張永剛，孫騫，張璽,祝佳琰

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二六研究所，上海 201108)

?

艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

張永剛，孫騫，張璽,祝佳琰

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二六研究所，上海 201108)

根據(jù)艦艇火災(zāi)類型及實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀，提出一種針對艦艇火災(zāi)的實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用以真實模擬艦艇火災(zāi)環(huán)境，確保訓(xùn)練人員的安全，介紹實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能組成及設(shè)計。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；船舶火災(zāi)；實火模擬；系統(tǒng)設(shè)計

由于艦艇具有空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備密集、著火點隱蔽、火災(zāi)蔓延迅速等特點，一旦發(fā)生火災(zāi)，處置不當(dāng)會對艦艇安全構(gòu)成極大威脅[1]。因此，需要一種艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以讓艦艇消防人員身臨其境感受真實火災(zāi)場景中的各種極端環(huán)境，歷練心理素質(zhì)，提升消防技能，保證各項消防訓(xùn)練有效。

1 艦艇特點及火災(zāi)類型

1.1 艦艇特點

1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。受空間和利用率影響，艦艇一般結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，房間眾多，結(jié)構(gòu)各異，如一些大型水面艦艇有多達(dá)幾十甚至上百的艙室，各艙室內(nèi)聚集了各種用途的設(shè)備。

2)設(shè)備關(guān)聯(lián)復(fù)雜。艦艇內(nèi)部設(shè)備眾多，關(guān)聯(lián)復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，局部火災(zāi)可瞬間轉(zhuǎn)化為立體火災(zāi)，導(dǎo)致事故疊加，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

3)超大空間。一些大型艦船設(shè)有類似于飛機(jī)庫等的大空間或超大空間，該類空間一般空間大、遮擋嚴(yán)重、風(fēng)速高、難以快速密閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，對快速滅火要求高。

4)可燃物質(zhì)多。為滿足各項功能要求，艦艇一般都有很多高壓、大電流機(jī)電設(shè)備、貫穿全船/艇的電纜、蓄電池艙、燃料、柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)以及適宜艦艇人員居住艙室的裝飾物等可燃物質(zhì)[2]。

5)燃油儲量大。為適應(yīng)遠(yuǎn)洋作戰(zhàn)需要，艦艇一般都攜帶大量的燃油、潤滑油，一些大型水面艦，還攜帶大量的航空汽油。

6)攜帶高爆炸強(qiáng)度的彈藥。艦艇為了滿足作戰(zhàn)功能，一般都攜帶大量的高爆彈藥，一旦操控不當(dāng)，危害極大。

7)救援難度大。艦艇遠(yuǎn)洋訓(xùn)練、作戰(zhàn)，特別是水下潛艇，一旦發(fā)生火災(zāi)，附近救援力量很難及時趕到提供有效的滅火幫助。

8)熱傳導(dǎo)性能強(qiáng)。船體大多為鋼板制造，鋼鐵熱傳導(dǎo)性能比較高，起火后5 min內(nèi)，火災(zāi)附近溫度可迅速上升到500 ℃～900 ℃，臨近船體會被迅速加熱，很容易引燃緊靠船體的可燃物質(zhì)，造成火勢蔓延[3]。

1.2 艦艇火災(zāi)特點

1)電氣火災(zāi)。艦艇狹小空間內(nèi)布置了大量的高壓、大電流設(shè)備，再加上遍布全船/艇的電纜，很容易因為線纜短路和電氣設(shè)備超負(fù)荷工作而發(fā)生火災(zāi)。

2)油類火。艦艇攜帶燃油、潤滑油以及液壓油都構(gòu)成特定的火災(zāi)隱患，此類火災(zāi)蔓延迅速，滅火難度高，火災(zāi)危害極大。

3)艦載機(jī)火災(zāi)。一般常見與大型水面艦，艦載機(jī)無論是在停機(jī)狀態(tài)、滑行及高速起降時，由于儀器故障、意外碰觸、燃油泄漏、彈藥爆炸等原因都會引起火災(zāi)，一旦控制不當(dāng)，很可能會造成連鎖反應(yīng)，對水面艦船安全構(gòu)成極大威脅[4]。

4)蓄電池火災(zāi)。艦艇攜帶有大量的蓄電池，蓄電池在使用過程中，會產(chǎn)生氫氣，一旦發(fā)生短路現(xiàn)象，危害極大。

5)吸煙引起火災(zāi)。艦艇一般有較多人員，如果船上人員在不當(dāng)?shù)胤轿鼰煟瑏y丟未熄滅煙頭等，會造成很大的火災(zāi)安全隱患。

6)違章作業(yè)引發(fā)的火災(zāi)。違反有關(guān)安全規(guī)定，將危險品混存混放，違反安全操作規(guī)程，隨便動火動電，由于艦艇內(nèi)部攜帶大量易燃易爆物，此類火災(zāi)隱患后果不容小覷。

2 實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)有一些省份的消防局，引進(jìn)了一些建筑類型實火訓(xùn)練設(shè)施，對消防員消防技能有很大的幫助，但是該類設(shè)備參照國外設(shè)施設(shè)計，存在一些不符合國情的地方；國內(nèi)針對實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)起步較晚，已經(jīng)有一些專門針對艦載機(jī)火災(zāi)模擬設(shè)施[4]、民航飛機(jī)訓(xùn)練系統(tǒng)[5]、建筑火災(zāi)訓(xùn)練系統(tǒng)[6]的理論研究，但是由于艦艇消防特殊性，國內(nèi)還沒有針對此類實火模擬訓(xùn)練設(shè)施進(jìn)行系統(tǒng)性研究，距離建設(shè)具有高可靠、高實用性、高安全標(biāo)準(zhǔn)的實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)還有很多路要走。

國外機(jī)構(gòu)、學(xué)者在這方面研究開展研究較早，相關(guān)技術(shù)及實火訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，除了建設(shè)有完善的建筑火災(zāi)設(shè)施，還有專門應(yīng)用于海軍、空軍的訓(xùn)練設(shè)施，同時，國荷蘭HAGGEN公司，德國GFT公司，美國Kidde公司，德國Draeger公司等大型公司，在真火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)施研發(fā)方面已經(jīng)擁有幾十年的豐富經(jīng)驗，針對特殊火災(zāi)現(xiàn)象模擬、訓(xùn)練安全性保障、訓(xùn)練裝置模塊設(shè)計等方面擁有先進(jìn)的技術(shù)[6-7]。

3 艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成及功能

艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具有可以重復(fù)、高強(qiáng)度使用，前期準(zhǔn)備工作及訓(xùn)練后的清理工作量小的特點，具備真實模擬多種類型、多場景、多工況火災(zāi)的功能，具體火災(zāi)模擬功能如下：

1)火災(zāi)模擬功能。具有模擬真實艦艇火災(zāi)場景的功能，能模擬真實火災(zāi)火焰的炙烤，并能通過控制燃燒物供應(yīng)，達(dá)到模擬不同燃燒強(qiáng)度、不同燃燒部位、不同燃燒范圍的功能，可模擬陰燃火、蔓延火、轟燃火等類型火災(zāi)。

2)多火災(zāi)場景模擬功能。具有單獨模擬機(jī)艙動力機(jī)械起火、居住艙室起火、機(jī)庫飛機(jī)燃油泄漏起火等場景模式，并且可以根據(jù)實際訓(xùn)練需要，模擬多火災(zāi)場景聯(lián)動的火災(zāi)蔓延。

3)轟燃模擬功能 具有模擬艦艇火災(zāi)轟燃等特殊火災(zāi)的功能，并能通過限制最大燃?xì)夤?yīng)量可有效管控轟燃規(guī)模，避免出現(xiàn)意外事故。

4)煙氣流動模擬功能。具有模擬艦艇火災(zāi)發(fā)生后，煙氣在艙室內(nèi)部空間積聚、擴(kuò)散，煙氣沿通風(fēng)管、走廊、舷梯等部位水平或垂直方向流動。

5)火場視聽模擬功能。具有通過大功率音響設(shè)備、燈柱，渲染火災(zāi)現(xiàn)場的視覺、聽覺模擬效果，使得訓(xùn)練現(xiàn)場真實火災(zāi)現(xiàn)場的緊迫感。

為實現(xiàn)以上功能，艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)具體組成見表1。

表1 艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1 點火系統(tǒng)設(shè)計

穩(wěn)定的點火系統(tǒng)是艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，須具備在最苛刻環(huán)境下持續(xù)可靠的點火功能，還應(yīng)能避免火焰意外熄滅或點火未成功而引起的可燃?xì)怏w泄漏[8]。

圖1為穩(wěn)定點火源構(gòu)成示意圖，該點火源在整個訓(xùn)練階段保持燃燒，直至訓(xùn)練結(jié)束，這種設(shè)計方式可以保證生火槽不會因意外事故熄滅，而造成燃?xì)庑孤妒鹿?。圖1中，通風(fēng)設(shè)備為點火器提供充足的空氣及冷卻點火器的作用，空氣壓力開關(guān)用于檢測通風(fēng)設(shè)備的正常運行；離子火焰探測器用于監(jiān)測火焰大小、火焰狀態(tài)，為控制系統(tǒng)反饋火焰信息；高頻高壓點火器通過升壓整流處理，發(fā)出高能電弧火花點燃可燃?xì)怏w；電磁閥與控制器相連，通過控制器可以遠(yuǎn)程控制可燃?xì)怏w或空氣的進(jìn)氣量，達(dá)到控制火焰規(guī)模的作用；

點火系統(tǒng)具體點火流程如圖2所示，完成準(zhǔn)備工作后，按下點火按鈕，空氣電磁閥和通風(fēng)設(shè)備打開為點火系統(tǒng)供氣，空氣壓力傳感器反饋壓力正常后，打開燃?xì)怆姶砰y，然后高頻高壓點火器以3～5次/s的產(chǎn)生高能電弧點燃可燃?xì)怏w，點火完成；如果點火過程中，空氣壓力傳感器無壓力或者點火時間超時，點火系統(tǒng)會自動關(guān)閉電磁閥、風(fēng)機(jī)，進(jìn)入待檢查狀態(tài)，防止燃?xì)庑孤?，造成意外事故?/p>

3.2.2 生火槽設(shè)計

生火槽是整個火災(zāi)模擬的關(guān)鍵部分之一，生火槽設(shè)計需要保證訓(xùn)練設(shè)施承受長時間、不間斷的訓(xùn)練工作，而不會引起系統(tǒng)過熱，并能根據(jù)需要調(diào)整火焰大小及高度、最大滅火持續(xù)時間等參數(shù)，保證真實的訓(xùn)練效果。生火槽一般由304不銹鋼制成，上部為一個可盛水的槽和熄火檢測裝置，底部排列有燃?xì)夤艿?、給排水管道等。訓(xùn)練開始時，先通過自動給排水裝置將生火槽注滿水，通過燃?xì)夤艿缹⒖扇細(xì)怏w輸送到指定位置，并浮出水面，通過點燃導(dǎo)燃器，控制燃?xì)饬亢吐窂?，可以方便、安全地模擬蔓延火和轟然火；并且生火槽內(nèi)設(shè)有熄火檢測裝置，可以通過槽內(nèi)布置的溫度探測器感知環(huán)境溫度。在訓(xùn)練過程中，燃火槽可以根據(jù)溫度的下降自動調(diào)整火焰大小，如果溫度持續(xù)下降到預(yù)設(shè)值以下，并保持一定的冷卻時間，生火槽內(nèi)的燃?xì)鈺詣雨P(guān)閉，火焰自動熄滅，火災(zāi)被撲滅。

3.2.3 燃燒設(shè)備設(shè)計

艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以模擬多種艦艇火災(zāi)場景，如變壓站火災(zāi)、柴油機(jī)火災(zāi)、居住艙室火災(zāi)等火災(zāi)場景。為了達(dá)到逼真的模擬效果，模擬不同的火災(zāi)場景需要配套不同的火災(zāi)場景道具，道具一般覆蓋在生火槽上部或者內(nèi)含生火槽，需要直接承受火焰灼燒，材質(zhì)一般選擇316等級的考登鋼。

3.2.4 安全保障系統(tǒng)設(shè)計

1)環(huán)境安全監(jiān)測。訓(xùn)練場內(nèi)配備溫度傳感器、可燃?xì)怏w探測器等類型探測器，實時監(jiān)測室內(nèi)含氧量、溫度、可燃?xì)怏w濃度，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度、含氧量及溫度達(dá)到預(yù)報警值時，系統(tǒng)對控制人員進(jìn)行預(yù)警告，當(dāng)超過預(yù)設(shè)警戒值時，系統(tǒng)自動聲光報警，并立即切斷燃料總閥、視情況自動打開通風(fēng)系統(tǒng)。

2)冗余安全。在系統(tǒng)啟動點火程序時，中央控制設(shè)備會分析處理各傳感器(如空氣壓力表、燃?xì)鈮毫Ρ?采集到的數(shù)據(jù)，如果沒有達(dá)到預(yù)設(shè)的安全界限，聯(lián)鎖系統(tǒng)會自動阻止點火啟動。

同時，為了防止燃料泄漏導(dǎo)致點火時發(fā)生意外，系統(tǒng)雙授權(quán)點火模式和特殊燃火裝置，確?，F(xiàn)場安全。經(jīng)確認(rèn)安全后，只有當(dāng)現(xiàn)場人員和控制中心都將電磁閥打開時，才能完成點火，以保障現(xiàn)場安全；并且，燃火裝置內(nèi)也有一個電磁閥，燃火裝置通過火焰探測器監(jiān)測火焰狀態(tài)，當(dāng)火焰熄滅時，自動關(guān)閉電磁閥，防止意外發(fā)生。

3)緊急停止。在訓(xùn)練現(xiàn)場、控制中心及現(xiàn)場指揮室內(nèi)都設(shè)有緊急停止裝置，當(dāng)緊急停止按鈕按下，會自動進(jìn)入緊急停止程序，切斷燃料供應(yīng)，并開啟訓(xùn)練現(xiàn)場的緊急照明及聲光報警裝置。

3.2.5 真實火災(zāi)場景營造設(shè)計

火災(zāi)場景營造是為了讓艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能模擬最真實的真火訓(xùn)練場景，使受訓(xùn)人員全方位感受緊急情況下真實火災(zāi)場景，如濃煙、缺氧、火災(zāi)燃燒發(fā)出的各種聲音，受傷人員的呼救等，讓受訓(xùn)人員完全身臨其境地體驗具有生理及心理挑戰(zhàn)性的訓(xùn)練?；馂?zāi)場景營造主要是利用一些輔助設(shè)備模擬真實火災(zāi)場景中的視覺、聽覺、觸覺等效果，如使用煙霧發(fā)生器制造或模擬火災(zāi)現(xiàn)場的濃煙，閃光燈的閃光模擬電氣設(shè)備短路發(fā)出的電弧，音效系統(tǒng)模擬爆炸聲、結(jié)構(gòu)變形聲音、受災(zāi)人員的呼叫聲等。一個好的火災(zāi)場景設(shè)計可以有效提升受訓(xùn)人員在緊急狀態(tài)應(yīng)急處理能力和消防技能熟練程度，對艦艇官兵的消防技能提升和克服火災(zāi)心理障礙有很大幫助。

3.2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是為了實時監(jiān)控訓(xùn)練現(xiàn)場，對現(xiàn)場受訓(xùn)人員訓(xùn)練狀態(tài)、訓(xùn)練設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，不僅可以為指揮人員下達(dá)各項訓(xùn)練指示提供依據(jù)，還能保障現(xiàn)場人員及訓(xùn)練設(shè)施的安全。同時，訓(xùn)練現(xiàn)場的視頻監(jiān)控，可以將有價值的訓(xùn)練過程存檔，讓受訓(xùn)人員觀看學(xué)習(xí)；通過視頻回放，也可以及時發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練過程中的優(yōu)缺點，提高消防訓(xùn)練的效率。

4 實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)作用

4.1 訓(xùn)練方案效果檢驗

在艦艇日常使用維護(hù)過程中，為了應(yīng)對突發(fā)事件，制定了相應(yīng)的滅火方案，而這些滅火方案缺乏有效的設(shè)施進(jìn)行檢驗，存在火災(zāi)應(yīng)對效果、人員配置是否合理等問題，而這些問題可以通過艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，以接近真實火災(zāi)的場景，近乎實戰(zhàn)的狀態(tài)檢驗。同時，通過建立一個模擬訓(xùn)練系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將一些成功經(jīng)典訓(xùn)練案例添加進(jìn)去，分類管理，為以后艦艇消防方案制定提供參考依據(jù)，也為艦艇消防訓(xùn)練提供豐富的學(xué)習(xí)資料，增加艦艇人員的消防認(rèn)知。

4.2 人員心理素質(zhì)和能力培養(yǎng)

一般常規(guī)的消防訓(xùn)練都在普通環(huán)境中進(jìn)行，這就造成在面對火場極端危險的場景時，艦艇消防人員會產(chǎn)生恐懼、緊張、茫然、猶豫不決等心理，造成常規(guī)環(huán)境熟練的滅火技能在此時不能正確運用，而貽誤滅火最佳時機(jī)。

艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建立的是一個類似于真實火災(zāi)的場景，一個具有熊熊火焰、炙熱溫度、煙霧彌漫復(fù)雜火場環(huán)境，再借助于火災(zāi)場景營造技術(shù)，逼真的模擬真實火災(zāi)場景中的視覺、聽覺、觸覺等效果，使受訓(xùn)人員身臨其境的感受真實火場環(huán)境，讓受訓(xùn)人員從心理、生理上適應(yīng)和熟悉火場環(huán)境，為以后參加真實的滅火救援打下良好的心理基礎(chǔ)。同時，也是最重要的是，艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以讓受訓(xùn)人員將理論付諸實踐，增強(qiáng)艦艇消防人員的實戰(zhàn)能力，提高相關(guān)滅火能力，并也可以訓(xùn)練艦艇消防人員在火場極端復(fù)雜環(huán)境下的疏散和搜救能力。

4.3 人員素質(zhì)及滅火方案的考核和評價

人員素質(zhì)和滅火方案的考核、評價是艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)不可缺少的功能，該功能一般通過各種影響因素建立評價模型，結(jié)合考核專家給出的評價指標(biāo)及權(quán)重，這種計算機(jī)與人工相結(jié)合的方式實施。在人員素質(zhì)評價方面，艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)通過在不同火災(zāi)場景下，指揮人員、受訓(xùn)人員做出滅火反應(yīng)、技能熟練程度、失誤次數(shù)等方面因素，綜合考核、評價受訓(xùn)人員的指揮決策能力、滅火技能、應(yīng)變能力；并能指出受訓(xùn)人員的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)訓(xùn)練改進(jìn)提供參考依據(jù)。

在滅火方案考核和評價方面，通過艦艇實火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)獲得的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，可以編制不同火災(zāi)場景下，正確的、經(jīng)濟(jì)的滅火救援方案，并能從經(jīng)濟(jì)性、可能造成的傷亡人數(shù)、對火災(zāi)降低的貢獻(xiàn)大小及可能帶來的負(fù)面影響等方面對滅火方案進(jìn)行考核、評價，指出滅火方案中的不足及可能帶來的后果。

[1] 張永剛,黃超,魏周君.紅外技術(shù)在艦艇消防安全中的應(yīng)用[J].船海工程,2013(4):11-14.

[2] 鄭春生.船舶火災(zāi)及滅火救援的探討[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2011(6):536-540.

[3] 戴忠.淺談船舶火災(zāi)特點及處置對策[J].水上消防，2012(6)：25-28.

[4] 楊濱,金海峰,李延彬,等.艦載機(jī)火災(zāi)模擬訓(xùn)練裝置研究[J].船海工程，2013(4):19-21.

[5] 黃毅.飛機(jī)機(jī)艙消防訓(xùn)練模擬控制系統(tǒng)設(shè)計[D].天津：中國民航大學(xué)，2009.

[6] 危偉,王長江,馬藝嘉.建筑真火模擬訓(xùn)練設(shè)施設(shè)計探析[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2016(8):46-49.

[7] 張家明.國外實體火災(zāi)消防訓(xùn)練研究[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學(xué)院，2010.

[8] 陽曉劍.真火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計初探[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2015,9(34):1233-1236.

Design and Application of Natural Fire Training System for Naval Vessels

ZHANG Yong-gang, SUN Qian, ZHANG Xi, ZHU Jia-yan

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

According to the fire characteristics of ships and development situation of the fire training system both at home and abroad, a natural fire training system was proposed to imitate the natural fire environment and ensure the personnel safety. Its function, components and design were elaborated

fire training system; ship fire; natural fire; system design

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.031

2017-03-07

張永剛(1985—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：紅外熱成像及熱檢測技術(shù)

U662

A

1671-7953(2017)03-0131-05

修回日期：2017-04-04