艦船火災(zāi)滅火輔助決策軟件設(shè)計(jì)研究

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(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

國(guó)內(nèi)在艦船火災(zāi)滅火輔助決策領(lǐng)域`的研究才剛剛起步,國(guó)外在損管輔助決策領(lǐng)域的研究已取得很多成果。美軍海軍實(shí)驗(yàn)室研究了基于結(jié)構(gòu)化分析和建模的火災(zāi)指揮決策系統(tǒng)[1]，美軍艦船先后裝備的Ballast系統(tǒng)、SNIPE系統(tǒng)、損管器材管理系統(tǒng)軟件(DCAMS)和綜合生命力管理系統(tǒng)(ISMS)，都具有損管器材管理和輔助決策能力[2-4]。

火災(zāi)滅火輔助決策有三項(xiàng)主要功能：艙室資源顯示、逃生路徑規(guī)劃、滅火輔助決策。艙室資源顯示指在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為決策者提供必要的防火資源(防火區(qū)域、防火門、防火風(fēng)閥、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)等)、滅火資源(水滅火、泡沫滅火、氣體滅火設(shè)施等)、艙室設(shè)備(重要電器設(shè)備、危險(xiǎn)源、通信電話等)等信息，便于決策者快捷地掌握艦船的當(dāng)前狀態(tài)，全面了解火災(zāi)點(diǎn)附近的消防器材和重要設(shè)備、人員戰(zhàn)位分布等情況，并通過(guò)路徑優(yōu)化算法，提供合理的消防資源調(diào)配方案和普通艦員逃生路徑規(guī)劃，還能錄入并顯示火災(zāi)滅火預(yù)案，幫助決策者迅速做出滅火決策。

1 軟件總體架構(gòu)

火災(zāi)滅火輔助決策軟件基于包含空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、資源屬性數(shù)據(jù)、滅火預(yù)案數(shù)據(jù)所組成的資源數(shù)據(jù)構(gòu)建，通過(guò)圖形化界面，根據(jù)分布式火災(zāi)探測(cè)器所提供的火情信息，自動(dòng)搜索附近的消防資源配備情況，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)地點(diǎn)附近各類資源快速查找顯示，提供消防資源調(diào)配和使用方案，并引導(dǎo)對(duì)滅火設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制和管理，規(guī)劃普通艦員的逃生路徑。軟件是以網(wǎng)絡(luò)為中心，可分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層，見(jiàn)圖1。

圖1 火災(zāi)輔助決策結(jié)構(gòu)示意

數(shù)據(jù)層軟件為火災(zāi)輔助決策軟件提供數(shù)據(jù)服務(wù)，獲取損管監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)數(shù)據(jù)，為服務(wù)層軟件提供空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)查詢、存儲(chǔ)、修改等服務(wù)，提供輔助決策案例數(shù)據(jù)的管理。

服務(wù)層軟件基于組件技術(shù)、空間分析計(jì)算和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，完成輔助決策軟件的資源屬性匹對(duì)查詢、逃生路徑規(guī)劃、輔助決策案例匹配、分析損害情況和損管造成的設(shè)備影響、決策方案輸出等功能，為人機(jī)界面的顯示提供信息。輔助決策軟件的主要計(jì)算功能在服務(wù)層完成。

應(yīng)用層軟件是人機(jī)交互的接口，是輔助決策軟件的功能表達(dá)界面，可提供輔助決策過(guò)程信息、結(jié)果信息的顯示，接受人機(jī)界面輸入，進(jìn)行顯示設(shè)置，還可查詢和管理艙室資源數(shù)據(jù)、決策信息數(shù)據(jù)等。

2 軟件工作流程

1)根據(jù)探測(cè)器所在艙室查詢本艙的火災(zāi)預(yù)案并進(jìn)行顯示。

2)查詢屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，顯示本艙及附近點(diǎn)的防火資源、滅火資源、艙室設(shè)備等相關(guān)信息。

3)根據(jù)資源分布信息，分析得出多種可行的滅火決策方案。

4)根據(jù)火災(zāi)探測(cè)器的位置，調(diào)用空間數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢通道、梯蓋分布情況，規(guī)劃火災(zāi)點(diǎn)附近普通艦員的逃生路徑。

火災(zāi)滅火輔助決策軟件工作流程見(jiàn)圖2。

圖2 火災(zāi)滅火輔助決策軟件工作流程示意

3 軟件主要模塊

火災(zāi)滅火輔助決策系統(tǒng)由人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、損害分析與輔助決策模塊、路徑規(guī)劃模塊等組合而成。人機(jī)界面模塊是人機(jī)交互的接口，艙室資源、逃生路徑、滅火方案都以圖形文字相結(jié)合的方式呈現(xiàn)在決策者面前；數(shù)據(jù)庫(kù)模塊是整個(gè)決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)，提供各功能模塊所需的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)特殊功能的專題數(shù)據(jù)，對(duì)新數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等資源管理維護(hù)；損害分析與輔助決策模塊是防火指揮系統(tǒng)的重心部分，它起著統(tǒng)領(lǐng)全局的作用，大多數(shù)模型和算法都由此模塊實(shí)現(xiàn)，為指揮提供決策的手段和方法，為指揮者提供全面的損管信息；路徑規(guī)劃模塊用于計(jì)算火災(zāi)地點(diǎn)艦員逃生路徑。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

輔助決策軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)有空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)?？臻g數(shù)據(jù)在空間上定位了各個(gè)艙室的地理位置、布局、平面圖以及防火區(qū)域、通道、梯蓋的分布信息，包含了全艦的平面空間特征。

屬性數(shù)據(jù)定義艙室防火資源、滅火資源、主要設(shè)備信息，如火災(zāi)探測(cè)器、防火風(fēng)閥、消火栓、水龍帶箱、移動(dòng)式滅火器、消防員裝備和為此艙室服務(wù)的水滅火、氣體滅火、泡沫滅火設(shè)施等各類資源的屬性。屬性的主要內(nèi)容有設(shè)備名稱、類型、編號(hào)、位置、規(guī)格及操作控制方式等。

預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)重點(diǎn)艙室和部位的消防預(yù)案，各類消防設(shè)施的使用原則和先后順序，預(yù)案數(shù)據(jù)與艙室號(hào)相關(guān)聯(lián)，在軟件使用中可以進(jìn)行預(yù)案輸入。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊可對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存貯、查詢、修改等操作。當(dāng)查詢到火災(zāi)艙室預(yù)存有消防滅火預(yù)案時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊將提取預(yù)案的具體內(nèi)容，在人機(jī)界面顯示；空間數(shù)據(jù)庫(kù)與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)是相互獨(dú)立又相輔相成，任何空間實(shí)體至少包含有一個(gè)屬性，輔助決策軟件的分析、檢索主要是通過(guò)對(duì)屬性的操作運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軟件進(jìn)行艦員逃生路徑規(guī)劃，要從所有可達(dá)路徑中尋找一條最優(yōu)路徑引導(dǎo)艦員快速逃生，需要根據(jù)艙室附近的通道和火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器的位置信息進(jìn)行計(jì)算，這兩類數(shù)據(jù)分別來(lái)自空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，軟件需要調(diào)用屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行最短路徑運(yùn)算。

本軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用基于對(duì)象的空間數(shù)據(jù)模型來(lái)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，這樣存儲(chǔ)保證了數(shù)據(jù)的一致性和完整性，并且能夠?qū)?shù)據(jù)之間的空間拓?fù)潢P(guān)系方便的存儲(chǔ)起來(lái)?？臻g數(shù)據(jù)文件與屬性數(shù)據(jù)文件分開(kāi)存儲(chǔ)，屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的屬性表中，空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在圖層文件中，二者通過(guò)索引機(jī)制聯(lián)系起來(lái)，為了提高效率，采用層次結(jié)構(gòu)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，即根據(jù)不同的專題將空間數(shù)據(jù)分層，上述交互關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)的交互關(guān)系示意

3.2 損害分析與輔助決策模塊

損害分析與輔助決策模塊根據(jù)火災(zāi)探測(cè)器的編號(hào)、位置信息，定位火災(zāi)類型、火災(zāi)危險(xiǎn)的艙室，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，查詢本艙的消防預(yù)案，根據(jù)報(bào)警火災(zāi)探測(cè)器的類型與位置，調(diào)用屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢本艙及臨近部位的防火、滅火資源和艙室主要設(shè)備的信息，通過(guò)位置匹配，分析火災(zāi)可能的來(lái)源及造成的損害危險(xiǎn)，并根據(jù)消防滅火的原則，一般可按初火、小火、大火分別制定消防滅火方案，共決策者參考。

以機(jī)艙為例，初火時(shí)，采用手提式滅火器材、消火栓或中倍泡沫滅火裝置進(jìn)行滅火；小火時(shí)，艙內(nèi)非消防隊(duì)員撤離，消防隊(duì)員關(guān)閉空調(diào)通風(fēng)設(shè)施，采用噴霧設(shè)施滅火，并提示增加消防泵保持消防總管壓力；大火時(shí)，則進(jìn)行封艙滅火，所有人員撤離，啟動(dòng)氣體滅火設(shè)施滅火;如果仍然不能撲滅火災(zāi)，最后使用高倍泡沫滅火設(shè)施滅火。

損害分析與輔助決策模塊查詢屬性數(shù)據(jù)庫(kù)獲取該艙室的所有滅火設(shè)施，以圖文形式列舉各種情況下的滅火方案，并提示操作控制注意事項(xiàng)，為消防滅火決策指揮提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 逃生路徑規(guī)劃模塊

在初火不能撲滅時(shí)，非消防艦員需要撤離，輔助決策軟件利用自身的數(shù)據(jù)信息集成優(yōu)勢(shì)進(jìn)行逃生路徑規(guī)劃，通過(guò)全艦廣播、應(yīng)急逃生指示裝置等方式引導(dǎo)艦員撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

以火災(zāi)點(diǎn)為障礙點(diǎn)調(diào)用空間數(shù)據(jù)庫(kù)艙室、通道、梯蓋等空間分布節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)路徑規(guī)劃算法計(jì)算出最近的應(yīng)急逃生路線，見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)急逃生路線示意

本軟件采用目前比較通用的迪杰斯特拉(Dijkstra)算法，計(jì)算距離最短的逃生路徑。

在Dijkstra算法中，將每個(gè)通道的拐點(diǎn)定義為頂點(diǎn)V，兩個(gè)頂點(diǎn)間對(duì)應(yīng)權(quán)值D，并認(rèn)為：

1)若兩個(gè)項(xiàng)點(diǎn)直接相連，則權(quán)值D為兩個(gè)頂點(diǎn)間的直接距離l(Vi，Vj)；

2)若兩個(gè)項(xiàng)點(diǎn)不能直接相連，則權(quán)值D為∝。

在路徑規(guī)劃時(shí)，可以認(rèn)為每個(gè)通道的拐點(diǎn)為一個(gè)頂點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)可相連的頂點(diǎn)間存在權(quán)值，其值為兩點(diǎn)的通道距離，不連通的兩個(gè)頂點(diǎn)間的權(quán)值為無(wú)窮大。在軟件初始化時(shí)，可預(yù)先讀入相連兩頂點(diǎn)的權(quán)值，并將無(wú)窮大的權(quán)值設(shè)置為一個(gè)不可能被取到的大值。發(fā)生火災(zāi)的通道兩頂點(diǎn)間的權(quán)值為無(wú)窮大。

設(shè)V為所有頂點(diǎn)的集合，S為已經(jīng)找到最短路徑的頂點(diǎn)集合，T為S外未查詢的點(diǎn)的集合，T=V-S。結(jié)合圖5，說(shuō)明本軟件規(guī)劃逃生最短路徑的算法原理。

圖5 應(yīng)急逃生路線示意

1)初始化，起點(diǎn)V1∈S，計(jì)算各V中各頂點(diǎn)到V1的權(quán)值dk,見(jiàn)表1。

表1 S={V1}時(shí)的權(quán)值變化

2)查詢集合T中，距離V1權(quán)值最小的頂點(diǎn)Vk，將其Vk放入集合S中，并更新T中其它頂點(diǎn)Vj到V1的權(quán)值，其計(jì)算公式為

d=min{d(V1，Vj)，d(V1，Vk)+d(Vk，Vj)}

(1)

式中：d(V1，Vj)——Vj到V1的權(quán)值;

d(V1，Vk)+d(Vk，Vj)——V1經(jīng)過(guò)Vk的路徑到達(dá)Vj的權(quán)值。

在圖5中，顯然V2是距離V1最近的點(diǎn)，此時(shí)，S={V1，V2}，權(quán)值表變化見(jiàn)表2。

表2 S={V1,V2}時(shí)的權(quán)值變化

3)在V2和V5之間未發(fā)生火災(zāi)時(shí)，顯然逃生點(diǎn)V5的權(quán)值為最小，可直接加入集合S，最佳逃生路徑為V1→V2→V5；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，V5對(duì)應(yīng)的權(quán)值為∝，此時(shí)只有V3的權(quán)值最小，加入集合S，S={V1，V2，V3}，并將權(quán)值表更新,見(jiàn)表3。

表3 S={V1,V2,V3}時(shí)的權(quán)值變化

可以發(fā)現(xiàn)V4和V6的權(quán)值同樣最小，先將V4放入集合S(V4和V6放入集合的先后順序不影響最終逃生路徑的結(jié)果)，S={V1，V2，V3，V4}并按照上述流程更新權(quán)值，直到S=T；

最終算得由V1和V4最佳路徑為V1→V2→V3→V4→V5。

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