鄭環(huán)宇 吳 晞 韓曉光

(海軍兵種指揮學(xué)院 廣州 510430)

1 引言

艦船在嚴(yán)重破損狀態(tài)下如何進(jìn)行損管的組織與指揮,是困擾指揮員指揮決策的重要課題。一旦艦船出現(xiàn)嚴(yán)重破損,指揮員主要依據(jù)損管條令條例和預(yù)案進(jìn)行指揮決策,但是艦船的損害狀態(tài)錯(cuò)綜復(fù)雜,要求指揮員面對(duì)各種復(fù)雜條件下的損管必需作出正確、科學(xué)、迅速的決策。而目前的損管操演基本上是針對(duì)具體戰(zhàn)位的損管訓(xùn)練,災(zāi)害想定固定,處理程序單一,不能反映艦船的漂浮狀態(tài),穩(wěn)性特征,所以很難使艦船指揮員依據(jù)動(dòng)態(tài)的災(zāi)害過程進(jìn)行正確的損管組織指揮與決策。艦船損管訓(xùn)練模擬系統(tǒng)利用Vegar仿真平臺(tái)與MFC相結(jié)合,準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)交互式的實(shí)景仿真[2]。通過設(shè)定多種艦船損傷狀態(tài),可以模擬不同類型的艦船災(zāi)害以及災(zāi)害的發(fā)展變化過程,反應(yīng)艦船在災(zāi)害狀態(tài)下的漂浮狀態(tài)和穩(wěn)性特征。通過構(gòu)建艦船災(zāi)害干預(yù)模型,提供各種損害處置方案,為指揮員進(jìn)行干預(yù)決策提供基礎(chǔ)。以提高指揮員處置各種艦船災(zāi)害的組織指揮與決策能力,更好的滿足指揮員的崗位任職需求。

2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的交互式損管訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的構(gòu)成和功能

該系統(tǒng)由教控臺(tái)子系統(tǒng)、多個(gè)訓(xùn)練臺(tái)子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、綜合觀摩子系統(tǒng)組成,其模擬對(duì)象主要是各種狀態(tài)下的艦船,系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

1)訓(xùn)練臺(tái)子系統(tǒng)。訓(xùn)練臺(tái)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艦船長(zhǎng)損管決策指揮訓(xùn)練的主要功能。該子系統(tǒng)由艦船長(zhǎng)訓(xùn)練臺(tái)應(yīng)用軟件、車舵臺(tái)控制軟件、三維視景庫、艦船信息庫、艦船結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫、艦船操縱性模型庫、損管計(jì)算模型庫、損管決策模型庫和知識(shí)庫構(gòu)成,主要為艦船長(zhǎng)進(jìn)行損管訓(xùn)練提供決策支持,其構(gòu)成如圖2所示。

2)網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)由訓(xùn)練單元、網(wǎng)絡(luò)通訊控制機(jī)、教控子系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)構(gòu)成。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)

3)系統(tǒng)物理構(gòu)成由艦長(zhǎng)臺(tái)、交換機(jī)柜、教控臺(tái)、綜合觀摩室及三維視景顯示綜合面板組成,如圖4所示。

圖4 損管訓(xùn)練仿真系統(tǒng)物理構(gòu)成圖

3 主要損管計(jì)算模塊的生成

艦船在破損狀態(tài)下的計(jì)算是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題,為了能夠近似反映出艦船在大破損情況下的艦船六自由度變化情況,對(duì)艦船破損情況作如下假設(shè):

1)假設(shè)艦船破損時(shí)立即停車,即不考慮動(dòng)水壓力和水流對(duì)破口進(jìn)水流量的影響;

2)假設(shè)艦船發(fā)生小角度傾斜時(shí),艦船為等容傾斜,小角度范圍在(-15,15)時(shí),采用《艦船生命力》所提供的公式計(jì)算艦船的初穩(wěn)度、傾斜,傾差[1]。

3)多倉進(jìn)水時(shí),以多倉合重心進(jìn)行計(jì)算,破口水線面積進(jìn)行累加,即不考慮多倉隔墻對(duì)水線面面積的影響。

4)破口形狀按照規(guī)則幾何體如圓形或方形進(jìn)行近似,破口進(jìn)水流速依據(jù)水深壓力進(jìn)行線性加權(quán)處理,不考慮由于艦船下沉對(duì)破口處水壓變化的影響。

依據(jù)以上假設(shè),當(dāng)艦船發(fā)生小倉破損或在破損的初始階段,當(dāng)艦船的橫傾較小時(shí)(0°～15°),采用損失浮力法[3]進(jìn)行計(jì)算。其具體計(jì)算公式如下:

式(1～6)中,hs為破損后艦艇的橫穩(wěn)心高;h為沒破損時(shí)的艦艇橫穩(wěn)心高;Δ hs為破損后的穩(wěn)心變化量;v為破損艙容積;V為艦艇的排水量;T為艦艇吃水;Δ T為破損后艦艇吃水變化量;zv為破損艙容積中心豎坐標(biāo);ix為進(jìn)水艙自由液面對(duì)平行于x軸的中心軸的面積慣性矩;iy為進(jìn)水艙自由液面對(duì)平行于y軸的中心軸的面積慣性矩;TH為艦艇首吃水;L為艦艇設(shè)計(jì)水線長(zhǎng);H為艦艇縱穩(wěn)性高;xf為艦艇水線面面積漂心縱坐標(biāo);φ為艦艇破損后的縱傾角;Δ為艦艇的傾差。

當(dāng)艦船橫傾大于15°,求解艦船穩(wěn)性等參數(shù)的初穩(wěn)度計(jì)算公式已經(jīng)無法求解結(jié)果,也沒有相關(guān)資料可以對(duì)破損艦船大角穩(wěn)性進(jìn)行計(jì)算。所以本文依據(jù)艦船破損進(jìn)水后的進(jìn)水程度確定艦船排水量,再進(jìn)行曲線擬合獲得各種排水量下的艦船靜穩(wěn)性曲線,通過對(duì)艦船完好情況下的靜穩(wěn)性曲線到艦船某一倉或多倉進(jìn)水下的靜穩(wěn)性曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、擬合和插值[4],獲得艦船在破損情況下的靜穩(wěn)度曲線,從而可以依據(jù)不同進(jìn)水時(shí)扶正力臂數(shù)值確定艦船的橫傾角。

下面列出某型艦船的幾種排水量,該數(shù)據(jù)是依據(jù)損失浮力法對(duì)艦船破損進(jìn)水進(jìn)行計(jì)算,再依據(jù)重心變化和標(biāo)準(zhǔn)排水量的靜穩(wěn)度曲線[1]計(jì)算出艦船不同破損情況的靜穩(wěn)度曲線。表1是各種排水量時(shí)的扶正力臂值,圖5是依據(jù)不同排水量擬合的靜穩(wěn)度曲線圖。

表1 不同排水量時(shí)的扶正力臂數(shù)值

圖5 不同排水量時(shí)的靜水力曲線圖

此圖反映出艦船在破損進(jìn)水時(shí),艦船排水量從3800t降至2800t,艦船靜穩(wěn)度曲線的變化情況,所以當(dāng)艦船進(jìn)水時(shí),依據(jù)進(jìn)水量形成的力矩可求解出艦船扶正力臂的大小,用數(shù)值內(nèi)插可獲得艦船任意進(jìn)水時(shí)的橫傾角。再將扶正力臂按照0.01m的間距進(jìn)行等分,找出與之相對(duì)應(yīng)的橫傾角存入數(shù)據(jù)庫,便可進(jìn)行艦船破損狀態(tài)下艦船大角穩(wěn)性的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果由視景仿真系統(tǒng)接收參數(shù)[3]調(diào)用和顯示。

4 基于VC++和Vegar平臺(tái)的艦船損管訓(xùn)練仿真流程

現(xiàn)以破損進(jìn)水損管訓(xùn)練為例來說明其流程。首先進(jìn)行破損艙室的情況設(shè)定,由教控臺(tái)發(fā)出損管警報(bào)。破損艙室一旦確定,立刻由破損艦船信息庫提供艦船狀態(tài)顯示,由訓(xùn)練場(chǎng)景庫提供海況數(shù)據(jù),訓(xùn)練人員依據(jù)破損艦船的狀態(tài)進(jìn)行損害情況的綜合分析,根據(jù)分析情況決定采取自主決策還是輔助決策,其自主決策方案按照艦船所能提供的損害管制器材功能對(duì)破損進(jìn)水進(jìn)行干預(yù),輔助決策是依據(jù)專家系統(tǒng)[5]建立的智能決策方法庫確定方案產(chǎn)生邏輯,以多目標(biāo)決策方法生成最優(yōu)決策方案。當(dāng)指揮員采取自主決策時(shí),可以從損管處置方案庫中選取方法,損管器材選定后,由損管計(jì)算模塊計(jì)算出艦船的實(shí)時(shí)狀態(tài),指揮員可以隨時(shí)對(duì)所選方案進(jìn)行調(diào)整,損管計(jì)算結(jié)果反映艦船的穩(wěn)度、吃水、傾差等參數(shù)的變化,該參數(shù)通過Vegar視景驅(qū)動(dòng),反映在三維視景中。訓(xùn)練結(jié)束后由方案評(píng)估模型庫對(duì)訓(xùn)練成績(jī)進(jìn)行評(píng)定和存檔。該訓(xùn)練流程如圖6所示。

圖6 交互式損管訓(xùn)練仿真系統(tǒng)流程圖

5 破損艦船損管訓(xùn)練實(shí)例演示

某新型護(hù)衛(wèi)艦在一次護(hù)航任務(wù)中遭恐怖分子偷襲,后機(jī)艙右舷78號(hào)～86號(hào)肋骨中彈進(jìn)水,破口直徑0.3m,深度3.5m,爆炸時(shí)間2009年2月17日21時(shí)10分,艦船指揮員準(zhǔn)備進(jìn)行損管組織與指揮。

教控臺(tái)提供破損想定,裝定艦艇初始狀態(tài)數(shù)據(jù)與海洋環(huán)境數(shù)據(jù),調(diào)入破損艦船模型,根據(jù)訓(xùn)練時(shí)間控制訓(xùn)練進(jìn)程,其初始狀態(tài)如圖7所示。

訓(xùn)練臺(tái)進(jìn)行損管組織與指揮,首先指揮員發(fā)出損管警報(bào),全艦進(jìn)入一級(jí)戰(zhàn)斗部署,主機(jī)停車,截?cái)嗪髾C(jī)爐倉電源,前損管隊(duì)檢查全艦水下艙室水密情況,后損管隊(duì)進(jìn)行堵漏排水。后損管隊(duì)報(bào)告,后機(jī)爐倉破口太大無法封堵,前損管隊(duì)報(bào)告,后機(jī)爐倉與電羅經(jīng)室的隔墻嚴(yán)重變形,電羅經(jīng)室出現(xiàn)大面積滲水。艦艇漂浮狀態(tài)如圖8所示。

指揮員依據(jù)艦艇狀態(tài),改變損管部署,由于艦艇嚴(yán)重破損,艦艇狀態(tài)繼續(xù)惡化,當(dāng)務(wù)之急就是限制水的蔓延,即命令封閉后機(jī)爐倉,加固電羅經(jīng)室隔墻,先抽干羅經(jīng)室的滲水,通過限制水的蔓延,加固水蔓延邊界來保證艦艇的不沉性,在確定艦艇的不沉性得到保證后,再依據(jù)海況和艦艇自身損管器材和能力采取進(jìn)一步措施。其狀態(tài)如圖9所示。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)艦船破損進(jìn)水的狀態(tài)研究,在小角度傾斜時(shí)依據(jù)初穩(wěn)性公式進(jìn)行計(jì)算,在大破損狀態(tài)下,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合和插值,可以方便快速的計(jì)算出艦船的漂浮狀態(tài),為艦船指揮員的損管決策提供了逼真的訓(xùn)練環(huán)境。通過指揮員對(duì)各種破損情況的處置,提高決策者在損管時(shí)的組織指揮能力和決策水平,該仿真系統(tǒng)通過三期艦船指揮員的使用,獲得了顯著地效果,有效地提高了艦船指揮員的損管應(yīng)急處置能力。

[1]龔卓蓉.Vegar程序設(shè)計(jì)[M].北京,國防工業(yè)出版社,2002

[2]吳家鑄,黨崗.視景仿真技術(shù)及其應(yīng)用[M].西安:西安科技大學(xué)出版社,2001:56～59

[3]浦金云,邱金水,程智斌.艦船生命力[M].海潮出版社,2001,7:125～128

[4]郝紅偉.Matlab 6.0實(shí)例教程[M].北京:中國電力出版社,2001

[5]張文星,紀(jì)有奎.專家系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].武漢:武漢科技大學(xué)出版社,1993:68