舰船火灾灭火辅助决策软件设计研究

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(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

国内在舰船火灾灭火辅助决策领域`的研究才刚刚起步,国外在损管辅助决策领域的研究已取得很多成果。美军海军实验室研究了基于结构化分析和建模的火灾指挥决策系统[1]，美军舰船先后装备的Ballast系统、SNIPE系统、损管器材管理系统软件(DCAMS)和综合生命力管理系统(ISMS)，都具有损管器材管理和辅助决策能力[2-4]。

火灾灭火辅助决策有三项主要功能：舱室资源显示、逃生路径规划、灭火辅助决策。舱室资源显示指在火灾发生时，为决策者提供必要的防火资源(防火区域、防火门、防火风阀、通风机、空调等)、灭火资源(水灭火、泡沫灭火、气体灭火设施等)、舱室设备(重要电器设备、危险源、通信电话等)等信息，便于决策者快捷地掌握舰船的当前状态，全面了解火灾点附近的消防器材和重要设备、人员战位分布等情况，并通过路径优化算法，提供合理的消防资源调配方案和普通舰员逃生路径规划，还能录入并显示火灾灭火预案，帮助决策者迅速做出灭火决策。

1 软件总体架构

火灾灭火辅助决策软件基于包含空间结构数据、资源属性数据、灭火预案数据所组成的资源数据构建，通过图形化界面，根据分布式火灾探测器所提供的火情信息，自动搜索附近的消防资源配备情况，实现火灾地点附近各类资源快速查找显示，提供消防资源调配和使用方案，并引导对灭火设备进行联动控制和管理，规划普通舰员的逃生路径。软件是以网络为中心，可分为数据层、服务层、应用层，见图1。

图1 火灾辅助决策结构示意

数据层软件为火灾辅助决策软件提供数据服务，获取损管监控系统的火灾探测数据，为服务层软件提供空间数据、属性数据查询、存储、修改等服务，提供辅助决策案例数据的管理。

服务层软件基于组件技术、空间分析计算和数据融合等技术，完成辅助决策软件的资源属性匹对查询、逃生路径规划、辅助决策案例匹配、分析损害情况和损管造成的设备影响、决策方案输出等功能，为人机界面的显示提供信息。辅助决策软件的主要计算功能在服务层完成。

应用层软件是人机交互的接口，是辅助决策软件的功能表达界面，可提供辅助决策过程信息、结果信息的显示，接受人机界面输入，进行显示设置，还可查询和管理舱室资源数据、决策信息数据等。

2 软件工作流程

1)根据探测器所在舱室查询本舱的火灾预案并进行显示。

2)查询属性数据库，显示本舱及附近点的防火资源、灭火资源、舱室设备等相关信息。

3)根据资源分布信息，分析得出多种可行的灭火决策方案。

4)根据火灾探测器的位置，调用空间数据库，查询通道、梯盖分布情况，规划火灾点附近普通舰员的逃生路径。

火灾灭火辅助决策软件工作流程见图2。

图2 火灾灭火辅助决策软件工作流程示意

3 软件主要模块

火灾灭火辅助决策系统由人机界面模块、数据库管理模块、损害分析与辅助决策模块、路径规划模块等组合而成。人机界面模块是人机交互的接口，舱室资源、逃生路径、灭火方案都以图形文字相结合的方式呈现在决策者面前；数据库模块是整个决策系统的基础，提供各功能模块所需的基础空间数据和实现特殊功能的专题数据，对新数据、历史数据等资源管理维护；损害分析与辅助决策模块是防火指挥系统的重心部分，它起着统领全局的作用，大多数模型和算法都由此模块实现，为指挥提供决策的手段和方法，为指挥者提供全面的损管信息；路径规划模块用于计算火灾地点舰员逃生路径。

3.1 数据库管理模块

辅助决策软件的数据库有空间数据库、属性数据库、预案数据库。空间数据在空间上定位了各个舱室的地理位置、布局、平面图以及防火区域、通道、梯盖的分布信息，包含了全舰的平面空间特征。

属性数据定义舱室防火资源、灭火资源、主要设备信息，如火灾探测器、防火风阀、消火栓、水龙带箱、移动式灭火器、消防员装备和为此舱室服务的水灭火、气体灭火、泡沫灭火设施等各类资源的属性。属性的主要内容有设备名称、类型、编号、位置、规格及操作控制方式等。

预案数据库存储重点舱室和部位的消防预案，各类消防设施的使用原则和先后顺序，预案数据与舱室号相关联，在软件使用中可以进行预案输入。

数据库管理模块可对空间数据库、属性数据库、预案数据库进行存贮、查询、修改等操作。当查询到火灾舱室预存有消防灭火预案时，数据库管理模块将提取预案的具体内容，在人机界面显示；空间数据库与属性数据库是相互独立又相辅相成，任何空间实体至少包含有一个属性，辅助决策软件的分析、检索主要是通过对属性的操作运算来实现的。软件进行舰员逃生路径规划，要从所有可达路径中寻找一条最优路径引导舰员快速逃生，需要根据舱室附近的通道和火灾报警探测器的位置信息进行计算，这两类数据分别来自空间数据和属性数据，软件需要调用属性数据库、空间数据库进行最短路径运算。

本软件的数据库系统采用基于对象的空间数据模型来存储空间数据和属性数据，这样存储保证了数据的一致性和完整性，并且能够将数据之间的空间拓扑关系方便的存储起来。空间数据文件与属性数据文件分开存储，属性数据存储在数据库的属性表中，空间数据存储在图层文件中，二者通过索引机制联系起来，为了提高效率，采用层次结构对空间数据进行组织，即根据不同的专题将空间数据分层，上述交互关系见图3。

图3 数据库的交互关系示意

3.2 损害分析与辅助决策模块

损害分析与辅助决策模块根据火灾探测器的编号、位置信息，定位火灾类型、火灾危险的舱室，调用数据库管理模块，查询本舱的消防预案，根据报警火灾探测器的类型与位置，调用属性数据库，查询本舱及临近部位的防火、灭火资源和舱室主要设备的信息，通过位置匹配，分析火灾可能的来源及造成的损害危险，并根据消防灭火的原则，一般可按初火、小火、大火分别制定消防灭火方案，共决策者参考。

以机舱为例，初火时，采用手提式灭火器材、消火栓或中倍泡沫灭火装置进行灭火；小火时，舱内非消防队员撤离，消防队员关闭空调通风设施，采用喷雾设施灭火，并提示增加消防泵保持消防总管压力；大火时，则进行封舱灭火，所有人员撤离，启动气体灭火设施灭火;如果仍然不能扑灭火灾，最后使用高倍泡沫灭火设施灭火。

损害分析与辅助决策模块查询属性数据库获取该舱室的所有灭火设施，以图文形式列举各种情况下的灭火方案，并提示操作控制注意事项，为消防灭火决策指挥提供数据支持。

3.3 逃生路径规划模块

在初火不能扑灭时，非消防舰员需要撤离，辅助决策软件利用自身的数据信息集成优势进行逃生路径规划，通过全舰广播、应急逃生指示装置等方式引导舰员撤离危险区域。

以火灾点为障碍点调用空间数据库舱室、通道、梯盖等空间分布节点数据，通过路径规划算法计算出最近的应急逃生路线，见图4。

图4 应急逃生路线示意

本软件采用目前比较通用的迪杰斯特拉(Dijkstra)算法，计算距离最短的逃生路径。

在Dijkstra算法中，将每个通道的拐点定义为顶点V，两个顶点间对应权值D，并认为：

1)若两个项点直接相连，则权值D为两个顶点间的直接距离l(Vi，Vj)；

2)若两个项点不能直接相连，则权值D为∝。

在路径规划时，可以认为每个通道的拐点为一个顶点，每两个可相连的顶点间存在权值，其值为两点的通道距离，不连通的两个顶点间的权值为无穷大。在软件初始化时，可预先读入相连两顶点的权值，并将无穷大的权值设置为一个不可能被取到的大值。发生火灾的通道两顶点间的权值为无穷大。

设V为所有顶点的集合，S为已经找到最短路径的顶点集合，T为S外未查询的点的集合，T=V-S。结合图5，说明本软件规划逃生最短路径的算法原理。

图5 应急逃生路线示意

1)初始化，起点V1∈S，计算各V中各顶点到V1的权值dk,见表1。

表1 S={V1}时的权值变化

2)查询集合T中，距离V1权值最小的顶点Vk，将其Vk放入集合S中，并更新T中其它顶点Vj到V1的权值，其计算公式为

d=min{d(V1，Vj)，d(V1，Vk)+d(Vk，Vj)}

(1)

式中：d(V1，Vj)——Vj到V1的权值;

d(V1，Vk)+d(Vk，Vj)——V1经过Vk的路径到达Vj的权值。

在图5中，显然V2是距离V1最近的点，此时，S={V1，V2}，权值表变化见表2。

表2 S={V1,V2}时的权值变化

3)在V2和V5之间未发生火灾时，显然逃生点V5的权值为最小，可直接加入集合S，最佳逃生路径为V1→V2→V5；当发生火灾时，V5对应的权值为∝，此时只有V3的权值最小，加入集合S，S={V1，V2，V3}，并将权值表更新,见表3。

表3 S={V1,V2,V3}时的权值变化

可以发现V4和V6的权值同样最小，先将V4放入集合S(V4和V6放入集合的先后顺序不影响最终逃生路径的结果)，S={V1，V2，V3，V4}并按照上述流程更新权值，直到S=T；

最终算得由V1和V4最佳路径为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] 方万水，李 炜，吴先高.舰船损管监控系统发展概述[J].舰船科学技术,2002，24(6):37-39.

[3] 刘 昆，王广生.基于三维实时渲染技术的虚拟火灾训练系统设计[J].计算机应用,2005，25(8):1962-1964.

[4] 任明仑,朱卫东.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.