水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)的設計與實現

陳智慧

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)的設計與實現

陳智慧

(武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000)

描述了網絡環(huán)境下，水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)的軟件體系結構和功能架構。該系統(tǒng)可代替實裝，完成不同火災場景下的水罐消防車技術訓練。軟件的開發(fā)為解決大型消防裝備訓練機會少、成本高和危險性大等問題提供解決方案。

水罐消防車；模擬訓練；OpenGL；火災場景；考核評判

0 引言

針對大型消防裝備訓練存在著成本高、危險性大、機會少等問題，研究人員以水罐消防車作為典型案例[1-2]，設計并實現了一套桌面計算機模擬仿真訓練系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，使用者不僅能夠以自主漫游和觀看三維動畫演示的形式學習車輛結構和功能原理[3-4]，還可在專業(yè)逼真的虛擬仿真訓練環(huán)境中，完成水罐消防車各環(huán)節(jié)單人操作和不同典型火災場景下班組協(xié)同操作的訓練科目。訓練過程中，計算機可完成各操作節(jié)點的狀態(tài)記錄并據此完成考核成績的自動評判，不僅能夠為使用者提供正確操作的引導，還可提供可選的操作訓練記錄回放功能，以便于隨時、多角度觀看操作訓練過程。水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)使用Java與C++語言開發(fā)，基于成熟圖形圖像處理技術OpenGL進行擴展，并采用易于部署、使用、維護的B/S技術架構，實現了仿真教學、操作訓練、過程記錄回放和自動評分考核等建設目標。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)部署結構

為了使用、部署和升級方便，水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)參照分布式仿真體系HLA，采用B/S和C/S相結合的方式進行構架。B/S主要負責模擬訓練的統(tǒng)一數據管理、人員權限管理、系統(tǒng)管理等，訓練的控制和仿真采用C/S架構。

系統(tǒng)內部數據傳輸由基于TCP/IP的分布式網絡支撐。數據庫服務器主要負責模擬訓練系統(tǒng)對于數據庫的訪問管理。文件服務器為模擬訓練系統(tǒng)提供場景文件、模型文件、記錄文件的存儲與傳輸。HLA服務器主要負責網絡間數據的通信傳輸和數據計算。應用服務器主要用作部署基于B/S管理系統(tǒng)，功能包括模擬訓練的統(tǒng)一數據管理、人員權限管理等公共功能。各仿真終端采用高端圖形工作站進行演練的硬件系統(tǒng)支撐。考慮安全性問題，服務器都采用集群或負載均衡的方式，以防止數據意外丟失和演練過程中斷。

按照功能的組織方式和執(zhí)行層次，水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)內部功能可劃分為數據交換和數據運算、通用信息管理、導調臺、演示臺、訓練臺、評估臺等共六個部分，如圖1所示。

數據交換和數據運算用于完成HLA的基本功能，實現模擬仿真各組成部分和訓練終端的信息集成、通信與控制。通用信息管理是基于B/S的管理系統(tǒng)，完成通用的數據管理與維護、人員權限管理和系統(tǒng)管理等。導調臺負責引導和管理訓練的全過程，完成模擬訓練數據準備、任務調度和后臺維護，包括訓練場景管理、訓練任務管理、訓練過程控制和成員管理。演示臺完成模擬訓練中各種操作演示、設備結構演示和模擬仿真訓練講解演示等功能，包括模擬仿真訓練演示和結構原理仿真演示。訓練臺用于接收指揮控制的指令，按照訓練方案，執(zhí)行特定的訓練任務，包括訓練準備模擬仿真訓練操作和班組協(xié)同仿真訓練。評估臺承擔訓練過程中的各項記錄任務，完成對訓練效果的評估，包括仿真訓練檢驗和評價、訓練考核規(guī)則設置、訓練過程記錄和訓練過程回放。

1.2 系統(tǒng)軟件結構

仿真訓練系統(tǒng)借鑒分層體系架構思想進行設計，將不同的系統(tǒng)功能劃分到不同層級結構中實現，低層級功能為高層級提供有效支撐。系統(tǒng)分為基礎設施層、信息資源層、基礎支撐層、應用支撐層、業(yè)務應用層和系統(tǒng)對外接口六個層次，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

基礎設施層為模擬訓練系統(tǒng)提供具體的軟硬件環(huán)境支撐，包括服務器與存儲、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和網絡設施四個部分。信息資源層為模擬訓練系統(tǒng)提供了數據支撐，針對系統(tǒng)的業(yè)務需要，主要包括仿真數據庫、基礎數據庫、業(yè)務數據庫和主題數據庫?；A支撐層包括三維虛擬現實引擎、推理機引擎、腳本引擎、考核評估引擎、分布式仿真支撐五個組成部分?；A支撐層主要為訓練系統(tǒng)的模塊功能提供理論和邏輯支撐，是整個模擬訓練系統(tǒng)的靈魂。應用支撐層實現對訓練過程的模擬仿真和控制，為最終的模擬訓練系統(tǒng)提供功能支撐，主要包括三維視景、訓練場景編輯、訓練任務控制、腳本開發(fā)、記錄回放、考核評估、儀表仿真、人物仿真、態(tài)勢顯示和通訊等共10個模塊。業(yè)務應用層面向最終用戶，在各支撐層的基礎之上，通過建立訓練預案、想定，建立對應的三維場景模型和人物仿真模型，并結合業(yè)務要求和業(yè)務特點，融合訓練的業(yè)務流程，開展對應的模擬訓練活動。

為確保訓練系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的互聯互通，系統(tǒng)接口設計采用以服務集成為核心，數據集成為基礎，功能集成為補充的多種集成手段。服務集成以發(fā)布和調用SOA服務方式來實現各業(yè)務系統(tǒng)間主動、實時的獲取所需信息。功能集成主要以提供本地API、ActiveX控件等方式與外部系統(tǒng)集成，來調用外部系統(tǒng)的相應功能。數據集成則以各業(yè)務系統(tǒng)間進行讀寫數據庫或采取數據同步工具方式實現。

2 系統(tǒng)功能

水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)以某型號水罐消防車為教學對象，以低層建筑火災撲救、高層建筑火災撲救和著火罐冷卻為協(xié)同訓練背景，通過虛擬仿真技術把教學對象、教學內容、教員指導、學員訓練和檢驗評估有機地融合為一體，形成一部生動形象的水罐消防車教科書和一個可操作、可練習、可測評的水罐消防車操作訓練場，切實滿足教員、學員對水罐消防車“教”“學”“練”“考”四個方面的教學需要。

水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)主要由結構原理演示臺、訓練演示臺、單環(huán)節(jié)訓練操作臺、班組協(xié)同訓練操作臺、訓練檢驗和評價臺、過程控制與回放及系統(tǒng)管理七部分組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結構

2.1 結構原理演示臺

結構原理演示臺設計實現了含消防車整體外觀、發(fā)動機和底盤、乘員室、水罐、引水裝置、水泵與管路系統(tǒng)、水泵裝置的動力傳動與操縱系統(tǒng)、儀表、附加裝置、器材廂等共10項內容的結構演示，采用三維模擬仿真場景動畫、語音講解和字幕顯示融為一體的方式，生動形象地向學員講授和演示水罐消防車整體、各部分結構組成及運行原理的專業(yè)理論知識。

2.2 訓練演示臺

訓練演示臺采用全三維動畫展示水罐消防車操作訓練流程，同時輔以語音講解和字幕顯示，向學員介紹消防車及相關設備的正確操作方法和操作注意事項。

訓練演示臺涉及駐車操作、鋪設供水線路、取水操作、射水操作和特殊條件下操作等五個方面，包括沿地面鋪設水帶、利用水罐取水、水帶水槍射水和球閥加熱等共13個環(huán)節(jié)的操作演示內容。

2.3 單環(huán)節(jié)訓練操作臺

與訓練操作演示臺相應，單環(huán)節(jié)訓練操作臺針對水罐消防車操作過程中13個環(huán)節(jié)，設計模擬真實的仿真操作環(huán)境，實現完全自主控制的單環(huán)節(jié)操作訓練。訓練過程中系統(tǒng)對于出現的錯誤操作會給出相應提示，并記錄下來，進行后續(xù)的操作評分。對于可能引起車輛損壞和造成人員事故的嚴重錯誤，系統(tǒng)將會終止當前訓練。

2.4 班組協(xié)同訓練操作臺

該部分構建一個全功能模擬仿真環(huán)境，虛擬不同的水罐消防車應用場景，實現多使用人在局域網環(huán)境內協(xié)同參與訓練。該功能模塊遵循HLA架構設計，實現標準化的分布式模擬仿真。

學員進入協(xié)同訓練操作臺后，可利用訓練設置功能對仿真場景進行預先定義，然后根據不同應用的仿真場景確定供水方案，并根據選擇的不同角色，進入仿真場景進行綜合訓練。該功能模塊構建了一車兩槍撲救低層建筑火災、一車兩槍撲救高層建筑火災、一車一炮冷卻著火罐等三種不同的消防車班組訓練科目。

2.5 訓練檢驗和評價臺

訓練檢驗評測臺提供組織考核和查詢操作成績的功能。該模塊設計實現了測評計劃安排、測評結果人工評定和自動評定、測評結果查詢等四項內容。測評計劃安排可以預先制定班組協(xié)同訓練的測評計劃，提供測評信息的編制、修改、刪除和查詢。測評結果人工評定為教員提供操作訓練人工評判的功能。測評結果自動評定則是系統(tǒng)依據設定的考核規(guī)則實現自動打分的過程。所有測評計劃及其操作結果都可以在測評結果查詢功能里進行查詢觀看。

2.6 過程控制與回放

過程控制與回放主要用于回放記錄、重演訓練過程，在訓練過程中能記錄每個學員的整個訓練過程，包括所有的事件細節(jié)、處理過程等。記錄策略可由教員統(tǒng)一設定，記錄結果統(tǒng)一存放在數據庫中。該模塊對訓練過程中產生的相關數據資料進行存儲管理，實現對各訓練階段的完整過程記錄和回放功能，為相關的操作訓練提供指導和借鑒的信息來源，記錄對象包括語音、動畫、文字、時間等。

2.7 系統(tǒng)管理模塊

該模塊提供用戶信息、功能權限、業(yè)務參數、考核規(guī)則等資源的配置管理、認證授權功能，可實現用戶對子系統(tǒng)、模塊和功能的權限配置。同時，系統(tǒng)管理模塊可提供用戶進入系統(tǒng)時的身份認證功能，以及進入系統(tǒng)后的操作權限鑒定功能。

3 結論

大型消防裝備教學和訓練效果的提升一直是教學改革關注的難點問題之一。本系統(tǒng)的設計與實現，為這一難題提供了解決方案。基于桌面計算機的設計思路有效擴寬了系統(tǒng)的使用環(huán)境，B/S與C/S相結合的架構在保證模擬仿真效果的同時，有效提高了系統(tǒng)使用和維護的方便性，全面的系統(tǒng)功能完整支持了“學—練—考”各個環(huán)節(jié)，最終實現了教學工作的數字化、自動化目標。

[1] 張家祥.HLA仿真技術應用教程[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:181-188.

[2] 國棟,張晶,錢良.基于HLA的分布式仿真訓練系統(tǒng)設計[J].無線電工程,2012,42(9):5-6.

[3] 王鐵,高昱,申晉憲.水罐消防車操縱穩(wěn)定性與平順性的仿真優(yōu)化[J].汽車工程,2012,34(12):21-25.

[4] 吳攀攀,石鵬飛,肖晶.消防車臂架鉸接變幅機構仿真與優(yōu)化[J].消防科學與技術,2013,32(3):297-299.

(責任編輯 馬 龍)

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

河北省高等學校科學研究計劃項目“水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)設計實現與教學應用”(Z2015160)

陳智慧(1971— )，女，河北廊坊人，教授，研究生導師。

D631.6

A

1008-2077(2015)10-0013-04