[J].上海舰艇运输科学研究所,2006,29(1)：6-13.
[3] 任明仑，朱卫东，等.智能决策支持系统:研究现状与挑战[J].系统工程学报，2002,17(5):430-440.
[4] 邱金水，浦金云，陈兆良.舰艇损管监控系统与损管训练[M].武汉:海军工程大学出版社,2001.
[5] 刘俊，浦金云.舰艇损管决策及自动化控制[J].舰艇与海洋工程研究总集，2001(143):1-2.
