艦艇實火模擬訓練系統設計

張永剛，孫騫，張璽,祝佳琰

(中國船舶重工集團公司 第七二六研究所，上海 201108)

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艦艇實火模擬訓練系統設計

張永剛，孫騫，張璽,祝佳琰

(中國船舶重工集團公司 第七二六研究所，上海 201108)

根據艦艇火災類型及實火模擬訓練系統國內外現狀，提出一種針對艦艇火災的實火模擬訓練系統，用以真實模擬艦艇火災環境，確保訓練人員的安全，介紹實火模擬訓練系統功能組成及設計。

模擬訓練系統；船舶火災；實火模擬；系統設計

由于艦艇具有空間狹小、結構復雜、設備密集、著火點隱蔽、火災蔓延迅速等特點，一旦發生火災，處置不當會對艦艇安全構成極大威脅[1]。因此，需要一種艦艇實火模擬訓練系統，通過該系統可以讓艦艇消防人員身臨其境感受真實火災場景中的各種極端環境，歷練心理素質，提升消防技能，保證各項消防訓練有效。

1 艦艇特點及火災類型

1.1 艦艇特點

1)結構復雜。受空間和利用率影響，艦艇一般結構緊湊、復雜，房間眾多，結構各異，如一些大型水面艦艇有多達幾十甚至上百的艙室，各艙室內聚集了各種用途的設備。

2)設備關聯復雜。艦艇內部設備眾多，關聯復雜，一旦發生火災，局部火災可瞬間轉化為立體火災，導致事故疊加，產生連鎖反應。

3)超大空間。一些大型艦船設有類似于飛機庫等的大空間或超大空間，該類空間一般空間大、遮擋嚴重、風速高、難以快速密閉，一旦發生火災，對快速滅火要求高。

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

5)燃油儲量大。為適應遠洋作戰需要，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)攜帶高爆炸強度的彈藥。艦艇為了滿足作戰功能，一般都攜帶大量的高爆彈藥，一旦操控不當，危害極大。

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

8)熱傳導性能強。船體大多為鋼板制造，鋼鐵熱傳導性能比較高，起火后5 min內，火災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，造成火勢蔓延[3]。

1.2 艦艇火災特點

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

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

3)艦載機火災。一般常見與大型水面艦，艦載機無論是在停機狀態、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，一旦控制不當，很可能會造成連鎖反應，對水面艦船安全構成極大威脅[4]。

4)蓄電池火災。艦艇攜帶有大量的蓄電池，蓄電池在使用過程中，會產生氫氣，一旦發生短路現象，危害極大。

5)吸煙引起火災。艦艇一般有較多人員，如果船上人員在不當地方吸煙，亂丟未熄滅煙頭等，會造成很大的火災安全隱患。

6)違章作業引發的火災。違反有關安全規定，將危險品混存混放，違反安全操作規程，隨便動火動電，由于艦艇內部攜帶大量易燃易爆物，此類火災隱患后果不容小覷。

2 實火模擬訓練系統應用現狀

當前國內有一些省份的消防局，引進了一些建筑類型實火訓練設施，對消防員消防技能有很大的幫助，但是該類設備參照國外設施設計，存在一些不符合國情的地方；國內針對實火模擬訓練系統起步較晚，已經有一些專門針對艦載機火災模擬設施[4]、民航飛機訓練系統[5]、建筑火災訓練系統[6]的理論研究，但是由于艦艇消防特殊性，國內還沒有針對此類實火模擬訓練設施進行系統性研究，距離建設具有高可靠、高實用性、高安全標準的實火模擬訓練系統還有很多路要走。

國外機構、學者在這方面研究開展研究較早，相關技術及實火訓練標準已經發展的比較成熟，除了建設有完善的建筑火災設施，還有專門應用于海軍、空軍的訓練設施，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，在真火模擬訓練系統設計、設施研發方面已經擁有幾十年的豐富經驗，針對特殊火災現象模擬、訓練安全性保障、訓練裝置模塊設計等方面擁有先進的技術[6-7]。

3 艦艇實火模擬訓練系統

3.1 系統組成及功能

艦艇實火模擬訓練系統具有可以重復、高強度使用，前期準備工作及訓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、多工況火災的功能，具體火災模擬功能如下：

1)火災模擬功能。具有模擬真實艦艇火災場景的功能，能模擬真實火災火焰的炙烤，并能通過控制燃燒物供應，達到模擬不同燃燒強度、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。

2)多火災場景模擬功能。具有單獨模擬機艙動力機械起火、居住艙室起火、機庫飛機燃油泄漏起火等場景模式，并且可以根據實際訓練需要，模擬多火災場景聯動的火災蔓延。

3)轟燃模擬功能 具有模擬艦艇火災轟燃等特殊火災的功能，并能通過限制最大燃氣供應量可有效管控轟燃規模，避免出現意外事故。

4)煙氣流動模擬功能。具有模擬艦艇火災發生后，煙氣在艙室內部空間積聚、擴散，煙氣沿通風管、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備、燈柱，渲染火災現場的視覺、聽覺模擬效果，使得訓練現場真實火災現場的緊迫感。

為實現以上功能，艦艇實火模擬訓練系統具體組成見表1。

表1 艦艇實火模擬訓練系統組成

3.2 系統設計

3.2.1 點火系統設計

穩定的點火系統是艦艇模擬訓練系統關鍵設備之一，須具備在最苛刻環境下持續可靠的點火功能，還應能避免火焰意外熄滅或點火未成功而引起的可燃氣體泄漏[8]。

圖1為穩定點火源構成示意圖，該點火源在整個訓練階段保持燃燒，直至訓練結束，這種設計方式可以保證生火槽不會因意外事故熄滅，而造成燃氣泄露事故。圖1中，通風設備為點火器提供充足的空氣及冷卻點火器的作用，空氣壓力開關用于檢測通風設備的正常運行；離子火焰探測器用于監測火焰大小、火焰狀態，為控制系統反饋火焰信息；高頻高壓點火器通過升壓整流處理，發出高能電弧火花點燃可燃氣體；電磁閥與控制器相連，通過控制器可以遠程控制可燃氣體或空氣的進氣量，達到控制火焰規模的作用；

點火系統具體點火流程如圖2所示，完成準備工作后，按下點火按鈕，空氣電磁閥和通風設備打開為點火系統供氣，空氣壓力傳感器反饋壓力正常后，打開燃氣電磁閥，然后高頻高壓點火器以3～5次/s的產生高能電弧點燃可燃氣體，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，點火系統會自動關閉電磁閥、風機，進入待檢查狀態，防止燃氣泄露，造成意外事故。

3.2.2 生火槽設計

生火槽是整個火災模擬的關鍵部分之一，生火槽設計需要保證訓練設施承受長時間、不間斷的訓練工作，而不會引起系統過熱，并能根據需要調整火焰大小及高度、最大滅火持續時間等參數，保證真實的訓練效果。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，底部排列有燃氣管道、給排水管道等。訓練開始時，先通過自動給排水裝置將生火槽注滿水，通過燃氣管道將可燃氣體輸送到指定位置，并浮出水面，通過點燃導燃器，控制燃氣量和路徑，可以方便、安全地模擬蔓延火和轟然火；并且生火槽內設有熄火檢測裝置，可以通過槽內布置的溫度探測器感知環境溫度。在訓練過程中，燃火槽可以根據溫度的下降自動調整火焰大小，如果溫度持續下降到預設值以下，并保持一定的冷卻時間，生火槽內的燃氣會自動關閉，火焰自動熄滅，火災被撲滅。

3.2.3 燃燒設備設計

艦艇實火模擬訓練系統可以模擬多種艦艇火災場景，如變壓站火災、柴油機火災、居住艙室火災等火災場景。為了達到逼真的模擬效果，模擬不同的火災場景需要配套不同的火災場景道具，道具一般覆蓋在生火槽上部或者內含生火槽，需要直接承受火焰灼燒，材質一般選擇316等級的考登鋼。

3.2.4 安全保障系統設計

1)環境安全監測。訓練場內配備溫度傳感器、可燃氣體探測器等類型探測器，實時監測室內含氧量、溫度、可燃氣體濃度，當可燃氣體濃度、含氧量及溫度達到預報警值時，系統對控制人員進行預警告，當超過預設警戒值時，系統自動聲光報警，并立即切斷燃料總閥、視情況自動打開通風系統。

2)冗余安全。在系統啟動點火程序時，中央控制設備會分析處理各傳感器(如空氣壓力表、燃氣壓力表)采集到的數據，如果沒有達到預設的安全界限，聯鎖系統會自動阻止點火啟動。

同時，為了防止燃料泄漏導致點火時發生意外，系統雙授權點火模式和特殊燃火裝置，確保現場安全。經確認安全后，只有當現場人員和控制中心都將電磁閥打開時，才能完成點火，以保障現場安全；并且，燃火裝置內也有一個電磁閥，燃火裝置通過火焰探測器監測火焰狀態，當火焰熄滅時，自動關閉電磁閥，防止意外發生。

3)緊急停止。在訓練現場、控制中心及現場指揮室內都設有緊急停止裝置，當緊急停止按鈕按下，會自動進入緊急停止程序，切斷燃料供應，并開啟訓練現場的緊急照明及聲光報警裝置。

3.2.5 真實火災場景營造設計

火災場景營造是為了讓艦艇實火模擬訓練系統能模擬最真實的真火訓練場景，使受訓人員全方位感受緊急情況下真實火災場景，如濃煙、缺氧、火災燃燒發出的各種聲音，受傷人員的呼救等，讓受訓人員完全身臨其境地體驗具有生理及心理挑戰性的訓練。火災場景營造主要是利用一些輔助設備模擬真實火災場景中的視覺、聽覺、觸覺等效果，如使用煙霧發生器制造或模擬火災現場的濃煙，閃光燈的閃光模擬電氣設備短路發出的電弧，音效系統模擬爆炸聲、結構變形聲音、受災人員的呼叫聲等。一個好的火災場景設計可以有效提升受訓人員在緊急狀態應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心理障礙有很大幫助。

3.2.6 視頻監控系統設計

視頻監控系統是為了實時監控訓練現場，對現場受訓人員訓練狀態、訓練設施狀態進行監控，不僅可以為指揮人員下達各項訓練指示提供依據，還能保障現場人員及訓練設施的安全。同時，訓練現場的視頻監控，可以將有價值的訓練過程存檔，讓受訓人員觀看學習；通過視頻回放，也可以及時發現訓練過程中的優缺點，提高消防訓練的效率。

4 實火模擬訓練系統作用

4.1 訓練方案效果檢驗

在艦艇日常使用維護過程中，為了應對突發事件，制定了相應的滅火方案，而這些滅火方案缺乏有效的設施進行檢驗，存在火災應對效果、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練系統，以接近真實火災的場景，近乎實戰的狀態檢驗。同時，通過建立一個模擬訓練系統數據庫，將一些成功經典訓練案例添加進去，分類管理，為以后艦艇消防方案制定提供參考依據，也為艦艇消防訓練提供豐富的學習資料，增加艦艇人員的消防認知。

4.2 人員心理素質和能力培養

一般常規的消防訓練都在普通環境中進行，這就造成在面對火場極端危險的場景時，艦艇消防人員會產生恐懼、緊張、茫然、猶豫不決等心理，造成常規環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。

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

4.3 人員素質及滅火方案的考核和評價

人員素質和滅火方案的考核、評價是艦艇實火模擬訓練系統不可缺少的功能，該功能一般通過各種影響因素建立評價模型，結合考核專家給出的評價指標及權重，這種計算機與人工相結合的方式實施。在人員素質評價方面，艦艇實火模擬訓練系統通過在不同火災場景下，指揮人員、受訓人員做出滅火反應、技能熟練程度、失誤次數等方面因素，綜合考核、評價受訓人員的指揮決策能力、滅火技能、應變能力；并能指出受訓人員的薄弱環節，為后續訓練改進提供參考依據。

在滅火方案考核和評價方面，通過艦艇實火模擬訓練系統獲得的訓練數據，可以編制不同火災場景下，正確的、經濟的滅火救援方案，并能從經濟性、可能造成的傷亡人數、對火災降低的貢獻大小及可能帶來的負面影響等方面對滅火方案進行考核、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.紅外技術在艦艇消防安全中的應用[J].船海工程,2013(4):11-14.

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

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

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

[5] 黃毅.飛機機艙消防訓練模擬控制系統設計[D].天津：中國民航大學，2009.

[6] 危偉,王長江,馬藝嘉.建筑真火模擬訓練設施設計探析[J].消防技術與產品信息，2016(8):46-49.

[7] 張家明.國外實體火災消防訓練研究[D].廊坊:中國人民武裝警察部隊學院，2010.

[8] 陽曉劍.真火模擬訓練系統設計初探[J].消防科學與技術，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，學士，工程師

研究方向：紅外熱成像及熱檢測技術

U662

A

1671-7953(2017)03-0131-05

修回日期：2017-04-04