艦船長損管決策指揮訓練模擬系統設計與實現＊

（海軍陸戰學院 廣州 510430）

1 引言

艦船長的損管決策指揮與應急處置能力是其崗位任職的重要能力，直接影響艦船在發生災害時的生命力。目前，廣泛裝備的損管技能模擬訓練系統，對提高戰位人員的損管技能發揮了重要作用，但系統功能無法滿足艦船長的損管決策與組織指揮的訓練需求；同時由于艦船損管訓練的特殊性，難以在實船上進行各種復雜和危險的損管訓練。因此，艦船長的損管決策指揮訓練難以有效開展，嚴重制約了艦船長損管決策與組織指揮能力的培養與提高。本文以艦船損管決策指揮能力訓練為目標，基于艦船原理等理論，采用計算機仿真、人工智能、虛擬現實、多目標決策等技術，設計并實現了“艦船長損管決策指揮訓練模擬系統”。該系統可動態模擬艦船在破損進水、火災、擱淺等災害條件下的損害情況，對艦船長的損管決策處置過程進行綜合分析評價，為艦船長提供了貼近實際的損管決策與組織指揮訓練平臺，解決了艦船長損管決策指揮訓練的急需［1］。實際應用表明，該系統有效地培養和提高了艦船長的損管決策與組織指揮的崗位任職能力。本文介紹該系統的設計思路、關鍵技術的實現和應用情況。

2 系統組成

2．1 設計思路

艦船長的損管決策是依據艦船損害的狀態信息進行的。為提高訓練的逼真性，必須呈現出艦船發生損害過程充分而完備的動態變化信息和逼真的災害發展場景，能夠使受訓人員在強烈沉浸感的環境中進行逼真的決策訓練，深刻體會艦船災害處置的重要性。為此，該系統主要面向艦船長訓練，采用虛擬的損管戰位和損管組織，突出模擬各種損害發生過程的艦船狀態信息變化，以及損管方案措施實施后艦船狀態信息的動態變化，為艦船長提供逼真的損管決策與組織指揮訓練平臺；考慮到訓練的規模和效益，系統可通過計算機網絡靈活擴展訓練單元，同時組織多個訓練單元開展訓練。同時系統在設計中堅持科學性、整體性、實用性、可靠性與可拓性原則，使系統充分滿足實際訓練需要。

2．2 組成結構

基于總體設計思路，該系統采用教控臺集中控制多個訓練單元（艦船長損管決策指揮訓練臺）的組訓方式。其組成結構如圖1所示，由教控臺、多個訓練單元、網絡通信單位、研討廳和損管綜合數據庫構成。

圖1 系統總體組成與結構

1）教控臺

教控臺對各損管訓練臺過程進行監控和管理。并對研討子系統進行控制，主要實現對艦船損管案例庫的管理，編輯與生成各種損害訓練方案，顯示各訓練單元的訓練狀態，控制各訓練單元訓練進程，設置虛擬損管戰位損管技能訓練水平，實時記錄訓練過程，以及對每個訓練單元的損管決策指揮過程進行效果評估和訓練檔案管理等功能。為了相互學習和研究對各種災害，特別是典型案例的損管決策和處置方法，教控臺在研討廳實時切換顯示或回放各訓練單元的訓練過程，進行研討性學習交流。教控臺的控制界面如圖2所示。

2）訓練單元

訓練單元是艦船長損管決策指揮訓練的平臺，能夠實現損管決策指揮訓練的全部功能，操作界面如圖3所示。通過接收教控臺發送的各種災害情況，實時動態顯示災害發展過程的艦船狀態參數和仿真三維災害場景。受訓人員通過動態變化的艦船狀態參數信息和災害場景，適時制定損管決策方案并下達損管指令。訓練單元能夠依據艦船損害發展規律和所采取的損管措施，及時模擬出損管組織實施效果和艦船狀態的動態變化信息，為受訓人員提供進一步的判斷和決策依據。訓練結束時，各訓練單元能夠對損管決策處置全過程進行綜合評價。教控臺可動態組織1～24個訓練單元同時開展損管決策指揮訓練。

圖2 教控臺控制界面

圖3 訓練單元操作界面

3）損管綜合數據庫

圖4 損管綜合數據庫結構圖

損管綜合數據庫是該訓練系統運行的最重要支撐，用于構建損管決策指揮訓練虛擬環境，表示艦船損害的發展與處置的動態過程，為艦船長的損管決策指揮訓練提供科學依據。由知識庫、模型庫和數據庫構成，如圖4所示。知識庫構建了各種損害的處置條例、規則與方法，專家的經驗知識和訓練效果評估規則等內容，為各種損害的損管方案提供輔助決策和訓練效果評估提供依據；模型庫構建立了各種損害描述和發展模型、損管組織指揮控制模型、艦船艙室三維模型等，以支持艦船各種損害計算、狀態信息和災害發展場景的描述；數據庫存儲了各種艦船的特征數據和艙室結構數據，虛擬的損管戰位和損管組織的訓練數據，訓練方案、參訓人員訓練情況記錄等，為訓練全過程提供數據支持。

3 主要功能

3．1 防沉與抗沉決策指揮訓練

防沉與抗沉訓練功能由加固隔墻模塊、堵漏與排水模塊、平衡艦體等模塊構成。參訓人員通過對破損部位、破口類型、自由液面、穩性、浮性、艦船姿態等信息做出綜合判斷，依據本艦（船）虛擬的損管戰位和所配置損管器材情況，運用系統提供的加固隔墻、堵漏、排水、封閉艙室、導移載荷、排出載荷、對角灌注、對稱灌注、消除自由液面等多種自由組合的方法，作出損管決策方案；同時系統根據實施的損管方案、艦船狀態參數、虛擬損管人員調度情況和平衡艦體效果等多個因素，對參訓人員的防沉與抗沉訓練情況進行訓練效果評估，實現在不同的損害狀態下的損管決策指揮訓練。

3．2 防火與滅火決策指揮訓練

防火與滅火訓練功能主要由火災類型模塊和火災干預模塊構成。參訓人員通過對火災種類信息、特征信息進行綜合分析，依據滅火原則，運用系統提供的水消防滅火、各種滅火器材、艦船消防系統滅火、封艙滅火等多種滅火方法，作出損管決策方案，并根據火災的控制效果確定是否采取進一步措施；系統依據參訓人員的反應速度、對火災特性的判斷、滅火方法、滅火效果等多個方面對參訓人員的防火與滅火訓練情況進行訓練效果評估，實現各種復雜火災災害下的防火與滅火決策指揮訓練。

3．3 擱淺與脫淺決策指揮訓練

擱淺與脫淺訓練功能主要由擱淺類型、自力脫淺和外援脫淺等模塊構成。參訓人員通過對艦船擱淺海區、水文、氣象和艦船擱淺狀態信息的分析，綜合運用系統提供的平衡艦體、增加浮力、提高穩性等手段，自力脫淺或拖船拖帶脫淺等方法，制定脫淺決策方案，系統根據艦船脫淺效果對參訓人員的擱淺與脫淺訓練情況進行訓練效果評估，實現了在不同擱淺狀態下保持艦艇穩性、浮性、安全脫淺的決策指揮訓練。

4 關鍵技術實現方法

4．1 艦船艙室量化

艦船艙室數據參數量化是系統實現的基礎工作，工作量大且要求高，直接關系到模擬計算的逼真性。該系統采用數據庫技術對涵蓋的所有艦船艙室數據均進行了量化處理，在艙室量化數據的基礎上，采用對象鏈表技術構建了全艦船艙室結構圖，艙室數據在系統內部的存儲格式如圖5所示。

圖5 艦艇艙室數據表設計視圖

受訓者通過艙室結構圖可以隨時了解全艦艙室參數信息，主要包括：艙室名稱、類型、體積、破口位置、破口等效半徑、火災類型、火災等級、火焰中心溫度、煙氣濃度、艙壁溫度、火焰蔓延方向等。這些數據信息使受訓者的決策指揮過程更具科學依據，使訓練過程更加貼近實際情況。

4．2 破損進水非線性計算模型構建

破損進水是一項非常復雜的非定常、非線性問題。破損剛開始時，由于艦艇內外壓差較大，其進水速度非?？欤S著艦艇艙室水位的升高，艦艇內外水壓差減小，艦艇的進水速度將逐漸減小，其進水速度將呈非線性變化［2］。該系統通過建立進水流量與水位升高之間的關系，建立微分方程，再利用差分的方法對每一時間步長進行計算，獲得較為精確的結果；對于艦船橫截面舭部以下呈現曲線形狀，通過曲線擬合的方式，找出水位高度變化與橫截面形狀之間的函數關系，比較逼真地表現了艦船破損進水非線性過程［3］。

通過采用非線性數值技術方法，對艦船不同位置、形狀、大小和的破損進水進行模擬量化，構建了艦船破損模型庫，能夠實時反映艦船浮態與穩性的動態變化過程［4］。

4．3 火災場干預模型構建

艦船火災主要有密閉艙室火災、開放式火災、通風受限制火災，該系統對三種類型的火災分別進行模擬［5］。

1）艦船火災場模型構建思路

艦船火災場模型是三維的非定常模型，采用FDS軟件計算結果與Fluent數值仿真結果對艦船火災場特性與發展規律進行描述，并結合實驗結果構建了火災場干預模型［6］。模型可真實反映滅火器材的性能及火災場在干預作用下的發展規律。

2）艦船火災場模型構建方法

通過建立模型艙與原型艙的幾何相似、時間相似、排煙體積流率相似和火災熱量相似等關系；基于相似關系，建立了原型艙火災場模型，然后由火災場模型，構建原型艙的火災場干預模型，采用Fluent軟件對艙室模型的油火發展規律及滅火后各種煙氣濃度進行了數值仿真計算，計算結果與原型艙的實驗結果比較，其模型構建方法能夠逼真地對火災場的發展規律及其干預過程進行仿真［7］。

4．4 三維視景仿真實現

采用3dmax軟件制作系統中的三維模型，基于Vega軟件平臺對模型動態渲染，通過調用Vega軟件包中的粒子特效函數庫動態生成系統中的天氣、煙、火、破口進水等效果，為參訓人員提供具有強烈沉浸感的訓練環境。其中，艦船主機艙破損進水效果如圖6所示，配電室起火仿真效果如圖7所示。

圖6 主機艙破損進水初、中期效果圖

圖7 配電室起火初、中期效果圖

5 訓練過程

系統的訓練流程如圖8所示。教控臺和各訓練單元之間的組織流程可以描述為［8］

1）教控臺組訓人員依據訓練需要，通過損管訓練方案庫選擇或在線編輯損害情況等方式生成訓練方案，發出損管警報并將艦船的損害訓練方案發送到各個訓練單元。

2）訓練單元接收教控臺發送的損害訓練方案信息，生成虛擬仿真訓練環境，實時呈現發生損害艦船狀態信息和逼真的災害發展場景，為受訓人提供具有強烈沉浸感的損管決策訓練環境。

圖8 損管訓練流程圖

3）各訓練臺參訓人員對艦船損害情況進行綜合分析，制定損管決策方案并下達損管指令，通過系統提供的虛擬損管組織、損管戰位和損管器材，組織指揮損管方案的實施。

4）損管方案實施過程中，訓練臺動態顯示艦船的狀態信息［9］，參訓人員判斷損害的處置結果，進一步損管決策，繼續采取相應的措施。

5）在參訓人員完成損管決策指揮訓練過程后，系統依據艦艇的生命力指標和損管綜合數據庫知識庫規則，對參訓人員進行全過程訓練效果評估。

6 結語

“艦船長損管決策指揮訓練模擬系統”的設計與實現，解決了艦船長開展損管決策指揮訓練缺少模擬訓練器材的難題。通過關鍵技術的應用，取得比較逼真的模擬訓練效果，為艦船長的損管決策指揮訓練提供有效的訓練平臺。該系統在實踐應用中發揮了重要作用，受訓人員深入了解了艦船災害的發生與發展過程，熟練掌握艦艇災害發生后，如何辨識和控制災害的主要矛盾，明顯縮短了艦船長損管決策能力的培養周期，促進了艦船長損管能力與水平的提高。然而，完善系統還有許多工作需要深入研究，如破損非線性離散和火災場的模擬粒度等問題［10］，進一步提高模擬的逼真度是今后深入研究的方向。

［1］浦金云，邱金水，程智斌．艦船生命力［M］．北京：海潮出版社，2001．

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［4］王自力，顧永寧．船舶碰撞動力學過程的數值仿真研究［J］．爆炸與沖擊，2001，21（1）：29-34．

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［6］鄒高萬，劉順隆，周允基，等．中國船舶機艙火災研究現狀［J］．中國安全科學學報，2004，14（5）：76-79．

［7］從北華，廖光煊，韋亞星．計算機模擬在火災科學與工程研究中的應用［J］．防火減災工程學報，2003（2）：63-69．

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