水罐消防车仿真训练系统的设计与实现

陈智慧

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

水罐消防车仿真训练系统的设计与实现

陈智慧

(武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000)

描述了网络环境下，水罐消防车仿真训练系统的软件体系结构和功能架构。该系统可代替实装，完成不同火灾场景下的水罐消防车技术训练。软件的开发为解决大型消防装备训练机会少、成本高和危险性大等问题提供解决方案。

水罐消防车；模拟训练；OpenGL；火灾场景；考核评判

0 引言

针对大型消防装备训练存在着成本高、危险性大、机会少等问题，研究人员以水罐消防车作为典型案例[1-2]，设计并实现了一套桌面计算机模拟仿真训练系统。利用该系统，使用者不仅能够以自主漫游和观看三维动画演示的形式学习车辆结构和功能原理[3-4]，还可在专业逼真的虚拟仿真训练环境中，完成水罐消防车各环节单人操作和不同典型火灾场景下班组协同操作的训练科目。训练过程中，计算机可完成各操作节点的状态记录并据此完成考核成绩的自动评判，不仅能够为使用者提供正确操作的引导，还可提供可选的操作训练记录回放功能，以便于随时、多角度观看操作训练过程。水罐消防车仿真训练系统使用Java与C++语言开发，基于成熟图形图像处理技术OpenGL进行扩展，并采用易于部署、使用、维护的B/S技术架构，实现了仿真教学、操作训练、过程记录回放和自动评分考核等建设目标。

1 系统设计

1.1 系统部署结构

为了使用、部署和升级方便，水罐消防车仿真训练系统参照分布式仿真体系HLA，采用B/S和C/S相结合的方式进行构架。B/S主要负责模拟训练的统一数据管理、人员权限管理、系统管理等，训练的控制和仿真采用C/S架构。

系统内部数据传输由基于TCP/IP的分布式网络支撑。数据库服务器主要负责模拟训练系统对于数据库的访问管理。文件服务器为模拟训练系统提供场景文件、模型文件、记录文件的存储与传输。HLA服务器主要负责网络间数据的通信传输和数据计算。应用服务器主要用作部署基于B/S管理系统，功能包括模拟训练的统一数据管理、人员权限管理等公共功能。各仿真终端采用高端图形工作站进行演练的硬件系统支撑。考虑安全性问题，服务器都采用集群或负载均衡的方式，以防止数据意外丢失和演练过程中断。

按照功能的组织方式和执行层次，水罐消防车仿真训练系统内部功能可划分为数据交换和数据运算、通用信息管理、导调台、演示台、训练台、评估台等共六个部分，如图1所示。

数据交换和数据运算用于完成HLA的基本功能，实现模拟仿真各组成部分和训练终端的信息集成、通信与控制。通用信息管理是基于B/S的管理系统，完成通用的数据管理与维护、人员权限管理和系统管理等。导调台负责引导和管理训练的全过程，完成模拟训练数据准备、任务调度和后台维护，包括训练场景管理、训练任务管理、训练过程控制和成员管理。演示台完成模拟训练中各种操作演示、设备结构演示和模拟仿真训练讲解演示等功能，包括模拟仿真训练演示和结构原理仿真演示。训练台用于接收指挥控制的指令，按照训练方案，执行特定的训练任务，包括训练准备模拟仿真训练操作和班组协同仿真训练。评估台承担训练过程中的各项记录任务，完成对训练效果的评估，包括仿真训练检验和评价、训练考核规则设置、训练过程记录和训练过程回放。

1.2 系统软件结构

仿真训练系统借鉴分层体系架构思想进行设计，将不同的系统功能划分到不同层级结构中实现，低层级功能为高层级提供有效支撑。系统分为基础设施层、信息资源层、基础支撑层、应用支撑层、业务应用层和系统对外接口六个层次，如图2所示。

图2 系统总体架构

基础设施层为模拟训练系统提供具体的软硬件环境支撑，包括服务器与存储、操作系统、系统软件和网络设施四个部分。信息资源层为模拟训练系统提供了数据支撑，针对系统的业务需要，主要包括仿真数据库、基础数据库、业务数据库和主题数据库。基础支撑层包括三维虚拟现实引擎、推理机引擎、脚本引擎、考核评估引擎、分布式仿真支撑五个组成部分。基础支撑层主要为训练系统的模块功能提供理论和逻辑支撑，是整个模拟训练系统的灵魂。应用支撑层实现对训练过程的模拟仿真和控制，为最终的模拟训练系统提供功能支撑，主要包括三维视景、训练场景编辑、训练任务控制、脚本开发、记录回放、考核评估、仪表仿真、人物仿真、态势显示和通讯等共10个模块。业务应用层面向最终用户，在各支撑层的基础之上，通过建立训练预案、想定，建立对应的三维场景模型和人物仿真模型，并结合业务要求和业务特点，融合训练的业务流程，开展对应的模拟训练活动。

为确保训练系统与外部系统的互联互通，系统接口设计采用以服务集成为核心，数据集成为基础，功能集成为补充的多种集成手段。服务集成以发布和调用SOA服务方式来实现各业务系统间主动、实时的获取所需信息。功能集成主要以提供本地API、ActiveX控件等方式与外部系统集成，来调用外部系统的相应功能。数据集成则以各业务系统间进行读写数据库或采取数据同步工具方式实现。

2 系统功能

水罐消防车仿真训练系统以某型号水罐消防车为教学对象，以低层建筑火灾扑救、高层建筑火灾扑救和着火罐冷却为协同训练背景，通过虚拟仿真技术把教学对象、教学内容、教员指导、学员训练和检验评估有机地融合为一体，形成一部生动形象的水罐消防车教科书和一个可操作、可练习、可测评的水罐消防车操作训练场，切实满足教员、学员对水罐消防车“教”“学”“练”“考”四个方面的教学需要。

水罐消防车仿真训练系统主要由结构原理演示台、训练演示台、单环节训练操作台、班组协同训练操作台、训练检验和评价台、过程控制与回放及系统管理七部分组成，如图3所示。

图3 系统功能结构

2.1 结构原理演示台

结构原理演示台设计实现了含消防车整体外观、发动机和底盘、乘员室、水罐、引水装置、水泵与管路系统、水泵装置的动力传动与操纵系统、仪表、附加装置、器材厢等共10项内容的结构演示，采用三维模拟仿真场景动画、语音讲解和字幕显示融为一体的方式，生动形象地向学员讲授和演示水罐消防车整体、各部分结构组成及运行原理的专业理论知识。

2.2 训练演示台

训练演示台采用全三维动画展示水罐消防车操作训练流程，同时辅以语音讲解和字幕显示，向学员介绍消防车及相关设备的正确操作方法和操作注意事项。

训练演示台涉及驻车操作、铺设供水线路、取水操作、射水操作和特殊条件下操作等五个方面，包括沿地面铺设水带、利用水罐取水、水带水枪射水和球阀加热等共13个环节的操作演示内容。

2.3 单环节训练操作台

与训练操作演示台相应，单环节训练操作台针对水罐消防车操作过程中13个环节，设计模拟真实的仿真操作环境，实现完全自主控制的单环节操作训练。训练过程中系统对于出现的错误操作会给出相应提示，并记录下来，进行后续的操作评分。对于可能引起车辆损坏和造成人员事故的严重错误，系统将会终止当前训练。

2.4 班组协同训练操作台

该部分构建一个全功能模拟仿真环境，虚拟不同的水罐消防车应用场景，实现多使用人在局域网环境内协同参与训练。该功能模块遵循HLA架构设计，实现标准化的分布式模拟仿真。

学员进入协同训练操作台后，可利用训练设置功能对仿真场景进行预先定义，然后根据不同应用的仿真场景确定供水方案，并根据选择的不同角色，进入仿真场景进行综合训练。该功能模块构建了一车两枪扑救低层建筑火灾、一车两枪扑救高层建筑火灾、一车一炮冷却着火罐等三种不同的消防车班组训练科目。

2.5 训练检验和评价台

训练检验评测台提供组织考核和查询操作成绩的功能。该模块设计实现了测评计划安排、测评结果人工评定和自动评定、测评结果查询等四项内容。测评计划安排可以预先制定班组协同训练的测评计划，提供测评信息的编制、修改、删除和查询。测评结果人工评定为教员提供操作训练人工评判的功能。测评结果自动评定则是系统依据设定的考核规则实现自动打分的过程。所有测评计划及其操作结果都可以在测评结果查询功能里进行查询观看。

2.6 过程控制与回放

过程控制与回放主要用于回放记录、重演训练过程，在训练过程中能记录每个学员的整个训练过程，包括所有的事件细节、处理过程等。记录策略可由教员统一设定，记录结果统一存放在数据库中。该模块对训练过程中产生的相关数据资料进行存储管理，实现对各训练阶段的完整过程记录和回放功能，为相关的操作训练提供指导和借鉴的信息来源，记录对象包括语音、动画、文字、时间等。

2.7 系统管理模块

该模块提供用户信息、功能权限、业务参数、考核规则等资源的配置管理、认证授权功能，可实现用户对子系统、模块和功能的权限配置。同时，系统管理模块可提供用户进入系统时的身份认证功能，以及进入系统后的操作权限鉴定功能。

3 结论

大型消防装备教学和训练效果的提升一直是教学改革关注的难点问题之一。本系统的设计与实现，为这一难题提供了解决方案。基于桌面计算机的设计思路有效扩宽了系统的使用环境，B/S与C/S相结合的架构在保证模拟仿真效果的同时，有效提高了系统使用和维护的方便性，全面的系统功能完整支持了“学—练—考”各个环节，最终实现了教学工作的数字化、自动化目标。

[1] 张家祥.HLA仿真技术应用教程[M].北京:国防工业出版社,2007:181-188.

[2] 国栋,张晶,钱良.基于HLA的分布式仿真训练系统设计[J].无线电工程,2012,42(9):5-6.

[3] 王铁,高昱,申晋宪.水罐消防车操纵稳定性与平顺性的仿真优化[J].汽车工程,2012,34(12):21-25.

[4] 吴攀攀,石鹏飞,肖晶.消防车臂架铰接变幅机构仿真与优化[J].消防科学与技术,2013,32(3):297-299.

(责任编辑 马 龙)

On the Design and Implementation of the Simulation Training System for Fire Water Vehicles

CHEN Zhihui

(DepartmentofFireCommanding，TheArmedForceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

The framework and functions of a network based on a simulation training system for fire water vehicles are introduced. The system substitutes real equipment for technology training with different fire scenes, which offers an implementation for reforming training methods of big fire equipments.

water fire vehicle; simulated training; OpenGL; fire sight; examination

2015-04-01

河北省高等学校科学研究计划项目“水罐消防车仿真训练系统设计实现与教学应用”(Z2015160)

陈智慧(1971— )，女，河北廊坊人，教授，研究生导师。

D631.6

A

1008-2077(2015)10-0013-04