艦艇戰斗損管決策建模及信息化系統研究

侯 岳, 王康勃, 馮偉強, 安中昌

(1. 海軍工程大學動力工程學院, 湖北 武漢 430033; 2. 中國人民解放軍92537部隊, 北京 100161)

0 引 言

無論平時還是戰時,艦艇都可能發生各類火災、爆炸、破損進水和消防系統失效等事故和災害[1-2]。損害管制,作為艦艇破損和災害處置的危機決策行動,是艦艇安全性和生命力的重要保障[3-4]。損害管制主要包括“消防”“抗沉”以及“戰損恢復”3個關鍵要素[5-6]。損管決策是與各類災害損傷相對抗的指揮行為,是對艦艇技術裝備和損管戰術的綜合應用[7-8]。目前,我國在進行損管決策技術的研究中,主要考慮的是平時災害模式。美國海軍在20世紀80年代提出了戰斗損管系統(battle damage control system,BDCS)的概念,希望在損管系統設計中突出作戰背景,重點保證戰斗損傷下的艦艇損管能力[9-10]。21世紀初,加拿大L3公司開發的新型戰斗損管系統,信息化、集成化和自動化程度顯著提高,已經在法國、韓國、美國、德國等多個國家海軍的140艘艦艇和18條潛艇上使用[11-12]。國外海軍報道的海軍損管指揮演習表明,該類系統的信息處理量更大、反應時間更快、輔助決策能力更強,實現了作戰指控網的信息對接[13]。

然而,目前我國海軍相關技術的研究和應用還較為落后。在戰斗破損情況下,災害的特征變得更加復雜,主要表現:①火災和煙氣的空間范圍將從局部的單艙發展到大范圍的多艙,防火邊界和防煙邊界艙室更多,人工決策的難度更大,對自動化決策的需求更為迫切[14]；②大面積破損進水后,艦艇的穩性可能變為負值,艦體平衡的決策不僅要考慮載荷分布的不對稱性,還要考慮負初穩度問題[15]；③傳統的決策模型需要精準的艙室進水態勢，然而,實戰損傷的進水態勢復雜,進水艙室和水位高度不清晰,必須研究建立對應的決策模型。上述問題是戰斗損管決策所面臨的迫切問題,也是決策支持系統開發所必須解決的理論難題。

我國海軍經過數十年的研究攻關,首先解決了上述基本理論建模難題,然后完成了信息化數據的采集方法設計,并據此開發了信息化決策系統,提高了損管決策的實戰化應用水平。在實際應用過程中,該系統能夠針對特定的災害模式,對人工決策和自動決策進行對比分析。測試結果表明,該系統顯著提高了戰斗損管決策的速度和效率,是輔助開展戰斗損管指揮的重要手段。

1 艦艇防火和防煙邊界設置自動決策模型

艦艇船體鋼制結構的導熱性強,火災和煙氣會沿著艙壁、甲板、艙門和艙口蓋蔓延。因此,如何快速地制定限制火災和煙氣蔓延的防火邊界和防煙邊界,是撲滅火災、減小火災過火面積和保證艦船安全的關鍵。目前,在進行損管指揮時,主要是依據艙室布置圖、防火控制圖、消防預案等文件現場查閱的方式設置防火邊界和防煙邊界。對于單個艙室起火的情況,該方法相對有效。但是,對于戰斗破損、多個艙室起火的情況,需要設置的防火邊界和防煙邊界個數較多,并且部分邊界是需要優先重點設置的[16]。此時,如果還依賴艦員的主觀判斷,就會發生邊界設置不全、邊界設置不準的現象,結果將造成火災和煙氣無法得到有效的限制,并且可能向危險的彈藥艙部位蔓延,嚴重威脅艦船的生命力。

1.1 設置原則

首先制定了自動生成防火邊界、防煙邊界的基本規則,具體包括:

(1) 在起火艙空間6個方向相鄰的艙室上,都要設置防火邊界;

(2) 起火艙頂部相鄰的艙室,應優先設置防火邊界;

(3) 與所有起火艙防火邊界艙相鄰接的艙室,都要設置防煙邊界;

(4) 液艙內不需設置防火邊界和防煙邊界;

(5) 如果某個艙室已經發生火災,則該艙室不屬于防火邊界的設置范圍;

(6) 對于有艙門的艙壁和有艙口蓋的甲板,應優先設置防煙邊界。

1.2 子艙壁和子甲板的定義

由于艦船艙室分布復雜,對于每一個橫向艙壁,其前后可能會布置多個艙室。如果不將橫向艙壁分割成子橫向艙壁,就無法準確地描述艙室之間的鄰接關系。縱向艙壁和甲板的分割情況與之類似。分割的方法是:按照艙室的布置情況,將橫向艙壁、縱向艙壁和甲板劃分成多塊子橫向艙壁、子縱向艙壁和子甲板,從而使任意一塊橫向艙壁、縱向艙壁或甲板分割只屬于一個或兩個艙室。通過橫向艙壁、縱向艙壁和甲板的分割,將任意一個艙室與一組特定的子橫向艙壁、子縱向艙壁和子甲板集合一一對應。子艙壁和甲板的分割案例圖如圖1所示。

圖1 子艙壁和甲板的分割案例圖Fig.1 Illustration of sub-bulkhead and sub-deck

由圖1可知，橫艙壁1-4和橫艙壁5-7在物理上是一塊橫向艙壁。但是,從艙室分隔的角度出發,橫艙壁1-4被A艙、B艙和C艙分隔成3個部分,即子橫艙壁1-2、子橫艙壁2-3和子橫艙壁3-4。同樣,縱艙壁2-6被B艙和C艙分隔成2個部分,即子縱艙壁2-8和子縱艙壁8-6。甲板面1-5-7-4-1被A艙、B艙和C艙分隔成3個部分,即子甲板1-5-6-2-1、子甲板2-8-9-3-2、子甲板8-9-3-4-7-6-3。

1.3 防火邊界和防煙邊界自動生成算法

步驟1構建子橫向艙壁數據表、子縱向艙壁數據表和子甲板數據表。子橫向艙壁數據表主要針對任意一個子橫向艙壁,以列表的形式記錄該子橫向艙壁首尾鄰接的兩個艙室名稱,以及該子橫向艙壁上是否有艙門。子縱向艙壁數據表主要針對任意一個子縱向艙壁,以列表的形式記錄該子縱向艙壁左右鄰接的兩個艙室名稱,以及該子縱向艙壁上是否有艙門。子甲板數據表主要針對任意一個子甲板,以列表的形式記錄該子甲板上下鄰接的兩個艙室名稱,以及該子甲板上是否有艙口蓋。

步驟2構建艙室鄰接關系數據表。針對每一個艙室,以列表的形式記錄與該艙室在上、下、前、后、左、右6個方向上相鄰接的艙室名稱。

步驟3定義對艙室操作和對集合操作的基本算子,如表1所示。包括:“相鄰艙室搜索算子”“艙室相鄰艙壁甲板搜索算子”“艙室相鄰的特殊艙壁、甲板搜索算子”“頂部相鄰艙室搜索算子”“并集算子”“差集算子”和“交集算子”。

表1 數據操作的基本算子

步驟4按照圖2的算法,自動生成:防火邊界、需要優先設置的防火邊界、防煙邊界、需要優先設置的防煙邊界。在圖2中W表示液艙集合。

2 基于傾斜原因分類的船體扶正決策算法

艦船平時的事故進水,破損的艙室個數有限,并且一般都在水線下,因此通常不會出現負初穩度,此時,船體扶正的關鍵是消除空間分布不對稱的載荷,即通過施加反向力矩的方法平衡艦體。然而,在戰斗損傷情況下,艦艇會出現多艙大面積自由液面進水的態勢,傳統的扶正決策方法不僅不適用,還可能造成更大的傾斜,對艦船的安全構成嚴重的威脅。因此,戰斗破損的船體扶正決策,必須區分艦艇傾斜的原因,并針對不同的情況,采取不同的對策。

2.1 艦艇傾斜原因的分類及扶正策略

根據艦艇靜力學的基本原理,艦艇艙室破損進水情況以及扶正策略如表2所示[17]。

圖2 防火邊界和防煙邊界的自動生成方法Fig.2 Automatic generation method of fire boundary and smoke boundary

序號表現特征破損原因扶正策略情況1艦船不定期地停留在左舷或右舷，并且停留的角度基本相同僅由負初穩度引起的艦艇傾斜只需要消除負初穩度，禁止施加反向力矩情況2艦船傾斜和傾差角度與不沉性標板的角度相等僅由不對稱進水引起的傾斜和傾差通過施加反向力矩的方法平衡艦體情況3艦船只停留在一舷，但傾角遠大于進水不對稱應造成的傾角；或者艦船停留在非破損進水的輕邊由負初穩度和不對稱進水綜合引起的傾斜先消除負初穩度，然后再施加反向力矩

對于情況1,傾斜僅僅是由自由液面和負初穩度引起的,因此扶正的關鍵是消除負初穩度,而不是施加反向力矩;對于情況2,傾斜是由進水導致的載荷不對稱引起的,扶正的關鍵是施加反向力矩;情況3是上述兩種情況的綜合效應,扶正的關鍵是先消除負初穩度,然后再施加反向力矩。

2.2 船體平衡扶正算法

上述3種傾斜情況對應的艦艇平衡策略是不同的。因此進行船體扶正之前,必須判斷并明確造成艦艇傾斜、傾差的原因。這是進行扶正的前提和關鍵。

2.2.1 第1類扶正算法

對于第1種破損進水情況,首先分析能夠消除負初穩度的抗沉資源,包括:可壓載艙(載荷)、可卸載艙(載荷)、可移載艙(載荷)以及可消除自由液面的艙室。然后,針對上述4種情況,分別生成能夠消除負初穩度的單扶正方案。接著,對所有的單扶正方案,分別計算其實施后初穩度的增量,并選取初穩度增量最大的單扶正方案進行實施。根據當前單扶正方案實施后的情況,判斷艦船是否依然存在時而左傾、時而右傾、并且傾斜角基本相同的現象,也即是判斷艦船的初穩度是否依然是負值。如果初穩度依然是負值,則按照上述過程繼續生成最優的單扶正方案實施,直到艦船初穩度為正值。此時艦船將自然恢復到正值狀態。設計的算法如圖3所示。

2.2.2 第2類扶正算法

對于第2類傾斜情況的扶正算法,目前國內外的研究較多[18-20]。然而,現有算法的前提都是必須明確具體的破損進水艙室。這種假設只適用于平時的事故進水,即進水艙室較少,進水態勢比較容易掌握的情況下。然而,實際的戰斗破損進水態勢一般并不清晰,多艙進水、多處進水的情況經常發生。指揮員難以掌握進水的艙室名稱和進水類型,因此目前的算法無法滿足實戰下的船體扶正決策需求。本文建立了“試探性”的扶正方法,一方面可以完成艦體的初步試扶正;另一方面,又可以通過試扶正的效果,掌握不明進水艙對艦艇不沉性指標諸要素的影響,并在此基礎上,借助標板圖的修正進行再扶正。以扶正橫傾為例,算法步驟如下所示。

圖3 消除負初穩度流程圖Fig.3 Flow chart of eliminating negative initial stability

步驟1選取第一次試扶角度為當前破損角度的1/3,θ試扶=θ破/3。

步驟2在標板圖上選擇一組扶正艙室,使其扶正角度為試扶角度,θ標板扶正≈θ試扶。如θ標板扶正與θ試扶的差值在1°以內,即可作為試扶正方案。如果有多個試扶正方案,則以既能消除橫傾又能消除縱傾,并且θ試扶與θ標板扶正相差最小的方案為優先選用方案。

步驟3計算修正系數,即:實際扶正角度與標板圖標注扶正角度的比值為

(1)

式中,P為艦船當前排水量;q為扶正艙室的載荷增量。如果是壓載的方法,則q為正值;如果是卸載的方法,則q為負值。

步驟4根據該修正系數,對標板圖上的橫傾數值進行修正,使用修正后的數據進行再扶正即可。當艦艇橫傾角在1°以內時,即可認為是安全狀態。

3.2.3 第3類扶正算法

對于第3種破損進水情況,應該首先消除負初穩度,然后再采取“試探性”的方法進行扶正。消除負初穩度的方法與第1種破損進水情況的處置方法相同,“試探性”扶正的方法與第2種破損進水情況的處置方法相同。

3 數據采集方法

合理、高效、準確地進行數據采集,是信息化決策系統能否成功開發的關鍵。數據是整個信息系統建立、操作、管理和運行的基礎,也是信息化系統開發的關鍵。數據庫的建設,不僅關系著數據的使用效率,也與算法設計密切相關,必須充分體現算法與數據之間、數據與數據之間的關聯。損管信息化數據種類繁多,數據之間關聯性強。根據以往的數據采集經驗,如果不統籌考慮系統的功能需求、算法需求和數據關系,容易造成數據重復采集、數據讀寫效率下降。經過反復的實踐、嘗試和修正提高,按照“局部→整體”“艙壁甲板平面→艙室空間→船體空間”的空間思維順序,結合關鍵損管指揮環節的決策任務,根據損管信息可視化、損管信息關聯性分析、不沉性指標計算等對數據的基本需求,研究提出了損管信息數據庫的建設方法,解決了損管信息化系統的數據采集問題,特別是形成了以下基本的采集原則,大大提高了數據采集和數據應用的效率。采集的基本原則包括:

(1) 圖形顯示所需數據和技術指標計算所需數據分開采集。

(2) 計算機自動數據采集與人員手工數據采集相結合。

(3) 既考慮艦船的通用型,又考慮型號的特殊性。

(4) 數據的重復采集與數據的優化采集相結合。

(5) 標準信息格式與自制信息格式的結合。

設計的數據表、數據用途及采集源文件如表3所示。

表3 數據采集及數據表

4 信息化決策系統的設計和開發

4.1 系統方案設計

近年來,損管技術的發展極大地推動了損管決策效率的提高。其主要表現在:基于網絡傳感器采集系統的應用，使大規模的數據采集成為可能;基于大尺寸屏幕的顯示系統使損管信息圖形化顯示成為可能;基于高性能計算機使損管決策系統具備操作環境。根據目前的硬件技術,設計的信息化決策系統包括:信息采集層、信息傳輸層、信息決策層、信息控制層和信息表現層。

(1) 信息采集層。進行災害狀態和損管設備執行狀態的信息采集,終端包括火災類傳感器、進水類傳感器以及消防和抗沉執行設備的狀態信息。

(2) 信息傳輸層。連接信息采集層、信息決策層、信息控制層和信息表現層,是信息傳輸和發布的平臺。為信息決策層、信息控制層上傳損害信息和設備狀態信息,為信息表現層發布損管狀態信息和設備控制信息。信息傳輸層主要通過統一的平臺網絡傳輸信息,并輔以必要的CAN網等局域網或直連線路。

(3) 信息決策層。通過信息決策支持系統的開發,對災害狀態信息、設備狀態信息進行處理,結合信息表現層中人員輸入的操作、指令信息,進行數據的綜合分析和決策處理,并生成決策方案。

(4) 信息控制層。根據生成的決策方案,分析方案實施與指令操作的映射關系,產生相關邏輯解算結果或控制指令,并控制各類滅火、抗沉及相關損管設備的動作。

(5) 信息表現層。主要提供人機交互環境,提供信息顯示和輸入方法。

4.2 信息決策支持系統的開發

信息決策層是整個信息化系統的關鍵模塊,是信息化系統的“大腦”。使用上文構建的各類決策算法,在Visual Studio.net開發環境下,使用SQL Server數據庫環境,完成了系統軟件的開發。在開展系統研究時,注重形成了以下設計原則，如圖4所示。

(1) 以信息為中心,保障損管工作。根據全艦信息化和損管工作的實際使用需要,損管指揮人員需要有效掌握損害信息、防火邊界、防煙邊界、不沉性信息和艦體平衡方案等大量信息。因此，系統的設計應充分考慮艦員對信息的感知、處理要求,為用戶快速開展準確、有效的損害管制行動提供信息支持。

如圖5所示,本系統能夠根據起火艙室(紅色填充)迅速自動生成防火邊界(黃色填充)和防煙邊界(白色填充),為損管指揮員完成限制火災和煙氣蔓延的戰術行動提供有效的輔助決策。

如圖6所示,損管指揮員可以根據當前的艦艇浮性和穩性參數,在軟件界面中進行壓制、卸載和移載操作，從而平衡艦艇。通過設置液艙調撥方案,最終可查看艦艇平衡效果。

圖4 信息化系統架構設計Fig.4 Architecture of information system

圖5 防火邊界生成界面Fig.5 Generation interface of fire boundary

圖6 平衡調整控制界面Fig.6 Control interface of warship equilibrium

(2) 以損管業務流程為基礎,開展軟件設計。在設計過程中,充分考慮了各項工作的內容和工作流程,有針對性地開展軟件功能、流程和界面設計。在以往類似技術的研究工作中,往往會出現設計者與使用者的定位脫節、對損管業務流程考慮不夠的現象,這也是影響信息決策系統實用化的關鍵因素。典型的損管信息化決策業務流程如圖7所示。

圖7 軟件典型功能應用流程Fig.7 Flow chart of software’s typical functions

在發生火災或進水等災害時,滅火或抗沉流程包括發現損害、確認損害、查看輔助決策信息、組織損管行動、更新災害信息等一系列的閉環反饋流程。在實際的災害處置過程中,消防工作的開展可能會影響抗沉的工作,特別是水消防系統的使用,會造成艙室的積水和浸水。另外,在進行艦體平衡決策的設計時,除了會推薦艦體平衡方案以外,還根據一線損管指揮員的需求,提供了預判模式。損管指揮員可以自行對初步確定的艦體平衡方案進行效果預評估,然后,根據評估結果調整艦體平衡方案。

4.3 應用測試

針對某訓練船型開發了信息化決策系統,并對該系統的輔助決策效能進行了測試和檢驗。針對表4中7個訓練科目,分別統計了艦員決策耗時和系統決策耗時,并進行了比較分析。以艦員決策耗時和系統決策耗時的比值,作為系統決策效能的評估指標。決策效能測試結果如表4所示。

表4 決策效能測試結果

由表4可知,通過該信息化決策系統的使用,大大縮短了損管決策反應時間,這在“分秒必爭”的損管指揮行動中,將發揮很大的軍事作用。

5 結 論

損管決策是基于災害感知、信息辨識、指揮決策、處理執行與反饋的復雜危機決策模式。損管決策過程中使用到的信息種類多、信息量大、信息途徑多、決策模型復雜,如何根據損管業務流程和損管信息需求設計決策模型和信息采集方案,是信息化決策支持系統開發的關鍵。結合多年的研究和實踐經驗,介紹了損管信息化決策系統,并取得了較高的應用價值。關鍵模型以及信息化決策系統方案,將來可推廣融合到全艦新型網、損管監控網等平臺中。

然而,隨著艦艇信息化水平的不斷提高,未來的損管系統不僅是一套匯集信息的機械控制系統,而是一套在嚴密業務流程的整體導控下,集成損管通信、口令傳遞、輔助命令的綜合自動化系統[21]。因此,如何將最新的損管技術與信息化決策技術進行有機的融合,以更為有效的方式完成信息收集、損害評估、輔助決策、控制實施等過程,依然是未來的研究和發展方向。

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