船舶消防訓練和自動評估系統設計

陶瑞， 任鴻翔， 邱紹楊

(大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

船舶作為水上運輸工具，其特殊的功能和結構特征決定了船舶火災具有特殊性。[1]船舶一旦發生火災，如果采取的措施不當或撲救不及時，火災就會蔓延到其他區域，危及人員和船舶的安全，甚至造成船毀人亡的嚴重事故。為檢驗船員對船舶可能發生火災的部位的應急處置能力、對個人應變任務的熟悉程度以及整個應急處置過程中船員之間的相互支援和協調程度，進行消防訓練是非常有必要的[2]。

目前的船舶消防訓練大多是在真實環境中進行的，不僅花費大、污染環境，而且危險性較高。[3]經過訓練后，評估員會對學員的消防設備操作進行評估。由于人的因素的存在，無法保證評估標準的客觀性和統一性。目前，對船舶消防訓練評估系統的研究尚未有公開的研究成果。本文利用3ds Max和Unity3D開發船舶消防仿真設備，可以使消防人員在近似實戰的逼真環境中進行模擬訓練；依據《中華人民共和國海船船員適任評估規范》，利用MFC框架及C++語言開發試題模塊，并設計一種基于仿真設備的評估算法，用于減輕評估員的負擔，保證評估結果的客觀性和準確性。

1 總體設計

1.1 系統功能分析

系統功能涉及船舶消防設備的使用和操作評估兩部分。船舶消防設備包括探火與滅火報警系統、船舶固定式滅火系統、消防員裝備、應急通信設備等。學員通過操作鼠標、鍵盤等輸入設備，實現在虛擬場景中設備的使用。消防設備操作評估包括對操作過程和操作結果的評估兩部分：操作過程的評估主要是判斷學員在操作某個設備的過程中是否出現誤操作或缺少必需的操作步驟；操作結果的評估是判斷操作結果是否滿足實際要求。

船舶消防訓練和自動評估系統需要完成兩項任務：第一，建立船舶消防設備三維模型，并實現虛擬交互操作；第二，針對學員的操作步驟和結果，結合評估算法給出成績。

1.2 整體設計

利用3ds Max，以巴拿馬型散貨船“長山海”號為母型船，建立貨艙、消防控制室、二氧化碳間及消防設備等三維實體模型。利用虛擬現實技術，構建船舶三維虛擬場景，在該虛擬場景中進行消防訓練。學員在訓練過程中可以熟悉船舶消防設備的布置和相關操作要求。根據設備類型設計評估試題，按照教學大綱和相關公約要求確定試題內容。學員根據試題要求進行訓練，再由系統給出成績。

采用模塊化程序設計思想[4]，按照功能將船舶消防訓練和自動評估系統劃分為3個模塊(圖1)：設備仿真模塊、評估模塊和試題模塊。

圖1 船舶消防訓練和自動評估系統組成

設備仿真模塊實現消防設備的三維建模及其操作仿真。具體消防設備主要包括：固定水滅火系統、固定二氧化碳滅火系統和消防員裝備等。學員操作設備時，該模塊可完整地記錄相關的操作過程和結果數據，為評估模塊提供需要的信息。為還原真實場景，本文還構建了三維船舶模型和海上場景，并根據STCW公約對船舶防火的要求，將消防設備放置于船舶各處。該模塊面向學員，是整個系統的基礎與平臺。

試題模塊負責試題庫的構建和維護，實現出題和審題功能。根據《中華人民共和國海船船員適任評估規范》和各消防設備操作說明書制定評估標準和設計評估試題，出題人員根據典型試題出題。該模塊主要面向評估員和考務工作人員，是整個系統的后臺。

評估模塊完成評估試題的讀取和顯示，設置考試環境。學員根據評估試題的要求，操作相應的仿真設備。該模塊讀取學員的操作步驟和結果數據，結合后臺的評估標準和評估模型，給出學員的成績。該模塊面向學員，是整個系統的核心。

2 系統實現和關鍵技術

2.1 設備仿真模塊實現

設備仿真模塊的實現包括三維建模、場景與界面搭建、設備交互、場景特效制作等。開發流程見圖2，具體實現過程可查閱文獻[5]，此處不再贅述。

2.2 評估模塊實現

該模塊讀取評估試題并在前臺顯示，試題評估要素和權重值在后臺存儲。學員點擊 “加載試題”進入考試，考試環境會因試題不同而不同。學員根據要求進行訓練，訓練結束后，評估模塊根據學員操作過程和結果數據結合后臺評估模型給出成績。評估模型如下：

圖2 設備仿真模塊開發流程

采用專家法與隸屬度函數結合的方式實現消防設備操作的考核評估。通過咨詢專家并結合《中華人民共和國海船船員適任評估規范》的要求，細分題型，提取評估要素，設定合理的權重、門限值。初步確定粗略的隸屬度函數，再通過“學習”和實踐檢驗逐步修改和完善。形成完整評估模型后，利用綜合評價法[6]獲得學員評估成績。評估中，通過操作時間得分(簡稱時間得分)、操作過程和結果得分(簡稱操作得分)兩方面的計算得到學員的最終成績，計算公式為

式中：SA為最終評估成績；ST為時間得分，代表考生操作的熟練度；SR為操作得分，代表考生操作的準確度；WT為時間得分的權重；WR為操作得分的權重。

ST=STSf(t)

(3)

(4)

式中：STS為時間得分的標準分；f(t)為操作時間的隸屬度函數；tS為正常操作時間；tmax為最大允許操作時間。

在計算SR時，要首先判斷操作的結果是否滿足要求。只有在操作結果滿足要求(即完成了設備的操作)的情況下，對操作過程的評估才是有意義的。SR是根據試題的評估要素以及學員的操作步驟計算得出的。由于操作過程和結果涉及的評估要素均難以量化，所以設置相應的隸屬度值

(5)

式中：xi和xSi分別為關于第i個評估要素的學員操作實際值和系統標準值。隸屬度的取值是由學員是否進行了相應的操作及其步驟是否正確等決定的。

(6)

式中：SSi為第i個評估要素的標準分。

在訓練過程中，由于每個人的水平和操作習慣不同，會產生不同的操作過程。即使一個經驗豐富的評估員也可能會出現誤判，所以采取標記要素的方法對訓練過程中的關鍵步驟(即評估要素對應的步驟)進行標記。如在進行固定二氧化碳滅火系統訓練時，應首先打開二氧化碳室的風機，再確認煙霧探測面板中的警報。不同關鍵步驟對應不同的標記，標記在后臺進行，學員無法查看。這樣，對訓練過程的評估就轉換為對評估要素的評估。具體步驟如下：

步驟1獲取試題評估要素集CX={X1,X2,…,Xn}，并根據學員操作產生操作要素集CY={Y1,Y2,…,Ym}。

步驟2判斷CY是否為空集：若為空集則操作得分為零，消防訓練評估結束；若不為空集則進行下一步。

步驟3對比CX與CY，從2個集合中篩選出相同的要素，得到篩選要素集CZ={Z1,Z2,…,Zk}(k≤n,k≤m)。若CZ為空集，則消防訓練評估結束；若CZ不為空集，則進行下一步。

步驟4根據CX中要素權重得到CZ中要素Zi對應的權重Wi,i=1,2,…,k,進而計算出每個要素的標準分SSi,i=1,2,…,k。

2.3 試題模塊實現

以Visual Studio 2013 為開發平臺，采用Microsoft Foundation Classes (MFC)[7]框架，結合C++語言對試題模塊進行開發。

試題主要包括固定二氧化碳滅火系統的使用、固定水滅火系統的使用、消防員裝備的穿戴、檢查保養和綜合演練等5大類。按照教學大綱和相關公約要求，設置試題內容、初始變量、評估要素、評估標準、權重值等,在各大類中根據具體題目的要求編制每道小題。為方便試題庫的維護，整理上述內容錄入Access數據庫，設置評估設備的索引值進行索引，并與試題模塊界面進行關聯。在數據庫中修改試題的結果會在界面中同步顯示。

界面的設計以方便、快捷、易操作為原則，試題模塊主界面見圖3。

圖3 試題模塊主界面

界面主要包含設備選擇、評估設備位置、題型、評估內容、評估方式、評估角色等選項和各選項的組合框。每當選擇某一選項時，程序會自動從數據庫中篩選出符合這一選項的初始變量和評估要素的相關信息，并在相應位置的組合框中顯示。在組合框中可以進行增加、刪除和修改選項等操作，這在一定程度上減少了考務工作人員的操作。出題結束后，點擊保存按鈕，會將所有試題信息保存成XML文件。

3 評估實例

以固定二氧化碳滅火系統的使用評估為例。固定二氧化碳滅火系統訓練涉及的操作設備包括：風機啟動器、煙霧探測面板、二氧化碳鋼瓶瓶頭閥及管路釋放閥門(視具體起火地點而定)。

出題人員在試題模塊中設置各個設備的初始狀態、起火位置(貨艙1)和設置評估要素的權重值及標準值(圖3)；設置完畢后生成XML試題文件，并發送給考試端(即設備仿真模塊)。學員在設備仿真模塊中點擊“加載試題”，模塊根據試題信息設置各個設備的初始狀態(開啟還是關閉)及起火位置，讀取的評估要素信息存儲在后臺供評估時調用。加載試題后，學員根據試題內容操作對應設備，操作設備和效果見圖4～6。在該項訓練中，評估要素為：開啟通風供電按鈕、開啟通風啟動按鈕、確定起火位置、打開二氧化碳管路貨艙總閥、打開對應貨艙三通閥、打開二氧化碳鋼瓶瓶頭閥、查看火焰的最終狀態。這7個評估要素的權重分別為0.1、0.1、0.1、0.2、0.2、0.1和0.2。

已知試題標準分為100分，WR=0.8，WT=0.2，tmax=120 s，tS=60 s，某考生完成該項訓練的時間t為100 s且對每個設備都進行了操作。根據操作記錄得到操作要素集，并按照第2.2節中的評估規則進行評估。計算公式如下：

0.8×100×(0.1×1+0.1×1+0.1×1+

0.2×1+0.2×1+0.1×1+0.2×1)=80

因此，最終評估成績SA=10+80=90分,見圖7。

圖4 風機啟動器及煙霧探測面板

圖5 貨艙閥門

圖6 二氧化碳及火焰效果

圖7 成績界面

經多次測試，固定二氧化碳滅火系統、固定水滅火系統和消防員裝備穿戴訓練的評估測試數據見表1～3。表1和2的數據顯示，自動評估成績與評估員給出的評估成績比較吻合，達到了學員訓練和評估的使用要求。表3的數據顯示，自動評估成績與專家評判略有出入。經過仔細觀察表3中數據并結合該項訓練的特點，得出結論：進行消防員裝備穿戴訓練時，用時越少，專家評判的成績越高。因此，對該項訓練進行自動評估時，應適當增加時間得分的權重。

表1 固定二氧化碳滅火系統訓練評估測試數據

表2 固定水滅火系統訓練評估測試數據

表3 消防員裝備穿戴訓練評估測試數據

4 結束語

本文設計了船舶消防訓練和自動評估系統整體架構，包含3個模塊：設備仿真模塊、評估模塊、試題模塊。設備仿真模塊構建了逼真的三維虛擬場景和消防設備，學員可在其中進行模擬訓練；評估模塊可根據學員的操作數據進行自動評估；試題模塊根據相關要求制定評估試題。該系統降低了訓練成本，使訓練不再受場地和時間的限制，同時使得消防評估不再完全依賴評估員，提高了評估的客觀性。后續的研究可針對以下兩方面展開：多臺計算機聯網，實現多人消防訓練；鑒于評估模型較為簡單，設計更為合理的評估算法。

參考文獻：

[1] TATE D L, SIBERT L, KING L T. Virtual environments for shipboard firefighting training[C]//Virtual Reality Annual International Symposium, 1997. Albuqutrque, USA, 1-5 March 1997. IEEE, 1997: 61-68.

[2] 大連海事大學. 高級消防[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2008: 96-98.

[3] 萇占星. VR技術在船舶艙室火災處理中的應用研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2015.

[4] 蔣德志, 姚文龍, 張均東. Unity3D虛擬現實技術在機艙資源管理模擬器開發中的應用[J]. 中國航海, 2015, 38(3): 13-17. DOI:

10.3969/j.issn.1000-4653.2015.03.004.

[5] 陶瑞, 朱耀輝, 任鴻翔, 等. 基于虛擬現實技術的船舶消防培訓系統[J]. 上海海事大學學報, 2017, 38(1): 74-78, 94. DOI: 10.13340/j.jsmu.2017.01.015.

[6] 郭亞軍. 綜合評價理論、方法及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2007: 6-8.

[7] 侯俊杰. 深入淺出MFC[M]. 2版. 武漢: 華中科技大學出版社, 1998: 246-247.