陶瑞， 任鴻翔， 邱紹楊

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引 言

船舶作為水上運(yùn)輸工具，其特殊的功能和結(jié)構(gòu)特征決定了船舶火災(zāi)具有特殊性。[1]船舶一旦發(fā)生火災(zāi)，如果采取的措施不當(dāng)或撲救不及時，火災(zāi)就會蔓延到其他區(qū)域，危及人員和船舶的安全，甚至造成船毀人亡的嚴(yán)重事故。為檢驗(yàn)船員對船舶可能發(fā)生火災(zāi)的部位的應(yīng)急處置能力、對個人應(yīng)變?nèi)蝿?wù)的熟悉程度以及整個應(yīng)急處置過程中船員之間的相互支援和協(xié)調(diào)程度，進(jìn)行消防訓(xùn)練是非常有必要的[2]。

目前的船舶消防訓(xùn)練大多是在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行的，不僅花費(fèi)大、污染環(huán)境，而且危險(xiǎn)性較高。[3]經(jīng)過訓(xùn)練后，評估員會對學(xué)員的消防設(shè)備操作進(jìn)行評估。由于人的因素的存在，無法保證評估標(biāo)準(zhǔn)的客觀性和統(tǒng)一性。目前，對船舶消防訓(xùn)練評估系統(tǒng)的研究尚未有公開的研究成果。本文利用3ds Max和Unity3D開發(fā)船舶消防仿真設(shè)備，可以使消防人員在近似實(shí)戰(zhàn)的逼真環(huán)境中進(jìn)行模擬訓(xùn)練；依據(jù)《中華人民共和國海船船員適任評估規(guī)范》，利用MFC框架及C++語言開發(fā)試題模塊，并設(shè)計(jì)一種基于仿真設(shè)備的評估算法，用于減輕評估員的負(fù)擔(dān)，保證評估結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

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

船舶消防訓(xùn)練和自動評估系統(tǒng)需要完成兩項(xiàng)任務(wù)：第一，建立船舶消防設(shè)備三維模型，并實(shí)現(xiàn)虛擬交互操作；第二，針對學(xué)員的操作步驟和結(jié)果，結(jié)合評估算法給出成績。

1.2 整體設(shè)計(jì)

利用3ds Max，以巴拿馬型散貨船“長山?！碧枮槟感痛?，建立貨艙、消防控制室、二氧化碳間及消防設(shè)備等三維實(shí)體模型。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建船舶三維虛擬場景，在該虛擬場景中進(jìn)行消防訓(xùn)練。學(xué)員在訓(xùn)練過程中可以熟悉船舶消防設(shè)備的布置和相關(guān)操作要求。根據(jù)設(shè)備類型設(shè)計(jì)評估試題，按照教學(xué)大綱和相關(guān)公約要求確定試題內(nèi)容。學(xué)員根據(jù)試題要求進(jìn)行訓(xùn)練，再由系統(tǒng)給出成績。

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

圖1 船舶消防訓(xùn)練和自動評估系統(tǒng)組成

設(shè)備仿真模塊實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備的三維建模及其操作仿真。具體消防設(shè)備主要包括：固定水滅火系統(tǒng)、固定二氧化碳滅火系統(tǒng)和消防員裝備等。學(xué)員操作設(shè)備時，該模塊可完整地記錄相關(guān)的操作過程和結(jié)果數(shù)據(jù)，為評估模塊提供需要的信息。為還原真實(shí)場景，本文還構(gòu)建了三維船舶模型和海上場景，并根據(jù)STCW公約對船舶防火的要求，將消防設(shè)備放置于船舶各處。該模塊面向?qū)W員，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)與平臺。

試題模塊負(fù)責(zé)試題庫的構(gòu)建和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)出題和審題功能。根據(jù)《中華人民共和國海船船員適任評估規(guī)范》和各消防設(shè)備操作說明書制定評估標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)評估試題，出題人員根據(jù)典型試題出題。該模塊主要面向評估員和考務(wù)工作人員，是整個系統(tǒng)的后臺。

評估模塊完成評估試題的讀取和顯示，設(shè)置考試環(huán)境。學(xué)員根據(jù)評估試題的要求，操作相應(yīng)的仿真設(shè)備。該模塊讀取學(xué)員的操作步驟和結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)合后臺的評估標(biāo)準(zhǔn)和評估模型，給出學(xué)員的成績。該模塊面向?qū)W員，是整個系統(tǒng)的核心。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備仿真模塊實(shí)現(xiàn)

設(shè)備仿真模塊的實(shí)現(xiàn)包括三維建模、場景與界面搭建、設(shè)備交互、場景特效制作等。開發(fā)流程見圖2，具體實(shí)現(xiàn)過程可查閱文獻(xiàn)[5]，此處不再贅述。

2.2 評估模塊實(shí)現(xiàn)

該模塊讀取評估試題并在前臺顯示，試題評估要素和權(quán)重值在后臺存儲。學(xué)員點(diǎn)擊 “加載試題”進(jìn)入考試，考試環(huán)境會因試題不同而不同。學(xué)員根據(jù)要求進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束后，評估模塊根據(jù)學(xué)員操作過程和結(jié)果數(shù)據(jù)結(jié)合后臺評估模型給出成績。評估模型如下：

圖2 設(shè)備仿真模塊開發(fā)流程

采用專家法與隸屬度函數(shù)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備操作的考核評估。通過咨詢專家并結(jié)合《中華人民共和國海船船員適任評估規(guī)范》的要求，細(xì)分題型，提取評估要素，設(shè)定合理的權(quán)重、門限值。初步確定粗略的隸屬度函數(shù)，再通過“學(xué)習(xí)”和實(shí)踐檢驗(yàn)逐步修改和完善。形成完整評估模型后，利用綜合評價(jià)法[6]獲得學(xué)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(jié)果得分(簡稱操作得分)兩方面的計(jì)算得到學(xué)員的最終成績，計(jì)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(zhǔn)確度；WT為時間得分的權(quán)重；WR為操作得分的權(quán)重。

ST=STSf(t)

(3)

(4)

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

在計(jì)算SR時，要首先判斷操作的結(jié)果是否滿足要求。只有在操作結(jié)果滿足要求(即完成了設(shè)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(jù)試題的評估要素以及學(xué)員的操作步驟計(jì)算得出的。由于操作過程和結(jié)果涉及的評估要素均難以量化，所以設(shè)置相應(yīng)的隸屬度值

(5)

式中：xi和xSi分別為關(guān)于第i個評估要素的學(xué)員操作實(shí)際值和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值。隸屬度的取值是由學(xué)員是否進(jìn)行了相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)分。

在訓(xùn)練過程中，由于每個人的水平和操作習(xí)慣不同，會產(chǎn)生不同的操作過程。即使一個經(jīng)驗(yàn)豐富的評估員也可能會出現(xiàn)誤判，所以采取標(biāo)記要素的方法對訓(xùn)練過程中的關(guān)鍵步驟(即評估要素對應(yīng)的步驟)進(jìn)行標(biāo)記。如在進(jìn)行固定二氧化碳滅火系統(tǒng)訓(xùn)練時，應(yīng)首先打開二氧化碳室的風(fēng)機(jī)，再確認(rèn)煙霧探測面板中的警報(bào)。不同關(guān)鍵步驟對應(yīng)不同的標(biāo)記，標(biāo)記在后臺進(jìn)行，學(xué)員無法查看。這樣，對訓(xùn)練過程的評估就轉(zhuǎn)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(jù)學(xué)員操作產(chǎn)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(xùn)練評估結(jié)束；若不為空集則進(jìn)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(xùn)練評估結(jié)束；若CZ不為空集，則進(jìn)行下一步。

步驟4根據(jù)CX中要素權(quán)重得到CZ中要素Zi對應(yīng)的權(quán)重Wi,i=1,2,…,k,進(jìn)而計(jì)算出每個要素的標(biāo)準(zhǔn)分SSi,i=1,2,…,k。

2.3 試題模塊實(shí)現(xiàn)

以Visual Studio 2013 為開發(fā)平臺，采用Microsoft Foundation Classes (MFC)[7]框架，結(jié)合C++語言對試題模塊進(jìn)行開發(fā)。

試題主要包括固定二氧化碳滅火系統(tǒng)的使用、固定水滅火系統(tǒng)的使用、消防員裝備的穿戴、檢查保養(yǎng)和綜合演練等5大類。按照教學(xué)大綱和相關(guān)公約要求，設(shè)置試題內(nèi)容、初始變量、評估要素、評估標(biāo)準(zhǔn)、權(quán)重值等,在各大類中根據(jù)具體題目的要求編制每道小題。為方便試題庫的維護(hù)，整理上述內(nèi)容錄入Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)置評估設(shè)備的索引值進(jìn)行索引，并與試題模塊界面進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在數(shù)據(jù)庫中修改試題的結(jié)果會在界面中同步顯示。

界面的設(shè)計(jì)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(shè)備選擇、評估設(shè)備位置、題型、評估內(nèi)容、評估方式、評估角色等選項(xiàng)和各選項(xiàng)的組合框。每當(dāng)選擇某一選項(xiàng)時，程序會自動從數(shù)據(jù)庫中篩選出符合這一選項(xiàng)的初始變量和評估要素的相關(guān)信息，并在相應(yīng)位置的組合框中顯示。在組合框中可以進(jìn)行增加、刪除和修改選項(xiàng)等操作，這在一定程度上減少了考務(wù)工作人員的操作。出題結(jié)束后，點(diǎn)擊保存按鈕，會將所有試題信息保存成XML文件。

3 評估實(shí)例

以固定二氧化碳滅火系統(tǒng)的使用評估為例。固定二氧化碳滅火系統(tǒng)訓(xùn)練涉及的操作設(shè)備包括：風(fēng)機(jī)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(diǎn)而定)。

出題人員在試題模塊中設(shè)置各個設(shè)備的初始狀態(tài)、起火位置(貨艙1)和設(shè)置評估要素的權(quán)重值及標(biāo)準(zhǔn)值(圖3)；設(shè)置完畢后生成XML試題文件，并發(fā)送給考試端(即設(shè)備仿真模塊)。學(xué)員在設(shè)備仿真模塊中點(diǎn)擊“加載試題”，模塊根據(jù)試題信息設(shè)置各個設(shè)備的初始狀態(tài)(開啟還是關(guān)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(diào)用。加載試題后，學(xué)員根據(jù)試題內(nèi)容操作對應(yīng)設(shè)備，操作設(shè)備和效果見圖4～6。在該項(xiàng)訓(xùn)練中，評估要素為：開啟通風(fēng)供電按鈕、開啟通風(fēng)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(yīng)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(tài)。這7個評估要素的權(quán)重分別為0.1、0.1、0.1、0.2、0.2、0.1和0.2。

已知試題標(biāo)準(zhǔn)分為100分，WR=0.8，WT=0.2，tmax=120 s，tS=60 s，某考生完成該項(xiàng)訓(xùn)練的時間t為100 s且對每個設(shè)備都進(jìn)行了操作。根據(jù)操作記錄得到操作要素集，并按照第2.2節(jié)中的評估規(guī)則進(jìn)行評估。計(jì)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(fēng)機(jī)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(jīng)多次測試，固定二氧化碳滅火系統(tǒng)、固定水滅火系統(tǒng)和消防員裝備穿戴訓(xùn)練的評估測試數(shù)據(jù)見表1～3。表1和2的數(shù)據(jù)顯示，自動評估成績與評估員給出的評估成績比較吻合，達(dá)到了學(xué)員訓(xùn)練和評估的使用要求。表3的數(shù)據(jù)顯示，自動評估成績與專家評判略有出入。經(jīng)過仔細(xì)觀察表3中數(shù)據(jù)并結(jié)合該項(xiàng)訓(xùn)練的特點(diǎn)，得出結(jié)論：進(jìn)行消防員裝備穿戴訓(xùn)練時，用時越少，專家評判的成績越高。因此，對該項(xiàng)訓(xùn)練進(jìn)行自動評估時，應(yīng)適當(dāng)增加時間得分的權(quán)重。

表1 固定二氧化碳滅火系統(tǒng)訓(xùn)練評估測試數(shù)據(jù)

表2 固定水滅火系統(tǒng)訓(xùn)練評估測試數(shù)據(jù)

表3 消防員裝備穿戴訓(xùn)練評估測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了船舶消防訓(xùn)練和自動評估系統(tǒng)整體架構(gòu)，包含3個模塊：設(shè)備仿真模塊、評估模塊、試題模塊。設(shè)備仿真模塊構(gòu)建了逼真的三維虛擬場景和消防設(shè)備，學(xué)員可在其中進(jìn)行模擬訓(xùn)練；評估模塊可根據(jù)學(xué)員的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行自動評估；試題模塊根據(jù)相關(guān)要求制定評估試題。該系統(tǒng)降低了訓(xùn)練成本，使訓(xùn)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(xù)的研究可針對以下兩方面展開：多臺計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多人消防訓(xùn)練；鑒于評估模型較為簡單，設(shè)計(jì)更為合理的評估算法。

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