舰艇战斗损管决策建模及信息化系统研究

侯 岳, 王康勃, 冯伟强, 安中昌

(1. 海军工程大学动力工程学院, 湖北 武汉 430033; 2. 中国人民解放军92537部队, 北京 100161)

0 引 言

无论平时还是战时,舰艇都可能发生各类火灾、爆炸、破损进水和消防系统失效等事故和灾害[1-2]。损害管制,作为舰艇破损和灾害处置的危机决策行动,是舰艇安全性和生命力的重要保障[3-4]。损害管制主要包括“消防”“抗沉”以及“战损恢复”3个关键要素[5-6]。损管决策是与各类灾害损伤相对抗的指挥行为,是对舰艇技术装备和损管战术的综合应用[7-8]。目前,我国在进行损管决策技术的研究中,主要考虑的是平时灾害模式。美国海军在20世纪80年代提出了战斗损管系统(battle damage control system,BDCS)的概念,希望在损管系统设计中突出作战背景,重点保证战斗损伤下的舰艇损管能力[9-10]。21世纪初,加拿大L3公司开发的新型战斗损管系统,信息化、集成化和自动化程度显著提高,已经在法国、韩国、美国、德国等多个国家海军的140艘舰艇和18条潜艇上使用[11-12]。国外海军报道的海军损管指挥演习表明,该类系统的信息处理量更大、反应时间更快、辅助决策能力更强,实现了作战指控网的信息对接[13]。

然而,目前我国海军相关技术的研究和应用还较为落后。在战斗破损情况下,灾害的特征变得更加复杂,主要表现:①火灾和烟气的空间范围将从局部的单舱发展到大范围的多舱,防火边界和防烟边界舱室更多,人工决策的难度更大,对自动化决策的需求更为迫切[14]；②大面积破损进水后,舰艇的稳性可能变为负值,舰体平衡的决策不仅要考虑载荷分布的不对称性,还要考虑负初稳度问题[15]；③传统的决策模型需要精准的舱室进水态势，然而,实战损伤的进水态势复杂,进水舱室和水位高度不清晰,必须研究建立对应的决策模型。上述问题是战斗损管决策所面临的迫切问题,也是决策支持系统开发所必须解决的理论难题。

我国海军经过数十年的研究攻关,首先解决了上述基本理论建模难题,然后完成了信息化数据的采集方法设计,并据此开发了信息化决策系统,提高了损管决策的实战化应用水平。在实际应用过程中,该系统能够针对特定的灾害模式,对人工决策和自动决策进行对比分析。测试结果表明,该系统显著提高了战斗损管决策的速度和效率,是辅助开展战斗损管指挥的重要手段。

1 舰艇防火和防烟边界设置自动决策模型

舰艇船体钢制结构的导热性强,火灾和烟气会沿着舱壁、甲板、舱门和舱口盖蔓延。因此,如何快速地制定限制火灾和烟气蔓延的防火边界和防烟边界,是扑灭火灾、减小火灾过火面积和保证舰船安全的关键。目前,在进行损管指挥时,主要是依据舱室布置图、防火控制图、消防预案等文件现场查阅的方式设置防火边界和防烟边界。对于单个舱室起火的情况,该方法相对有效。但是,对于战斗破损、多个舱室起火的情况,需要设置的防火边界和防烟边界个数较多,并且部分边界是需要优先重点设置的[16]。此时,如果还依赖舰员的主观判断,就会发生边界设置不全、边界设置不准的现象,结果将造成火灾和烟气无法得到有效的限制,并且可能向危险的弹药舱部位蔓延,严重威胁舰船的生命力。

1.1 设置原则

首先制定了自动生成防火边界、防烟边界的基本规则,具体包括:

(1) 在起火舱空间6个方向相邻的舱室上,都要设置防火边界;

(2) 起火舱顶部相邻的舱室,应优先设置防火边界;

(3) 与所有起火舱防火边界舱相邻接的舱室,都要设置防烟边界;

(4) 液舱内不需设置防火边界和防烟边界;

(5) 如果某个舱室已经发生火灾,则该舱室不属于防火边界的设置范围;

(6) 对于有舱门的舱壁和有舱口盖的甲板,应优先设置防烟边界。

1.2 子舱壁和子甲板的定义

由于舰船舱室分布复杂,对于每一个横向舱壁,其前后可能会布置多个舱室。如果不将横向舱壁分割成子横向舱壁,就无法准确地描述舱室之间的邻接关系。纵向舱壁和甲板的分割情况与之类似。分割的方法是:按照舱室的布置情况,将横向舱壁、纵向舱壁和甲板划分成多块子横向舱壁、子纵向舱壁和子甲板,从而使任意一块横向舱壁、纵向舱壁或甲板分割只属于一个或两个舱室。通过横向舱壁、纵向舱壁和甲板的分割,将任意一个舱室与一组特定的子横向舱壁、子纵向舱壁和子甲板集合一一对应。子舱壁和甲板的分割案例图如图1所示。

图1 子舱壁和甲板的分割案例图Fig.1 Illustration of sub-bulkhead and sub-deck

由图1可知，横舱壁1-4和横舱壁5-7在物理上是一块横向舱壁。但是,从舱室分隔的角度出发,横舱壁1-4被A舱、B舱和C舱分隔成3个部分,即子横舱壁1-2、子横舱壁2-3和子横舱壁3-4。同样,纵舱壁2-6被B舱和C舱分隔成2个部分,即子纵舱壁2-8和子纵舱壁8-6。甲板面1-5-7-4-1被A舱、B舱和C舱分隔成3个部分,即子甲板1-5-6-2-1、子甲板2-8-9-3-2、子甲板8-9-3-4-7-6-3。

1.3 防火边界和防烟边界自动生成算法

步骤1构建子横向舱壁数据表、子纵向舱壁数据表和子甲板数据表。子横向舱壁数据表主要针对任意一个子横向舱壁,以列表的形式记录该子横向舱壁首尾邻接的两个舱室名称,以及该子横向舱壁上是否有舱门。子纵向舱壁数据表主要针对任意一个子纵向舱壁,以列表的形式记录该子纵向舱壁左右邻接的两个舱室名称,以及该子纵向舱壁上是否有舱门。子甲板数据表主要针对任意一个子甲板,以列表的形式记录该子甲板上下邻接的两个舱室名称,以及该子甲板上是否有舱口盖。

步骤2构建舱室邻接关系数据表。针对每一个舱室,以列表的形式记录与该舱室在上、下、前、后、左、右6个方向上相邻接的舱室名称。

步骤3定义对舱室操作和对集合操作的基本算子,如表1所示。包括:“相邻舱室搜索算子”“舱室相邻舱壁甲板搜索算子”“舱室相邻的特殊舱壁、甲板搜索算子”“顶部相邻舱室搜索算子”“并集算子”“差集算子”和“交集算子”。

表1 数据操作的基本算子

步骤4按照图2的算法,自动生成:防火边界、需要优先设置的防火边界、防烟边界、需要优先设置的防烟边界。在图2中W表示液舱集合。

2 基于倾斜原因分类的船体扶正决策算法

舰船平时的事故进水,破损的舱室个数有限,并且一般都在水线下,因此通常不会出现负初稳度,此时,船体扶正的关键是消除空间分布不对称的载荷,即通过施加反向力矩的方法平衡舰体。然而,在战斗损伤情况下,舰艇会出现多舱大面积自由液面进水的态势,传统的扶正决策方法不仅不适用,还可能造成更大的倾斜,对舰船的安全构成严重的威胁。因此,战斗破损的船体扶正决策,必须区分舰艇倾斜的原因,并针对不同的情况,采取不同的对策。

2.1 舰艇倾斜原因的分类及扶正策略

根据舰艇静力学的基本原理,舰艇舱室破损进水情况以及扶正策略如表2所示[17]。

图2 防火边界和防烟边界的自动生成方法Fig.2 Automatic generation method of fire boundary and smoke boundary

序号表现特征破损原因扶正策略情况1舰船不定期地停留在左舷或右舷，并且停留的角度基本相同仅由负初稳度引起的舰艇倾斜只需要消除负初稳度，禁止施加反向力矩情况2舰船倾斜和倾差角度与不沉性标板的角度相等仅由不对称进水引起的倾斜和倾差通过施加反向力矩的方法平衡舰体情况3舰船只停留在一舷，但倾角远大于进水不对称应造成的倾角；或者舰船停留在非破损进水的轻边由负初稳度和不对称进水综合引起的倾斜先消除负初稳度，然后再施加反向力矩

对于情况1,倾斜仅仅是由自由液面和负初稳度引起的,因此扶正的关键是消除负初稳度,而不是施加反向力矩;对于情况2,倾斜是由进水导致的载荷不对称引起的,扶正的关键是施加反向力矩;情况3是上述两种情况的综合效应,扶正的关键是先消除负初稳度,然后再施加反向力矩。

2.2 船体平衡扶正算法

上述3种倾斜情况对应的舰艇平衡策略是不同的。因此进行船体扶正之前,必须判断并明确造成舰艇倾斜、倾差的原因。这是进行扶正的前提和关键。

2.2.1 第1类扶正算法

对于第1种破损进水情况,首先分析能够消除负初稳度的抗沉资源,包括:可压载舱(载荷)、可卸载舱(载荷)、可移载舱(载荷)以及可消除自由液面的舱室。然后,针对上述4种情况,分别生成能够消除负初稳度的单扶正方案。接着,对所有的单扶正方案,分别计算其实施后初稳度的增量,并选取初稳度增量最大的单扶正方案进行实施。根据当前单扶正方案实施后的情况,判断舰船是否依然存在时而左倾、时而右倾、并且倾斜角基本相同的现象,也即是判断舰船的初稳度是否依然是负值。如果初稳度依然是负值,则按照上述过程继续生成最优的单扶正方案实施,直到舰船初稳度为正值。此时舰船将自然恢复到正值状态。设计的算法如图3所示。

2.2.2 第2类扶正算法

对于第2类倾斜情况的扶正算法,目前国内外的研究较多[18-20]。然而,现有算法的前提都是必须明确具体的破损进水舱室。这种假设只适用于平时的事故进水,即进水舱室较少,进水态势比较容易掌握的情况下。然而,实际的战斗破损进水态势一般并不清晰,多舱进水、多处进水的情况经常发生。指挥员难以掌握进水的舱室名称和进水类型,因此目前的算法无法满足实战下的船体扶正决策需求。本文建立了“试探性”的扶正方法,一方面可以完成舰体的初步试扶正;另一方面,又可以通过试扶正的效果,掌握不明进水舱对舰艇不沉性指标诸要素的影响,并在此基础上,借助标板图的修正进行再扶正。以扶正横倾为例,算法步骤如下所示。

图3 消除负初稳度流程图Fig.3 Flow chart of eliminating negative initial stability

步骤1选取第一次试扶角度为当前破损角度的1/3,θ试扶=θ破/3。

步骤2在标板图上选择一组扶正舱室,使其扶正角度为试扶角度,θ标板扶正≈θ试扶。如θ标板扶正与θ试扶的差值在1°以内,即可作为试扶正方案。如果有多个试扶正方案,则以既能消除横倾又能消除纵倾,并且θ试扶与θ标板扶正相差最小的方案为优先选用方案。

步骤3计算修正系数,即:实际扶正角度与标板图标注扶正角度的比值为

(1)

式中,P为舰船当前排水量;q为扶正舱室的载荷增量。如果是压载的方法,则q为正值;如果是卸载的方法,则q为负值。

步骤4根据该修正系数,对标板图上的横倾数值进行修正,使用修正后的数据进行再扶正即可。当舰艇横倾角在1°以内时,即可认为是安全状态。

3.2.3 第3类扶正算法

对于第3种破损进水情况,应该首先消除负初稳度,然后再采取“试探性”的方法进行扶正。消除负初稳度的方法与第1种破损进水情况的处置方法相同,“试探性”扶正的方法与第2种破损进水情况的处置方法相同。

3 数据采集方法

合理、高效、准确地进行数据采集,是信息化决策系统能否成功开发的关键。数据是整个信息系统建立、操作、管理和运行的基础,也是信息化系统开发的关键。数据库的建设,不仅关系着数据的使用效率,也与算法设计密切相关,必须充分体现算法与数据之间、数据与数据之间的关联。损管信息化数据种类繁多,数据之间关联性强。根据以往的数据采集经验,如果不统筹考虑系统的功能需求、算法需求和数据关系,容易造成数据重复采集、数据读写效率下降。经过反复的实践、尝试和修正提高,按照“局部→整体”“舱壁甲板平面→舱室空间→船体空间”的空间思维顺序,结合关键损管指挥环节的决策任务,根据损管信息可视化、损管信息关联性分析、不沉性指标计算等对数据的基本需求,研究提出了损管信息数据库的建设方法,解决了损管信息化系统的数据采集问题,特别是形成了以下基本的采集原则,大大提高了数据采集和数据应用的效率。采集的基本原则包括:

(1) 图形显示所需数据和技术指标计算所需数据分开采集。

(2) 计算机自动数据采集与人员手工数据采集相结合。

(3) 既考虑舰船的通用型,又考虑型号的特殊性。

(4) 数据的重复采集与数据的优化采集相结合。

(5) 标准信息格式与自制信息格式的结合。

设计的数据表、数据用途及采集源文件如表3所示。

表3 数据采集及数据表

4 信息化决策系统的设计和开发

4.1 系统方案设计

近年来,损管技术的发展极大地推动了损管决策效率的提高。其主要表现在:基于网络传感器采集系统的应用，使大规模的数据采集成为可能;基于大尺寸屏幕的显示系统使损管信息图形化显示成为可能;基于高性能计算机使损管决策系统具备操作环境。根据目前的硬件技术,设计的信息化决策系统包括:信息采集层、信息传输层、信息决策层、信息控制层和信息表现层。

(1) 信息采集层。进行灾害状态和损管设备执行状态的信息采集,终端包括火灾类传感器、进水类传感器以及消防和抗沉执行设备的状态信息。

(2) 信息传输层。连接信息采集层、信息决策层、信息控制层和信息表现层,是信息传输和发布的平台。为信息决策层、信息控制层上传损害信息和设备状态信息,为信息表现层发布损管状态信息和设备控制信息。信息传输层主要通过统一的平台网络传输信息,并辅以必要的CAN网等局域网或直连线路。

(3) 信息决策层。通过信息决策支持系统的开发,对灾害状态信息、设备状态信息进行处理,结合信息表现层中人员输入的操作、指令信息,进行数据的综合分析和决策处理,并生成决策方案。

(4) 信息控制层。根据生成的决策方案,分析方案实施与指令操作的映射关系,产生相关逻辑解算结果或控制指令,并控制各类灭火、抗沉及相关损管设备的动作。

(5) 信息表现层。主要提供人机交互环境,提供信息显示和输入方法。

4.2 信息决策支持系统的开发

信息决策层是整个信息化系统的关键模块,是信息化系统的“大脑”。使用上文构建的各类决策算法,在Visual Studio.net开发环境下,使用SQL Server数据库环境,完成了系统软件的开发。在开展系统研究时,注重形成了以下设计原则，如图4所示。

(1) 以信息为中心,保障损管工作。根据全舰信息化和损管工作的实际使用需要,损管指挥人员需要有效掌握损害信息、防火边界、防烟边界、不沉性信息和舰体平衡方案等大量信息。因此，系统的设计应充分考虑舰员对信息的感知、处理要求,为用户快速开展准确、有效的损害管制行动提供信息支持。

如图5所示,本系统能够根据起火舱室(红色填充)迅速自动生成防火边界(黄色填充)和防烟边界(白色填充),为损管指挥员完成限制火灾和烟气蔓延的战术行动提供有效的辅助决策。

如图6所示,损管指挥员可以根据当前的舰艇浮性和稳性参数,在软件界面中进行压制、卸载和移载操作，从而平衡舰艇。通过设置液舱调拨方案,最终可查看舰艇平衡效果。

图4 信息化系统架构设计Fig.4 Architecture of information system

图5 防火边界生成界面Fig.5 Generation interface of fire boundary

图6 平衡调整控制界面Fig.6 Control interface of warship equilibrium

(2) 以损管业务流程为基础,开展软件设计。在设计过程中,充分考虑了各项工作的内容和工作流程,有针对性地开展软件功能、流程和界面设计。在以往类似技术的研究工作中,往往会出现设计者与使用者的定位脱节、对损管业务流程考虑不够的现象,这也是影响信息决策系统实用化的关键因素。典型的损管信息化决策业务流程如图7所示。

图7 软件典型功能应用流程Fig.7 Flow chart of software’s typical functions

在发生火灾或进水等灾害时,灭火或抗沉流程包括发现损害、确认损害、查看辅助决策信息、组织损管行动、更新灾害信息等一系列的闭环反馈流程。在实际的灾害处置过程中,消防工作的开展可能会影响抗沉的工作,特别是水消防系统的使用,会造成舱室的积水和浸水。另外,在进行舰体平衡决策的设计时,除了会推荐舰体平衡方案以外,还根据一线损管指挥员的需求,提供了预判模式。损管指挥员可以自行对初步确定的舰体平衡方案进行效果预评估,然后,根据评估结果调整舰体平衡方案。

4.3 应用测试

针对某训练船型开发了信息化决策系统,并对该系统的辅助决策效能进行了测试和检验。针对表4中7个训练科目,分别统计了舰员决策耗时和系统决策耗时,并进行了比较分析。以舰员决策耗时和系统决策耗时的比值,作为系统决策效能的评估指标。决策效能测试结果如表4所示。

表4 决策效能测试结果

由表4可知,通过该信息化决策系统的使用,大大缩短了损管决策反应时间,这在“分秒必争”的损管指挥行动中,将发挥很大的军事作用。

5 结 论

损管决策是基于灾害感知、信息辨识、指挥决策、处理执行与反馈的复杂危机决策模式。损管决策过程中使用到的信息种类多、信息量大、信息途径多、决策模型复杂,如何根据损管业务流程和损管信息需求设计决策模型和信息采集方案,是信息化决策支持系统开发的关键。结合多年的研究和实践经验,介绍了损管信息化决策系统,并取得了较高的应用价值。关键模型以及信息化决策系统方案,将来可推广融合到全舰新型网、损管监控网等平台中。

然而,随着舰艇信息化水平的不断提高,未来的损管系统不仅是一套汇集信息的机械控制系统,而是一套在严密业务流程的整体导控下,集成损管通信、口令传递、辅助命令的综合自动化系统[21]。因此,如何将最新的损管技术与信息化决策技术进行有机的融合,以更为有效的方式完成信息收集、损害评估、辅助决策、控制实施等过程,依然是未来的研究和发展方向。

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