舰船长损管决策指挥训练模拟系统设计与实现＊

（海军陆战学院 广州 510430）

1 引言

舰船长的损管决策指挥与应急处置能力是其岗位任职的重要能力，直接影响舰船在发生灾害时的生命力。目前，广泛装备的损管技能模拟训练系统，对提高战位人员的损管技能发挥了重要作用，但系统功能无法满足舰船长的损管决策与组织指挥的训练需求；同时由于舰船损管训练的特殊性，难以在实船上进行各种复杂和危险的损管训练。因此，舰船长的损管决策指挥训练难以有效开展，严重制约了舰船长损管决策与组织指挥能力的培养与提高。本文以舰船损管决策指挥能力训练为目标，基于舰船原理等理论，采用计算机仿真、人工智能、虚拟现实、多目标决策等技术，设计并实现了“舰船长损管决策指挥训练模拟系统”。该系统可动态模拟舰船在破损进水、火灾、搁浅等灾害条件下的损害情况，对舰船长的损管决策处置过程进行综合分析评价，为舰船长提供了贴近实际的损管决策与组织指挥训练平台，解决了舰船长损管决策指挥训练的急需［1］。实际应用表明，该系统有效地培养和提高了舰船长的损管决策与组织指挥的岗位任职能力。本文介绍该系统的设计思路、关键技术的实现和应用情况。

2 系统组成

2．1 设计思路

舰船长的损管决策是依据舰船损害的状态信息进行的。为提高训练的逼真性，必须呈现出舰船发生损害过程充分而完备的动态变化信息和逼真的灾害发展场景，能够使受训人员在强烈沉浸感的环境中进行逼真的决策训练，深刻体会舰船灾害处置的重要性。为此，该系统主要面向舰船长训练，采用虚拟的损管战位和损管组织，突出模拟各种损害发生过程的舰船状态信息变化，以及损管方案措施实施后舰船状态信息的动态变化，为舰船长提供逼真的损管决策与组织指挥训练平台；考虑到训练的规模和效益，系统可通过计算机网络灵活扩展训练单元，同时组织多个训练单元开展训练。同时系统在设计中坚持科学性、整体性、实用性、可靠性与可拓性原则，使系统充分满足实际训练需要。

2．2 组成结构

基于总体设计思路，该系统采用教控台集中控制多个训练单元（舰船长损管决策指挥训练台）的组训方式。其组成结构如图1所示，由教控台、多个训练单元、网络通信单位、研讨厅和损管综合数据库构成。

图1 系统总体组成与结构

1）教控台

教控台对各损管训练台过程进行监控和管理。并对研讨子系统进行控制，主要实现对舰船损管案例库的管理，编辑与生成各种损害训练方案，显示各训练单元的训练状态，控制各训练单元训练进程，设置虚拟损管战位损管技能训练水平，实时记录训练过程，以及对每个训练单元的损管决策指挥过程进行效果评估和训练档案管理等功能。为了相互学习和研究对各种灾害，特别是典型案例的损管决策和处置方法，教控台在研讨厅实时切换显示或回放各训练单元的训练过程，进行研讨性学习交流。教控台的控制界面如图2所示。

2）训练单元

训练单元是舰船长损管决策指挥训练的平台，能够实现损管决策指挥训练的全部功能，操作界面如图3所示。通过接收教控台发送的各种灾害情况，实时动态显示灾害发展过程的舰船状态参数和仿真三维灾害场景。受训人员通过动态变化的舰船状态参数信息和灾害场景，适时制定损管决策方案并下达损管指令。训练单元能够依据舰船损害发展规律和所采取的损管措施，及时模拟出损管组织实施效果和舰船状态的动态变化信息，为受训人员提供进一步的判断和决策依据。训练结束时，各训练单元能够对损管决策处置全过程进行综合评价。教控台可动态组织1～24个训练单元同时开展损管决策指挥训练。

图2 教控台控制界面

图3 训练单元操作界面

3）损管综合数据库

图4 损管综合数据库结构图

损管综合数据库是该训练系统运行的最重要支撑，用于构建损管决策指挥训练虚拟环境，表示舰船损害的发展与处置的动态过程，为舰船长的损管决策指挥训练提供科学依据。由知识库、模型库和数据库构成，如图4所示。知识库构建了各种损害的处置条例、规则与方法，专家的经验知识和训练效果评估规则等内容，为各种损害的损管方案提供辅助决策和训练效果评估提供依据；模型库构建立了各种损害描述和发展模型、损管组织指挥控制模型、舰船舱室三维模型等，以支持舰船各种损害计算、状态信息和灾害发展场景的描述；数据库存储了各种舰船的特征数据和舱室结构数据，虚拟的损管战位和损管组织的训练数据，训练方案、参训人员训练情况记录等，为训练全过程提供数据支持。

3 主要功能

3．1 防沉与抗沉决策指挥训练

防沉与抗沉训练功能由加固隔墙模块、堵漏与排水模块、平衡舰体等模块构成。参训人员通过对破损部位、破口类型、自由液面、稳性、浮性、舰船姿态等信息做出综合判断，依据本舰（船）虚拟的损管战位和所配置损管器材情况，运用系统提供的加固隔墙、堵漏、排水、封闭舱室、导移载荷、排出载荷、对角灌注、对称灌注、消除自由液面等多种自由组合的方法，作出损管决策方案；同时系统根据实施的损管方案、舰船状态参数、虚拟损管人员调度情况和平衡舰体效果等多个因素，对参训人员的防沉与抗沉训练情况进行训练效果评估，实现在不同的损害状态下的损管决策指挥训练。

3．2 防火与灭火决策指挥训练

防火与灭火训练功能主要由火灾类型模块和火灾干预模块构成。参训人员通过对火灾种类信息、特征信息进行综合分析，依据灭火原则，运用系统提供的水消防灭火、各种灭火器材、舰船消防系统灭火、封舱灭火等多种灭火方法，作出损管决策方案，并根据火灾的控制效果确定是否采取进一步措施；系统依据参训人员的反应速度、对火灾特性的判断、灭火方法、灭火效果等多个方面对参训人员的防火与灭火训练情况进行训练效果评估，实现各种复杂火灾灾害下的防火与灭火决策指挥训练。

3．3 搁浅与脱浅决策指挥训练

搁浅与脱浅训练功能主要由搁浅类型、自力脱浅和外援脱浅等模块构成。参训人员通过对舰船搁浅海区、水文、气象和舰船搁浅状态信息的分析，综合运用系统提供的平衡舰体、增加浮力、提高稳性等手段，自力脱浅或拖船拖带脱浅等方法，制定脱浅决策方案，系统根据舰船脱浅效果对参训人员的搁浅与脱浅训练情况进行训练效果评估，实现了在不同搁浅状态下保持舰艇稳性、浮性、安全脱浅的决策指挥训练。

4 关键技术实现方法

4．1 舰船舱室量化

舰船舱室数据参数量化是系统实现的基础工作，工作量大且要求高，直接关系到模拟计算的逼真性。该系统采用数据库技术对涵盖的所有舰船舱室数据均进行了量化处理，在舱室量化数据的基础上，采用对象链表技术构建了全舰船舱室结构图，舱室数据在系统内部的存储格式如图5所示。

图5 舰艇舱室数据表设计视图

受训者通过舱室结构图可以随时了解全舰舱室参数信息，主要包括：舱室名称、类型、体积、破口位置、破口等效半径、火灾类型、火灾等级、火焰中心温度、烟气浓度、舱壁温度、火焰蔓延方向等。这些数据信息使受训者的决策指挥过程更具科学依据，使训练过程更加贴近实际情况。

4．2 破损进水非线性计算模型构建

破损进水是一项非常复杂的非定常、非线性问题。破损刚开始时，由于舰艇内外压差较大，其进水速度非常快，随着舰艇舱室水位的升高，舰艇内外水压差减小，舰艇的进水速度将逐渐减小，其进水速度将呈非线性变化［2］。该系统通过建立进水流量与水位升高之间的关系，建立微分方程，再利用差分的方法对每一时间步长进行计算，获得较为精确的结果；对于舰船横截面舭部以下呈现曲线形状，通过曲线拟合的方式，找出水位高度变化与横截面形状之间的函数关系，比较逼真地表现了舰船破损进水非线性过程［3］。

通过采用非线性数值技术方法，对舰船不同位置、形状、大小和的破损进水进行模拟量化，构建了舰船破损模型库，能够实时反映舰船浮态与稳性的动态变化过程［4］。

4．3 火灾场干预模型构建

舰船火灾主要有密闭舱室火灾、开放式火灾、通风受限制火灾，该系统对三种类型的火灾分别进行模拟［5］。

1）舰船火灾场模型构建思路

舰船火灾场模型是三维的非定常模型，采用FDS软件计算结果与Fluent数值仿真结果对舰船火灾场特性与发展规律进行描述，并结合实验结果构建了火灾场干预模型［6］。模型可真实反映灭火器材的性能及火灾场在干预作用下的发展规律。

2）舰船火灾场模型构建方法

通过建立模型舱与原型舱的几何相似、时间相似、排烟体积流率相似和火灾热量相似等关系；基于相似关系，建立了原型舱火灾场模型，然后由火灾场模型，构建原型舱的火灾场干预模型，采用Fluent软件对舱室模型的油火发展规律及灭火后各种烟气浓度进行了数值仿真计算，计算结果与原型舱的实验结果比较，其模型构建方法能够逼真地对火灾场的发展规律及其干预过程进行仿真［7］。

4．4 三维视景仿真实现

采用3dmax软件制作系统中的三维模型，基于Vega软件平台对模型动态渲染，通过调用Vega软件包中的粒子特效函数库动态生成系统中的天气、烟、火、破口进水等效果，为参训人员提供具有强烈沉浸感的训练环境。其中，舰船主机舱破损进水效果如图6所示，配电室起火仿真效果如图7所示。

图6 主机舱破损进水初、中期效果图

图7 配电室起火初、中期效果图

5 训练过程

系统的训练流程如图8所示。教控台和各训练单元之间的组织流程可以描述为［8］

1）教控台组训人员依据训练需要，通过损管训练方案库选择或在线编辑损害情况等方式生成训练方案，发出损管警报并将舰船的损害训练方案发送到各个训练单元。

2）训练单元接收教控台发送的损害训练方案信息，生成虚拟仿真训练环境，实时呈现发生损害舰船状态信息和逼真的灾害发展场景，为受训人提供具有强烈沉浸感的损管决策训练环境。

图8 损管训练流程图

3）各训练台参训人员对舰船损害情况进行综合分析，制定损管决策方案并下达损管指令，通过系统提供的虚拟损管组织、损管战位和损管器材，组织指挥损管方案的实施。

4）损管方案实施过程中，训练台动态显示舰船的状态信息［9］，参训人员判断损害的处置结果，进一步损管决策，继续采取相应的措施。

5）在参训人员完成损管决策指挥训练过程后，系统依据舰艇的生命力指标和损管综合数据库知识库规则，对参训人员进行全过程训练效果评估。

6 结语

“舰船长损管决策指挥训练模拟系统”的设计与实现，解决了舰船长开展损管决策指挥训练缺少模拟训练器材的难题。通过关键技术的应用，取得比较逼真的模拟训练效果，为舰船长的损管决策指挥训练提供有效的训练平台。该系统在实践应用中发挥了重要作用，受训人员深入了解了舰船灾害的发生与发展过程，熟练掌握舰艇灾害发生后，如何辨识和控制灾害的主要矛盾，明显缩短了舰船长损管决策能力的培养周期，促进了舰船长损管能力与水平的提高。然而，完善系统还有许多工作需要深入研究，如破损非线性离散和火灾场的模拟粒度等问题［10］，进一步提高模拟的逼真度是今后深入研究的方向。

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［4］王自力，顾永宁．船舶碰撞动力学过程的数值仿真研究［J］．爆炸与冲击，2001，21（1）：29-34．

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［6］邹高万，刘顺隆，周允基，等．中国船舶机舱火灾研究现状［J］．中国安全科学学报，2004，14（5）：76-79．

［7］从北华，廖光煊，韦亚星．计算机模拟在火灾科学与工程研究中的应用［J］．防火减灾工程学报，2003（2）：63-69．

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