船舶消防训练和自动评估系统设计

陶瑞， 任鸿翔， 邱绍杨

(大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026)

0 引 言

船舶作为水上运输工具，其特殊的功能和结构特征决定了船舶火灾具有特殊性。[1]船舶一旦发生火灾，如果采取的措施不当或扑救不及时，火灾就会蔓延到其他区域，危及人员和船舶的安全，甚至造成船毁人亡的严重事故。为检验船员对船舶可能发生火灾的部位的应急处置能力、对个人应变任务的熟悉程度以及整个应急处置过程中船员之间的相互支援和协调程度，进行消防训练是非常有必要的[2]。

目前的船舶消防训练大多是在真实环境中进行的，不仅花费大、污染环境，而且危险性较高。[3]经过训练后，评估员会对学员的消防设备操作进行评估。由于人的因素的存在，无法保证评估标准的客观性和统一性。目前，对船舶消防训练评估系统的研究尚未有公开的研究成果。本文利用3ds Max和Unity3D开发船舶消防仿真设备，可以使消防人员在近似实战的逼真环境中进行模拟训练；依据《中华人民共和国海船船员适任评估规范》，利用MFC框架及C++语言开发试题模块，并设计一种基于仿真设备的评估算法，用于减轻评估员的负担，保证评估结果的客观性和准确性。

1 总体设计

1.1 系统功能分析

系统功能涉及船舶消防设备的使用和操作评估两部分。船舶消防设备包括探火与灭火报警系统、船舶固定式灭火系统、消防员装备、应急通信设备等。学员通过操作鼠标、键盘等输入设备，实现在虚拟场景中设备的使用。消防设备操作评估包括对操作过程和操作结果的评估两部分：操作过程的评估主要是判断学员在操作某个设备的过程中是否出现误操作或缺少必需的操作步骤；操作结果的评估是判断操作结果是否满足实际要求。

船舶消防训练和自动评估系统需要完成两项任务：第一，建立船舶消防设备三维模型，并实现虚拟交互操作；第二，针对学员的操作步骤和结果，结合评估算法给出成绩。

1.2 整体设计

利用3ds Max，以巴拿马型散货船“长山海”号为母型船，建立货舱、消防控制室、二氧化碳间及消防设备等三维实体模型。利用虚拟现实技术，构建船舶三维虚拟场景，在该虚拟场景中进行消防训练。学员在训练过程中可以熟悉船舶消防设备的布置和相关操作要求。根据设备类型设计评估试题，按照教学大纲和相关公约要求确定试题内容。学员根据试题要求进行训练，再由系统给出成绩。

采用模块化程序设计思想[4]，按照功能将船舶消防训练和自动评估系统划分为3个模块(图1)：设备仿真模块、评估模块和试题模块。

图1 船舶消防训练和自动评估系统组成

设备仿真模块实现消防设备的三维建模及其操作仿真。具体消防设备主要包括：固定水灭火系统、固定二氧化碳灭火系统和消防员装备等。学员操作设备时，该模块可完整地记录相关的操作过程和结果数据，为评估模块提供需要的信息。为还原真实场景，本文还构建了三维船舶模型和海上场景，并根据STCW公约对船舶防火的要求，将消防设备放置于船舶各处。该模块面向学员，是整个系统的基础与平台。

试题模块负责试题库的构建和维护，实现出题和审题功能。根据《中华人民共和国海船船员适任评估规范》和各消防设备操作说明书制定评估标准和设计评估试题，出题人员根据典型试题出题。该模块主要面向评估员和考务工作人员，是整个系统的后台。

评估模块完成评估试题的读取和显示，设置考试环境。学员根据评估试题的要求，操作相应的仿真设备。该模块读取学员的操作步骤和结果数据，结合后台的评估标准和评估模型，给出学员的成绩。该模块面向学员，是整个系统的核心。

2 系统实现和关键技术

2.1 设备仿真模块实现

设备仿真模块的实现包括三维建模、场景与界面搭建、设备交互、场景特效制作等。开发流程见图2，具体实现过程可查阅文献[5]，此处不再赘述。

2.2 评估模块实现

该模块读取评估试题并在前台显示，试题评估要素和权重值在后台存储。学员点击 “加载试题”进入考试，考试环境会因试题不同而不同。学员根据要求进行训练，训练结束后，评估模块根据学员操作过程和结果数据结合后台评估模型给出成绩。评估模型如下：

图2 设备仿真模块开发流程

采用专家法与隶属度函数结合的方式实现消防设备操作的考核评估。通过咨询专家并结合《中华人民共和国海船船员适任评估规范》的要求，细分题型，提取评估要素，设定合理的权重、门限值。初步确定粗略的隶属度函数，再通过“学习”和实践检验逐步修改和完善。形成完整评估模型后，利用综合评价法[6]获得学员评估成绩。评估中，通过操作时间得分(简称时间得分)、操作过程和结果得分(简称操作得分)两方面的计算得到学员的最终成绩，计算公式为

式中：SA为最终评估成绩；ST为时间得分，代表考生操作的熟练度；SR为操作得分，代表考生操作的准确度；WT为时间得分的权重；WR为操作得分的权重。

ST=STSf(t)

(3)

(4)

式中：STS为时间得分的标准分；f(t)为操作时间的隶属度函数；tS为正常操作时间；tmax为最大允许操作时间。

在计算SR时，要首先判断操作的结果是否满足要求。只有在操作结果满足要求(即完成了设备的操作)的情况下，对操作过程的评估才是有意义的。SR是根据试题的评估要素以及学员的操作步骤计算得出的。由于操作过程和结果涉及的评估要素均难以量化，所以设置相应的隶属度值

(5)

式中：xi和xSi分别为关于第i个评估要素的学员操作实际值和系统标准值。隶属度的取值是由学员是否进行了相应的操作及其步骤是否正确等决定的。

(6)

式中：SSi为第i个评估要素的标准分。

在训练过程中，由于每个人的水平和操作习惯不同，会产生不同的操作过程。即使一个经验丰富的评估员也可能会出现误判，所以采取标记要素的方法对训练过程中的关键步骤(即评估要素对应的步骤)进行标记。如在进行固定二氧化碳灭火系统训练时，应首先打开二氧化碳室的风机，再确认烟雾探测面板中的警报。不同关键步骤对应不同的标记，标记在后台进行，学员无法查看。这样，对训练过程的评估就转换为对评估要素的评估。具体步骤如下：

步骤1获取试题评估要素集CX={X1,X2,…,Xn}，并根据学员操作产生操作要素集CY={Y1,Y2,…,Ym}。

步骤2判断CY是否为空集：若为空集则操作得分为零，消防训练评估结束；若不为空集则进行下一步。

步骤3对比CX与CY，从2个集合中筛选出相同的要素，得到筛选要素集CZ={Z1,Z2,…,Zk}(k≤n,k≤m)。若CZ为空集，则消防训练评估结束；若CZ不为空集，则进行下一步。

步骤4根据CX中要素权重得到CZ中要素Zi对应的权重Wi,i=1,2,…,k,进而计算出每个要素的标准分SSi,i=1,2,…,k。

2.3 试题模块实现

以Visual Studio 2013 为开发平台，采用Microsoft Foundation Classes (MFC)[7]框架，结合C++语言对试题模块进行开发。

试题主要包括固定二氧化碳灭火系统的使用、固定水灭火系统的使用、消防员装备的穿戴、检查保养和综合演练等5大类。按照教学大纲和相关公约要求，设置试题内容、初始变量、评估要素、评估标准、权重值等,在各大类中根据具体题目的要求编制每道小题。为方便试题库的维护，整理上述内容录入Access数据库，设置评估设备的索引值进行索引，并与试题模块界面进行关联。在数据库中修改试题的结果会在界面中同步显示。

界面的设计以方便、快捷、易操作为原则，试题模块主界面见图3。

图3 试题模块主界面

界面主要包含设备选择、评估设备位置、题型、评估内容、评估方式、评估角色等选项和各选项的组合框。每当选择某一选项时，程序会自动从数据库中筛选出符合这一选项的初始变量和评估要素的相关信息，并在相应位置的组合框中显示。在组合框中可以进行增加、删除和修改选项等操作，这在一定程度上减少了考务工作人员的操作。出题结束后，点击保存按钮，会将所有试题信息保存成XML文件。

3 评估实例

以固定二氧化碳灭火系统的使用评估为例。固定二氧化碳灭火系统训练涉及的操作设备包括：风机启动器、烟雾探测面板、二氧化碳钢瓶瓶头阀及管路释放阀门(视具体起火地点而定)。

出题人员在试题模块中设置各个设备的初始状态、起火位置(货舱1)和设置评估要素的权重值及标准值(图3)；设置完毕后生成XML试题文件，并发送给考试端(即设备仿真模块)。学员在设备仿真模块中点击“加载试题”，模块根据试题信息设置各个设备的初始状态(开启还是关闭)及起火位置，读取的评估要素信息存储在后台供评估时调用。加载试题后，学员根据试题内容操作对应设备，操作设备和效果见图4～6。在该项训练中，评估要素为：开启通风供电按钮、开启通风启动按钮、确定起火位置、打开二氧化碳管路货舱总阀、打开对应货舱三通阀、打开二氧化碳钢瓶瓶头阀、查看火焰的最终状态。这7个评估要素的权重分别为0.1、0.1、0.1、0.2、0.2、0.1和0.2。

已知试题标准分为100分，WR=0.8，WT=0.2，tmax=120 s，tS=60 s，某考生完成该项训练的时间t为100 s且对每个设备都进行了操作。根据操作记录得到操作要素集，并按照第2.2节中的评估规则进行评估。计算公式如下：

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，最终评估成绩SA=10+80=90分,见图7。

图4 风机启动器及烟雾探测面板

图5 货舱阀门

图6 二氧化碳及火焰效果

图7 成绩界面

经多次测试，固定二氧化碳灭火系统、固定水灭火系统和消防员装备穿戴训练的评估测试数据见表1～3。表1和2的数据显示，自动评估成绩与评估员给出的评估成绩比较吻合，达到了学员训练和评估的使用要求。表3的数据显示，自动评估成绩与专家评判略有出入。经过仔细观察表3中数据并结合该项训练的特点，得出结论：进行消防员装备穿戴训练时，用时越少，专家评判的成绩越高。因此，对该项训练进行自动评估时，应适当增加时间得分的权重。

表1 固定二氧化碳灭火系统训练评估测试数据

表2 固定水灭火系统训练评估测试数据

表3 消防员装备穿戴训练评估测试数据

4 结束语

本文设计了船舶消防训练和自动评估系统整体架构，包含3个模块：设备仿真模块、评估模块、试题模块。设备仿真模块构建了逼真的三维虚拟场景和消防设备，学员可在其中进行模拟训练；评估模块可根据学员的操作数据进行自动评估；试题模块根据相关要求制定评估试题。该系统降低了训练成本，使训练不再受场地和时间的限制，同时使得消防评估不再完全依赖评估员，提高了评估的客观性。后续的研究可针对以下两方面展开：多台计算机联网，实现多人消防训练；鉴于评估模型较为简单，设计更为合理的评估算法。

参考文献：

[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] 大连海事大学. 高级消防[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2008: 96-98.

[3] 苌占星. VR技术在船舶舱室火灾处理中的应用研究[D]. 大连: 大连海事大学, 2015.

[4] 蒋德志, 姚文龙, 张均东. Unity3D虚拟现实技术在机舱资源管理模拟器开发中的应用[J]. 中国航海, 2015, 38(3): 13-17. DOI:

10.3969/j.issn.1000-4653.2015.03.004.

[5] 陶瑞, 朱耀辉, 任鸿翔, 等. 基于虚拟现实技术的船舶消防培训系统[J]. 上海海事大学学报, 2017, 38(1): 74-78, 94. DOI: 10.13340/j.jsmu.2017.01.015.

[6] 郭亚军. 综合评价理论、方法及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2007: 6-8.

[7] 侯俊杰. 深入浅出MFC[M]. 2版. 武汉: 华中科技大学出版社, 1998: 246-247.