自由降落式救生艇实训与评估系统设计

戴树龙，金奎光，黄明

(1.大连海事大学 航海训练与工程实践中心, 辽宁 大连 116026；2.大连海事局, 辽宁 大连 116001)

一、引言

SOLAS公约规定, 2006年7月1日及以后建造的散货船均应配备自由降落式救生艇。[1]自由降落式救生艇的释放与回收，是船舶弃船时非常重要的操作内容，它直接关系到船上人员的生命安全，同时它也是船舶接受PSC检查的重点检查项目。STCW公约马尼拉修正案明确规定，参加精通救生艇筏和救助艇培训的学员必须掌握救生艇筏和救助艇的各种释放装置；STCW公约B部分还特别强调了对不同人员关于自由降落式救生艇操作的不同要求。[2]为更好履行国际公约的规定，我国《海船船员培训大纲(2016)》对救生艇的释放装置也提出了明确的要求。基于此，在航海类专业学生的专业技能培训中，自由降落式救生艇的释放与回收一直以来都是训练的一个重点，但同时它也是一个难点。由于设备设施配备、重复性训练和安全性保障等方面存在困难，该项目一直以来并未得到有效实施，因此学员对此项操作的掌握程度也比较差。基于以上背景，本着尽可能贴近实际和增加学员动手机会的原则，本文介绍了一种自由降落式救生艇实训与评估系统，从实训和评估两个方面，对本实训内容进行有针对性的训练，并对训练效果进行有效评估，以提升学员的实际动手能力，为船舶相关作业安全提供保障。

二、研究现状与存在的问题

1.研究现状

目前，国内对自由降落式救生艇训练的研究还较少，主要集中于以下几个方面：一是关于自由降落式救生艇本身的特点和释放方式的研究，如宋凤军[3]等对自由降落式救生艇演习要求和模拟释放进行了介绍；二是利用虚拟现实技术对其进行模拟，如邱绍杨、任鸿翔等[4-5]基于虚拟现实技术，提出了一种自由降落式救生艇培训系统，并对两种释放过程进行了建模和分析；三是根据目前情况提出的一些设想，如曹铮、宫玉广[6]等提出开发一种自由降落式救生艇操作模拟器的设想。

从研究情况发现，这些并未能真正解决目前该培训项目存在的问题。虚拟现实等技术的应用该问题的解决提供了一条可行之路，但受当前技术和实际效果的影响，该模拟系统与实际训练差别还较大，并且佩戴虚拟头盔和用手柄操作的方式，并不能真正达到训练目的，还会使学员产生一些不适感，目前还不能真正用于培训中。其他一些设想仅限于初步探讨，还未能看到设备开发雏形，整个训练过程也不够完备，因此还需进一步深入研究，付诸实践。

2.存在的问题

经过充分调研和多年教学实践验证，发现目前国内开展自由降落式救生艇操作训练存在几个比较突出的问题，具体包括：

(1)配置要求较高，训练开展难度较大

自由降落式救生艇及释放装置本身成本较高，而且配套设施要求更高，需要有满足一定水深要求的港池或开阔水域，水深应能够满足艇只自由降落入水要求。对一般的培训机构来讲，配备一套完整的设备已非常困难，在进行培训时还要考虑天气、风流等外部环境的影响，因此开展训练难度大。

(2)操作过程复杂，学员训练机会有限

自由降落式救生艇释放与回收的过程包括艇和释放装置检查与准备、人员登艇、艇只释放、水中航行、艇只回收与复位、人员离艇等步骤。由于整个过程耗时较长，完成一次大约需要30分钟，而且整个过程中，只有艇长一人能够实施相关关键操作，其他人员无法直观看到操作情况。因此，对整个培训来说，本项内容耗时长、训练效率低，训练效果非常差。

(3)使用频率较高，安全风险隐患较大

精通救生艇筏和救助艇培训是所有在校航海类专业学生的必修课，调研可见，绝大多数院校最多配备一套该设备。按照正常教学使用频率，艇只和释放装置的磨损和老化情况会非常严重，如果维护保养不当或不及时，就会造成严重的教学事故，这是需要警惕和避免的。

经过对国内多家航海院校和培训机构调研后发现，关于自由降落式救生艇操作训练内容，能够在授课过程中进行释放和回收等实际操作演练的寥寥无几，训练方式也主要以讲解、视频演示为主，真正实际动手操作的内容很少。而由于该设备具有安全性和可靠性，目前营运货船多数都配备自由降落式救生艇，因此，本教学项目的学习又是重中之重，必须让学生真正掌握，并能够熟练应用。

三、自由降落式救生艇实训与评估系统设计与功能介绍

1.设计原则与思路

本系统主要解决自由降落式救生艇释放和回收困难、学员参与训练难度大、无法对掌握程度进行有效评估的问题。在设计时，坚持安全性、简便性、真实性和可重复性的原则。

主要思路是将救生艇承载装置进行等比例缩小，并制作专门的操作舱用于学员进行释放训练，通过设计加速装置和入水模拟装置来模拟自由降落释放和入水的过程，利用专门的释放和回收装置可对两种释放方式进行训练，动力主要采用电力，传动方式主要以机械传动为主。

2.系统功能介绍

本系统作为航海类专业学生进行船员专业技能适任培训的一个实训项目，具有以下功能。

(1)有针对性地开展艇内操作释放练习

艇内操作释放是船员必须掌握的一项基本技能，本项操作是否熟练掌握是弃船时能否顺利脱离难船的关键。本系统可以对本项内容进行重点强化练习，由于每次操作从释放到回收的时间不超过5分钟，这样能保证全体学员均能多次进行艇内操作释放练习，大大节约了练习时间，增加了学员实际动手操作的机会。此外，学员在操作时，控制台能对操作程序和时间进行控制，可有效评估学员对操作释放过程的掌握程度。

(2)自由降落和回收过程模拟

艇的降放和回收操作是船舶进行弃船演习时需要掌握的另一项重要技能，本系统的另一个关键功能是能真实体验放艇时的失重感觉，并能模拟回收过程。这些可以通过设置一定长度的滑道，并加装加速装置来实现；模拟艇的回收则通过与实船类似的遥控器实现，艇的挂钩、回收和复位，主要利用机械传动装置来实现，此种方式方便快捷，系统稳定性高。

(3)对学员操作过程进行有效监控和评估

由于自由降落式救生艇的驾驶舱空间狭小，仅能供一人乘坐，不利于老师对实操过程进行指导，因此，对学员的实操过程和效果无法做到有效监督、指导和评估。本系统在驾驶舱位置增加了视频监控和外放设备，并可将操作过程信号投影到大屏幕上，方便老师和其他等候的同学观摩。在此过程中，老师可以对操作人员进行实时指导，也可以向其他同学讲评操作过程，指出错误和不足，进一步强化操作步骤和注意事项。此外，本系统也可用于课程结束后的实操考试，设定操作时间，并在关键部位设置报警，一旦误操作报警响起或操作超时则视为不通过。

(4)体验入水真实感觉和视听刺激

自由降落式救生艇释放过程让人印象最深刻的就是入水的瞬间，真实的入水感觉可以加深受训学员的记忆，这一点也是在船工作无法真实体验到的。本系统的设置入水模拟装置和视听设备，可以使受训学员体验救生艇入水时与水面的撞击感，对视觉和听觉都产生强烈刺激，让学生产生强烈的感官震撼，从而对此操作记忆深刻。

四、系统关键模块与功能实现

1.承载装置

自由降落式救生艇承载装置主要包括底座和相应的附属设备，力求将实物真实还原。承载装置的具体设备包括底座、滑道、压艇板、固定板等。其中，为了保证下滑过程的安全，与实船不同的是本系统滑道采用包裹式滑道，滑道将固定在艇底两侧的轮子包裹住，防止艇只在下滑过程中挣脱，最大限度保证了学员的安全。

2.驾驶舱

驾驶舱是艇内释放的关键部位，也是本训练项目的关键训练单元，驾驶舱内如图1所示。驾驶舱外部尺寸为1.5 m×1.5 m×2 m，内部由一个驾驶位座椅(配安全带)、方向盘、释放装置、警笛、话筒、摄像头、外放等设备组成。其中，释放装置是舱内释放训练最重要的设备，主要由固定在座椅侧面的释放手柄、安全销等组成，学员根据已学到的内容，按照正确的操作规程进行操作，如果操作正确，驾驶舱则进行正常脱钩、释放、滑行、撞击、停止过程；反之，报警装置则进行报警，大屏幕会显示学员的错误操作，指导老师则对学员操作进行指导纠正，并重复以上步骤，直到掌握为止。

图1 驾驶舱舱内图

3.救生艇下滑加速装置

在艇底加装一个弹性可调节的装置，一端固定在艇滑落后的终点，另一端挂在艇的底部。受滑道长度和艇重量的限制，脱钩后艇的下滑速度肯定会与实艇差别较大，为了弥补这些差距，增强真实感，本系统在艇底设置了一个加速装置，以保证艇的下滑速度，使受训学员体验更加真实。一方面为了保证安全，另一方面最大限度地模拟真实操作过程，弹性需要经过精细计算后确定，并可根据学员重量差异进行调整。[7-8]

以型号BH-F750为例，艇A的滑道角度θ=30°，滑道长L=5 m，艇的外形参数长×宽×高×型深(L×B×H×D)=7.5×2.85×3.1×1.2(m)，最大成员数32人，满载重量M=7300 kg，壳体材料为玻璃钢。具体计算过程如下：

图2 艇沿滑道下滑原理演示图

对艇A进行受力分析，其受重力、摩擦力和支持力。

重力分解后，沿垂直斜面方向的力G1和沿斜面方向的力G2分别为：

G1=Mgcosθ

(1)

G2=Mgsinθ

(2)

摩擦力：

f=μG1

(3)

由牛顿第二定律，得：

Mgsinθ-f=Ma

经转化后，可得加速度公式：

a=gsinθ-μgcosθ

(4)

查阅相关资料，刚性圆柱体沿弹性基础滚动时，由接触区前部的压力引起的力矩：

式中，N为圆柱体全长上的载荷；b为接触面积的半宽。

由做功计算公式：W=FS(W是功，F是力，S是在力的方向上的距离)，以及滚动摩擦运动特点可知，圆柱体转动单位摩擦距离时，所做的功φ1在数值上等于滚动摩擦力：

式中：R为圆柱体半径。

将式(6)代入滚动摩擦力公式F=φ1/S，可得：

(7)

式中：S为滑动距离。

由无量纲滚动摩擦系数定义，可知：

经计算得出，滚动摩擦系数为0.05，将数据代入式(4)，可得艇下滑加速度：

假设艇的摩擦力一定，则艇的下滑过程为匀加速运动，由匀加速运动公式：

经过以上计算，则艇沿滑道下滑冲出滑道时的速度：

V=Vo+at=6.68 m/s≈7 m/s

为保证体验尽可能贴近实际，将艇被加速装置加速后，到达滑道末端的速度设为7m/s。根据弹性材料的弹性和滑道长度，结合以上计算结果可以确定弹性材料的长度。

4.入水模拟装置[9-11]

入水模拟装置主要是在滑道末端增加一个缓冲装置，使艇速在很短的时间内由最大速度减到0，并提供一定的冲击力，以最大限度模拟入水时的状态，增加艇内训练人员的真实体验感。本装置设置的重点是缓冲材料的选取和整个制动过程的模拟。艇只以自由降落方式入水的最大特点在于入水时的冲击力特别大，艇体会有较大震动，并能向前冲出较远距离。根据救生艇加速装置计算出来的最终速度V1，艇只+学员重量G1等数据计算艇只冲量，设置相应缓冲材料。

(1)缓冲材料可选取由多个弹簧及加厚编织材料组成，或由泡沫材料组成。

(2)根据下滑加速装置的计算结果，计算艇碰撞时的冲量，并根据冲量大小来设置缓冲材料的厚度，以保证真实体验效果和系统安全性。

5.释放与回收单元

救生艇的释放与回收是本实训项目的另一个重点训练内容,演示图如图3所示。

图3 释放与回收演示图

本模块内容主要训练并考核学员对整个遥控释放过程的熟练掌握，以及对释放和回收节奏的控制。在设计时，重点考虑了两种释放方式：一种是自由降落释放；一种是通过吊艇索释放。自由降落释放主要在艇内完成，吊艇索释放则由学员在艇外操作遥控释放装置释放。与实船使用液压控制不同，艇外遥控释放采用电力控制，释放手柄尽量与实船一致，一方面保证了操作安全，另一方面保证了系统的稳定性和可控性。

6.观摩、监控与评估单元

通过设置艇内监控装置，教员在上课过程中，一方面可以对学员的操作进行有效监控和指导，另一方面，还可以将艇内操作过程投射到大屏幕上，方便艇外学员观摩学习。本系统也可作为评估考试使用，可对整个操作过程进行自动打分。

本模块主要由两部分组成：一部分包括视频监控、投影及外放等设备，对整个过程进行监控，在驾驶舱合适位置安装两个摄像头，分别从不同视角保证对操作过程的全覆盖；另一部分，由安装在各操作设备关键部位的触电开关、电路、报警器和打分系统组成，操作正确会触发触点开关，在打分系统给出对应的分数，操作顺序错误或关键操作错误，系统会发出报警，在打分系统扣除相应分值。另外，在评估单元中会设置必过项，如果此项操作错误系统会自动记为不及格。

7.安全保护单元

本系统设置安全保护单元，以防止误操作和意外情况下造成人身伤害事故。系统设置几个安全保护点，一旦该触发点被触发，则立即停止整个系统，不再进行下面动作，并发出声光报警。能够触发报警的动作，也是船上实际操作过程中需要特别注意的地方，也是容易发生事故的地方。具体触发点包括：

(1)安全带锁闭点

一旦安全带未锁闭，没能触发该处触点开关，则下面任何动作均不能进行，一旦作出危及安全动作(如拔出安全销、按下释放手柄等)，则会触发声光报警。

(2)艇只碰撞报警

如果在释放和回收过程中，发生艇只与吊艇架碰撞的情况，系统会发出报警，提醒注意，评估时系统也会酌情扣减相应分数。

五、结论与展望

在对自由降落式救生艇训练情况进行充分调研，并对国内外相关研究现状进行系统分析的基础上，为解决目前自由降落式救生艇训练无法系统开展的难题，设计一种自由降落式救生艇实训与评估系统。重点介绍承载装置、驾驶舱、救生艇下滑加速装置、入水模拟装置、释放与回收单元、观摩监控与评估单元和安全保护单元等几个模块的主要功能和构造，系统性地展示其特点，与以往实训相比，该系统既能对关键性操作进行针对性训练，又能对训练效果进行监督和考核，还能让学员反复练习增加动手机会，最重要的是可以最大限度让学员体会该训练项目的真实性，真正达到实训的目的。在后续的研究中，将尝试在驾驶舱增加曲面大屏设计，并增加海浪冲击画面和声响等，以“虚实结合”的方式，最大限度地模拟真实情况，进一步提升实训效果[12]。