1 引 言

為了在戰(zhàn)斗破損或火災(zāi)等緊急情況下有效地保持艦艇的生命力，需要全艦人員在技術(shù)與心理上作好充分的準(zhǔn)備。為此，艦艇抗沉與滅火等損害管制行動的日常訓(xùn)練是一個極為重要與關(guān)鍵的問題。這種訓(xùn)練不僅包括士兵一級的損管技能和崗位協(xié)同訓(xùn)練，而且還包括艦長、副長和機電長等指揮員處理各種損害情況的損管指揮能力的訓(xùn)練。

由于抗沉與滅火訓(xùn)練的特殊性，一般無法在實船上進(jìn)行實操。因此，在損管模擬器中的訓(xùn)練是各國對艦員和指揮人員進(jìn)行訓(xùn)練與考核的主要手段。為了使艦員在損管模擬器中的訓(xùn)練接近實戰(zhàn)，研究和設(shè)計出集仿真、自動控制、信息綜合處理于一體的智能化多功能的艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

2.1 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，該系統(tǒng)采用3層結(jié)構(gòu)，即設(shè)施層、監(jiān)控層及信息處理層[1]。

圖1 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

1) 設(shè)施層。整體建筑結(jié)構(gòu)是模擬艦艇的一個艙段。損管場所分兩類艙室：抗沉艙室(破口堵漏、管路包扎、排水及水下作業(yè)訓(xùn)練)，滅火艙室(滅火訓(xùn)練)。根據(jù)艙室訓(xùn)練功能的不同，配置相應(yīng)的設(shè)施(如各種艙室破口，各種破損管路，排水設(shè)施，水下作業(yè)平臺，通風(fēng)管路，配電箱，供油管路及閥門，各種滅火系統(tǒng)等)。

2) 監(jiān)控層。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)測控制。數(shù)據(jù)采集主要是各種傳感器實時采集現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場采集到的各種數(shù)據(jù)及系統(tǒng)設(shè)備運行的邏輯關(guān)系控制現(xiàn)場內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)。

3) 信息處理層。由中央處理計算機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、各級損管指揮部位的通訊設(shè)備及控制顯示終端、監(jiān)控軟件及智能輔助決策軟件等組成。在訓(xùn)練開始之前，它能夠制定訓(xùn)練方案；能夠?qū)崿F(xiàn)對控制設(shè)備進(jìn)行高速有效的監(jiān)測和控制；能夠應(yīng)用智能信息處理技術(shù)對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)信息在形成決策的同時把挖掘出的新的有價值的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，以完善數(shù)據(jù)庫。指揮員在中央控制室就能實現(xiàn)對全局的指揮調(diào)度和集中監(jiān)控。

2.2 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件功能

軟件界面突出人機交互性，應(yīng)用組態(tài)軟件技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)逼真動態(tài)數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用基于VB編程的OpenGL技術(shù)實現(xiàn)三維動態(tài)船體狀態(tài)顯示。軟件功能具體如下：

1) 發(fā)布訓(xùn)練方案。由訓(xùn)練專家設(shè)計方案庫，程序員對其進(jìn)行編程，并添加在數(shù)據(jù)庫中。可根據(jù)不同的訓(xùn)練科目和難度系數(shù)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出相應(yīng)方案。由中央處理計算機運行程序傳送到現(xiàn)場控制器形成想定災(zāi)害，開始進(jìn)行訓(xùn)練。

2) 三維動畫顯示船體狀態(tài)和動態(tài)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫中船體數(shù)據(jù)、海況的假想數(shù)據(jù)和實時的災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，在不同的損管實施階段實時顯示不同的船體狀態(tài)。

3) 損管指揮訓(xùn)練功能。損管指揮訓(xùn)練包括艦艇防沉指揮訓(xùn)練和艦艇火災(zāi)指揮訓(xùn)練。艦艇防沉指揮訓(xùn)練功能包括平日防沉、破損防沉，操作后安全性評估、災(zāi)害發(fā)展預(yù)報和智能輔助決策。艦艇火災(zāi)指揮訓(xùn)練系統(tǒng)功能：艦艇火災(zāi)種類信息、重要艙室設(shè)備信息、火災(zāi)處置安全評估、火災(zāi)蔓延預(yù)報和智能輔助決策。

4) 訓(xùn)練評價。該系統(tǒng)有一套客觀的考核評價系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)能分析出訓(xùn)練人員的損管技能、應(yīng)變能力、身體素質(zhì)和指揮能力等，從而提出針對性極強的改進(jìn)訓(xùn)練計劃，為下次訓(xùn)練作指導(dǎo)。

2.3 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)基本設(shè)施建設(shè)思路

艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)是鋼結(jié)構(gòu)建筑物。它模擬艦艇的1個艙段，共分3層甲板，如圖2。頂層甲板設(shè)直升機庫以模擬驅(qū)護(hù)艦飛行甲板及機庫的消防滅火，以及設(shè)有通風(fēng)機艙。2層甲板布置有損管站、醫(yī)務(wù)室、艦長指揮室、動力損管部位和各種通道，可作為損管集控中心和損管隊集結(jié)地。3層甲板是受訓(xùn)人員進(jìn)行損管的場所，分隔成多個艙室：發(fā)電機艙(破口堵漏、管路包扎、支撐訓(xùn)練、排水及潛水作業(yè)訓(xùn)練)、士兵住艙(破口堵漏、管路包扎、排水及支撐訓(xùn)練)、主機艙(火災(zāi)模擬艙)及觀察區(qū)域。在觀測區(qū)域能夠全面觀測災(zāi)害情況和受訓(xùn)人員的損管活動情況。3層甲板以下設(shè)置各種管路、傳感器和閥件等。

圖2 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖

2.4 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)在功能方面的具體組成

該系統(tǒng)主要由抗沉訓(xùn)練系統(tǒng)、滅火訓(xùn)練系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、損管指揮訓(xùn)練系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。

抗沉訓(xùn)練系統(tǒng)既可完成崗位的抗沉技能訓(xùn)練，又能滿足全船損管抗沉協(xié)同訓(xùn)練的需求；滅火訓(xùn)練系統(tǒng)為全體艦員提供滅火的基本技能，特別是能模擬艦艇火災(zāi)的全過程；中央控制系統(tǒng)主要是對抗沉、滅火等現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)測控制和完成各戰(zhàn)位之間的通訊與指揮；損管指揮訓(xùn)練系統(tǒng)為艦艇指揮人員提供在艦艇破損和火災(zāi)情況下的損管指揮能力訓(xùn)練。

2.5 采用的關(guān)鍵技術(shù)

1) 建立三維動態(tài)船體模型[2]。運用基于VB的OpenGL技術(shù)構(gòu)建艦艇模型。艦艇狀態(tài)顯示運用VB編寫程序，從建立的船型模型數(shù)據(jù)庫和實時監(jiān)測系統(tǒng)讀入數(shù)據(jù)，通過OpenGL庫函數(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)渲染場景，實現(xiàn)船體狀態(tài)隨災(zāi)害情況和損管實施階段的不同而實時顯示。

2) 智能輔助決策。運用數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)融合理論對災(zāi)害情況進(jìn)行輔助決策[3]。

3) 建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫。如知識庫、模型庫、方法庫、訓(xùn)練方案庫、船型數(shù)據(jù)庫等。模型庫和方法庫為各種分析工具提供指導(dǎo)，知識庫中的知識不僅可以指導(dǎo)新知識的發(fā)現(xiàn)，也可以不斷得到新知識的充實。訓(xùn)練方案庫為訓(xùn)練提供不同的訓(xùn)練科目和不同難度系數(shù)的訓(xùn)練。

3 艦艇損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)在艦員培訓(xùn)中的應(yīng)用

該系統(tǒng)不僅能對艦員進(jìn)行單項的基本技能訓(xùn)練，而且還能對指揮員和艦員及艦員之間的協(xié)同進(jìn)行訓(xùn)練。其訓(xùn)練流程如下[4]：

1) 由中央處理計算機對損害情況進(jìn)行設(shè)定，完成任務(wù)想定和訓(xùn)練命令下達(dá)，運行程序并傳達(dá)到現(xiàn)場控制器形成想定的損害情況。

2) 由數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)對損害現(xiàn)場環(huán)境的各項參數(shù)進(jìn)行實時檢測，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街醒胩幚碛嬎銠C，并在各損管指揮部位的顯示終端上予以顯示，讓受訓(xùn)指揮人員指揮艦員進(jìn)行損管動作。

3) 中央處理計算機接收到各項參數(shù)后，其所配備的智能輔助決策軟件能及時判斷火災(zāi)和破損情況，根據(jù)判斷結(jié)果做出最優(yōu)化的損管措施決策，并將決策方案結(jié)果傳輸給受訓(xùn)指揮員供其參考[5]。

4) 指揮員做出最終決策，執(zhí)行控制設(shè)備和指揮艦員進(jìn)行損管。中央處理計算機將其損管情況進(jìn)行監(jiān)測和顯示，并做出成績評定。

4 艦員成績評定方法的研究和實現(xiàn)

4.1 堵漏訓(xùn)練成績評定

1) 堵漏成績的構(gòu)成

評定堵漏成績主要由堵漏的速度、進(jìn)水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)等因素構(gòu)成。堵漏的速度是將破口堵好用的時間越短其成績應(yīng)越高。進(jìn)水量是從開始堵漏的瞬間起到堵漏完畢這段時間之內(nèi)艙內(nèi)的進(jìn)水量，顯然進(jìn)水量越少其成績應(yīng)越高。戰(zhàn)斗姿態(tài)，在堵漏過程中受訓(xùn)人員的戰(zhàn)斗姿態(tài)，如口令是否洪亮、器材應(yīng)用是否正確、動作是否準(zhǔn)確等，此項成績由教練員現(xiàn)場給定。

以上因素的權(quán)重可以根據(jù)訓(xùn)練側(cè)重點不同由教練員設(shè)定。首先應(yīng)考慮的是時間因素，其次是進(jìn)水量，最后是戰(zhàn)斗姿態(tài)。

設(shè)W1，W2，W3分別表示時間、進(jìn)水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)的權(quán)重，則它們滿足：W1+W2+W3=1，W1>W2>W3>0。

2) 用時因素和進(jìn)水量因素成績的評定方法

對于特定破口及不同的堵漏環(huán)境條件(如不同壓力、有無燈光、初學(xué)者與熟練者等)，教練員可以設(shè)定堵漏時限下限X1和堵漏時限上限X2，當(dāng)堵漏所用時間X少于下限X1，即XX2時，認(rèn)為堵漏失敗，用時得分Y為0分，堵漏用時在兩者之間(X1≤X≤X2)，用時得分Y為0～100分之間的線性插值。用下式計算：

(1)

進(jìn)水量因素成績采用與評定用時因素成績相類似的方法設(shè)定最少進(jìn)水量下限和上限，進(jìn)水量少于下限為滿分，進(jìn)水量超過上限認(rèn)為艙室被淹，堵漏失敗，進(jìn)水量因數(shù)成績?yōu)?分。

3) 堵漏難度系數(shù)

根據(jù)堵漏后的滲漏率，可以為堵漏成績設(shè)難度系數(shù)k。對于某一特定破口，根據(jù)熟練操作人員與初學(xué)者的差異設(shè)置下限流量最小值Qmin和下限流量最大值Qmax，難度系數(shù)k就是該次堵漏所設(shè)定的下限流量Q與最小值Qmin和最大值Qmax之間的相對難易程度。難度系數(shù)k用下式計算：

(2)

4) 總成績的評定

設(shè)P1，P2，P3分別表示用時、進(jìn)水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)的分成績，W1，W2，W3分別表示時間、進(jìn)水量和戰(zhàn)斗姿態(tài)的權(quán)重，若不考慮難度系數(shù)，堵漏總成績P為：

P=W1·P1+W2·P2+W3·P3

(3)

若計入難度系數(shù)k，則總成績Pk為：

Pk=k(W1·P1+W2·P2+W3·P3)

(4)

應(yīng)用Visual Basic 6.0編寫堵漏訓(xùn)練成績評估系統(tǒng)軟件，其中成績評估界面如圖3。

圖3 堵漏訓(xùn)練成績評估界面

4.2 滅火訓(xùn)練成績評定

評定滅火訓(xùn)練成績主要由滅火的速度和戰(zhàn)斗姿態(tài)等因素構(gòu)成。

1) 滅火的速度。將火撲滅用的時間越短成績應(yīng)越高。評定方法：“點火”開關(guān)打開后，程序自動獲取艙室溫度，并設(shè)為初始溫度，艙室溫度逐步上升，當(dāng)上升的溫差達(dá)到“燃燒點溫差值R”時，程序自動取得“開始時間t1”，參訓(xùn)人員開始滅火。滅火期間，燃燒點溫度繼續(xù)上升，上升到最大值時燃燒點溫度會逐漸下降，當(dāng)下降的溫差達(dá)到“火熄滅溫差值M”時，程序認(rèn)為火已被撲滅，并自動取得“截止時間t2”，將“截止時間t2”與“開始時間t1”相減得“滅火時間Tm”，即：Tm=t2-t1。

火撲滅時“滅火評分值Hm”的確定方式：

(5)

式中，T2是“最短滅火時間”，T1是“最長滅火時間 ”。

2) 戰(zhàn)斗姿態(tài)。在滅火訓(xùn)練過程中，受訓(xùn)人員的戰(zhàn)斗姿態(tài)，如口令是否洪亮、器材應(yīng)用是否正確、動作是否準(zhǔn)確等，此項成績由教練員現(xiàn)場給定。

參訓(xùn)人員“動作表現(xiàn)評分值B”的確定：訓(xùn)練結(jié)束時，指揮員要對參訓(xùn)人員在訓(xùn)練過程中的表現(xiàn)、動作正確性進(jìn)行現(xiàn)場評分，程序自動打開“操作步驟評分表”(含“滅火手段”)，供指揮員填表中的各個單項值，單項值之和為0～100的整數(shù)值。

以上兩個因素的權(quán)重可以根據(jù)訓(xùn)練側(cè)重點、訓(xùn)練科目的難易程度、訓(xùn)練大綱的要求和部隊的實際情況的不同由教練員設(shè)定。首先應(yīng)考慮的是時間因素，其次是戰(zhàn)斗姿態(tài)。設(shè)N，P分別表示滅火時間和戰(zhàn)斗姿態(tài)的權(quán)重，則它們滿足：N+P=1，N>P>0。

3) 總成績評定。訓(xùn)練成績F的計算公式：F=Hm×N+B×P；最后得到的是0.00～100之間的值(小數(shù)位2位)；應(yīng)用Visual Basic 6.0編寫滅火訓(xùn)練成績評估系統(tǒng)軟件。

5 結(jié)束語

艦艇損管是預(yù)防或減少艦艇災(zāi)害帶來的損失以確保艦艇生命力的一項重要工作。損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)是迫切的，這就需要我們深入研究、結(jié)合實際，不斷完善系統(tǒng)功能，最終將系統(tǒng)建設(shè)成集損管指揮與技能訓(xùn)練、訓(xùn)練研究、理論研究、實操與虛擬仿真、自動控制、信息綜合處理于一體的智能化多功能損管綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，大幅度提高艦員的訓(xùn)練質(zhì)量。

[1] 郭華芳，李智文.消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)初探[J].消防科學(xué)與技術(shù),2007,26(1):86-88.

[2] 陸錦輝，張敏.主推進(jìn)系統(tǒng)實船訓(xùn)練系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].上海艦艇運輸科學(xué)研究所,2006,29(1)：6-13.

[3] 任明侖，朱衛(wèi)東，等.智能決策支持系統(tǒng):研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].系統(tǒng)工程學(xué)報，2002,17(5):430-440.

[4] 邱金水，浦金云，陳兆良.艦艇損管監(jiān)控系統(tǒng)與損管訓(xùn)練[M].武漢:海軍工程大學(xué)出版社,2001.

[5] 劉俊，浦金云.艦艇損管決策及自動化控制[J].艦艇與海洋工程研究總集，2001(143):1-2.