國外艦船損管技術發展情況

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基本特點

通過對意大利、荷蘭、挪威、英國和美國等國家生命力評估系統開發現狀［4-5］的分析，發現其生命力評估系統的開發具有以下基本特點：1）重點側重于易損性的評估，兼顧易感性和修復性的評估；2）評估系統的開發并非一蹴而就，而是經過多年不斷完善才逐步完成；3）針對不同的設計階段使用統一的評估模型，保證各個階段評估結果的一致性；4）都是交互式計算平臺，用戶可以自定義艦船和威脅武器的相關屬性；5）大多數國家對修復性（人員主動損管能力）的評估研究較少，而英國和美國的生命力評估系統已開始對人員的主動損管能力進行仿真。另外，英國海軍和美國海軍在進行計算機仿真評估的同時還非常重視試驗驗證。試驗主要包括兩類：一類是大尺度（全船）的試驗驗證，主要是對結構和功能損傷的仿真進行驗證；另一類是小尺度的試驗驗證，主要是對關鍵的機理損傷仿真算法和二次損傷仿真算法進行驗證。圖1是英國海軍以“海鷹”導彈對“德文郡”（Devonshire）號驅逐艦的實船攻擊試驗驗證。

評估系統的主要功能

通過對國外生命力評估系統的綜合分析，發現其具備的主要功能包括：1）易感性評估。主要體現在：根據武器制導特性和艦艇信號特征，在三維空間方向上對炸點的可能分布進行較為精確的描述。2）可視化評估，包括船體和設備的可視化、災害環境的可視化以及評估結果的可視化等。3）損傷機理和損傷模式仿真，包括彈體侵徹效應、破片損傷效應、沖擊損傷效應、爆破超壓損傷效應、氣泡毀傷效應、火災毀傷效應以及進水毀傷效應等。4）系列生命力指標評估，包括不沉性指標、船體強度指標、機動性指標、作戰任務剖面的完成能力以及人員生命力（人員疏散能力）等。5）對艦員的修復性、主動損管能力進行評估。6）對評估所需的初始條件進行自定義/再開發，包括攻擊武器屬性的自定義、船體和設備基本布置、配置和性能參數的自定義、損傷閾值的自定義、系統功能邏輯的自定義以及損傷仿真模型的再開發等。

評估系統的模塊化設計

意大利海軍的艦艇生命力評估系統也是目前國際上開發較為成功的一個交互式易損性評估軟件，主要包含4大模塊：船體模塊（對船體外形、艙室布置進行定義）、系統模塊（對系統的功能邏輯進行定義）、損傷模塊（模擬武器損傷和災害蔓延機理）和分析模塊（分析功能損傷概率）。例如，國外某護衛艦上易損性評估建模屬性包括船體板2188個、艙室724個、系統151個以及重要設備515個。評估的易損性指標包括機動能力完全喪失概率、沉沒概率、對空作戰任務（AAW）在各損傷等級下的概率、對海作戰任務（ASuW）在各損傷等級下的概率以及反潛作戰任務（ASW）在各損傷等級下的概率等。

改進方向

英國海軍的艦艇生命力評估系統目前主要針對的是艦艇方案設計階段，如何從有限的數據中自動生成艦艇及其系統的模型是其評估系統需要改進的一個重點。另外，如何簡化攻擊環境的設置，以快速地對威脅相關參數進行定義，以及對不同設計階段的評估結果進行一致性分析也是其需要重點解決的問題。據報道，意大利海軍艦艇生命力評估系統的改進方向包括：1）在損傷模塊中增加火災蔓延模型，以模擬火災的毀傷效應；2）對人員的生命力、彈藥庫爆炸時的大型艦艇生命力進行評估；3）對武器毀傷機理的相關模型進一步修正。總而言之，生命力評估系統的開發不僅需要各類精確的數理模型、計算機圖形顯示技術，還需要軟件綜合集成技術的支撐［6］。因此，仿真平臺的開發將是一項復雜的系統工程。這就要求在功能設計上要統籌安排，在流程設計時要合理規劃，在軟件開發時綜合集成，在模型建立時做到理論與試驗相結合。

智能損管輔助決策及損管監控技術

智能損管輔助決策系統的研發是損管技術的一個重要方向。但是，由于損管決策的復雜性，目前仍沒有有效的手段和技術開發高智能化水平的輔助決策系統。

損管決策的復雜性分析艦艇的損管決策任務不僅受時間的限制，還受災害的復雜性以及認知的局限性的影響，下面將從上述3個方面對損管決策的復雜性進行分析［7-10］。1）時間的限制。艦艇在受到武器攻擊后，災害蔓延速度非常快。以火災為例，在幾分鐘之內就有可能蔓延至相鄰艙室。因此，智能決策系統必須在較短的時間內給出較準確的決策方案。2）災害的復雜性。艦艇在受到武器攻擊后，災害模式較多，包括進水、火災、熱煙氣、管路破裂、強度喪失、技術裝備損傷以及人員傷亡等。因此，損管決策需要考慮災害和損傷的每一個方面，這也是智能損管決策技術開發的難點。對于損管決策來說，及時、準確地獲得完整信息至關重要。一般來說，處于災害發生最近處的戰位會將災害信息及時報告給決策者，但由于戰場情況復雜多變，并受戰位人員個人因素等的影響，決策者及時、準確地獲得完整的災害信息的可能大大降低。3）認知的局限性。由于災害和損傷的復雜性，使得艦員難以對艦艇當前的安全狀態和損管方案做出準確評估。以船體為例，需要借助于不沉性和剩余強度計算軟件對其是否會沉沒做出準確評估，艦員僅依靠經驗難以做到。

智能損管決策的基本流程損管決策是危機決策的一種形式，現實中的損管決策受時間、任務、環境和資源等多種復雜因素的影響。通過分析上述決策基本流程，并結合損管的實際情況，可給出損管決策的基本步驟。第1步：進行災害探測。對于損管決策來說，及時、準確地獲得完整信息至關重要。探測的災害包括破損進水的位置、火災煙氣的位置以及管路的破損情況等。第2步：進行損傷評估。在災害發生后，分析處理獲得的信息，對災害和艦艇狀態，以及災害和艦艇狀態的發展趨勢做出正確評估，為決策提供明確的依據。第3步：損管決策。災害和戰場形勢是瞬息萬變的，損管決策是整個過程中最主要的部分，要求決策者能夠果斷、準確做出決策，利用現有的資源控制或消除災害。艦艇損管輔助決策系統是輔助指揮員完成損害分析、制定損管預案的輔助決策工具。損管輔助決策系統開始于上世紀80年代，最先應用的是抗沉輔助決策系統。它作為損管監控系統的軟件部分，與監控硬件保留有數據接口。特別是隨著計算機技術的進步，以計算機為基礎、具有信息處理量大、反應時間快、輔助決策能力強等優點的現代化損管監控系統正日益受到各國海軍的重視，已成為損管監控系統的發展趨勢［11］。第4步：命令的執行。決策做出，并不意味著決策正確和災害能夠被限制或消除，決策者還必須對決策的執行進行監督跟進，不斷從災害現場獲得實時信息反饋，以完善和修改決策。

發展趨勢未來的損管是全方位的損管，必將在嚴密的指導下，以較少的、訓練有素的指揮官和損管艦員，在智能化損管系統的引導下，以最有效的方式完成信息收集、損害評估和輔助決策等過程，建立起快速的損管反應能力，將損害所帶來的損失降到最低程度。艦艇損管決策及監控技術的發展趨勢為：1）加強損管系統的融合和兼顧設計。損管系統的設計應與現行損管體系中的各個機構、損管策略很好地協同，與艦上實際的損管能力兼容。需要在頂層設計中引入系統論、運籌學等方法，設計出更實用的損管系統。2）開發信息化、智能化程度高的損管監控系統。以計算機為基礎，研制模塊化、標準化、通用化的硬件設備。研制冗余度高、可靠性好的損管信息網絡，最大限度地利用硬件資源，使損管信息貫通流暢。以人工智能為核心編制模塊化損管軟件，為損管指揮決策提供充分的信息資源。3）增加嵌入式模擬訓練設計。在系統或設備上裝入或增加能夠使全體人員更加熟練掌握各項技能的硬件和軟件環節，通過這種環節提供與實際裝備相同操作的訓練。在艦艇實際損管系統中嵌入輔助訓練系統是提高損管效能的有效方式。4）加強系統智能重構技術的研究。自動修復技術是提高艦艇生命力和安全性的更高層次的需求，為此，需將監控系統和人工智能相結合，加快智能重構技術在艦艇消防管路、重要裝置布置等方面的理論研究和實際運用。5）加強損管輔助決策能力。未來損管系統不僅是一套匯集信息的機械控制系統，而且還是一套損管報告系統和輔助命令決策系統。當某種損傷發生時，系統能自動喚起相關備件資料或相應人員情況的數據庫，供損管指揮員快速決策。

管網智能重構技術

對于現代艦船來說，消防水管網破損后的有效重構是一個極為復雜的問題。當管路網絡拓撲復雜到一定程度時，艦員無法人工判斷重構路徑與效能。具備戰損動態重構能力的分布式智能控制技術是智能化損管的關鍵技術之一。美國海軍研究實驗室于2003年制訂了針對智能型火災抑制系統的測試計劃，該計劃中的一個重要部分就是要對受損消防供水管路的智能修復能力進行測試。有關智能修復能力測試的具體目標是對基于閥門調整順序表的受損點隔離方法的可靠性與反應時間進行考核。這里的閥門調整順序表是依據特定的觸發條件建立的隔離閥操作程序表，而特定的觸發條件包括消防管路的壓力、流量以及壓阻的變化信號。2006年，提出了針對消防供水管路智能修復能力的改進計劃，該計劃指出原有基于閥門調整順序表的隔離方法存在一定的不足，即閥門調整順序表的結構并不具有唯一性，這種狀況會造成受損區隔離與修復措施的不可靠和低效性［12-14］。與消防水管網的智能重構類似，美海軍在新型驅逐艦的設計中對冷卻水系統采用了分布式智能控制組件。在進行的實彈試驗中，分布式智能控制系統表現出了極高的生命力，該產品逐漸應用于美國海軍的新研艦艇。當前，智能重構技術的發展趨勢是把監控系統與人工智能相結合，加快智能重構技術在艦艇消防管路、電力網絡系統、供油管路及供氣管路重構中的應用。

結語

重點分析了國外海軍在艦艇生命力評估系統、損管輔助決策技術、損管監控技術以及管網智能重構技術等方面的研究現狀和發展趨勢，深入剖析了各方面的關鍵問題，特別是關鍵模型和關鍵流程的建模情況，為國內相關領域的研究提供了有價值的參考。然而，由于艦艇生命力與損管技術是一個多領域的交叉學科，不僅需要借助于仿真建模，還需要試驗的有機配合，因此，實用的生命力與損管技術依然是未來研究的熱點和難點。

作者：浦金云侯岳陳曉洪單位：海軍工程大學動力工程學院