张永刚，孙骞，张玺,祝佳琰

(中国船舶重工集团公司 第七二六研究所，上海 201108)



舰艇实火模拟训练系统设计

张永刚，孙骞，张玺,祝佳琰

(中国船舶重工集团公司 第七二六研究所，上海 201108)

根据舰艇火灾类型及实火模拟训练系统国内外现状，提出一种针对舰艇火灾的实火模拟训练系统，用以真实模拟舰艇火灾环境，确保训练人员的安全，介绍实火模拟训练系统功能组成及设计。

模拟训练系统；船舶火灾；实火模拟；系统设计

由于舰艇具有空间狭小、结构复杂、设备密集、着火点隐蔽、火灾蔓延迅速等特点，一旦发生火灾，处置不当会对舰艇安全构成极大威胁[1]。因此，需要一种舰艇实火模拟训练系统，通过该系统可以让舰艇消防人员身临其境感受真实火灾场景中的各种极端环境，历练心理素质，提升消防技能，保证各项消防训练有效。

1 舰艇特点及火灾类型

1.1 舰艇特点

1)结构复杂。受空间和利用率影响，舰艇一般结构紧凑、复杂，房间众多，结构各异，如一些大型水面舰艇有多达几十甚至上百的舱室，各舱室内聚集了各种用途的设备。

2)设备关联复杂。舰艇内部设备众多，关联复杂，一旦发生火灾，局部火灾可瞬间转化为立体火灾，导致事故叠加，产生连锁反应。

3)超大空间。一些大型舰船设有类似于飞机库等的大空间或超大空间，该类空间一般空间大、遮挡严重、风速高、难以快速密闭，一旦发生火灾，对快速灭火要求高。

4)可燃物质多。为满足各项功能要求，舰艇一般都有很多高压、大电流机电设备、贯穿全船/艇的电缆、蓄电池舱、燃料、柴油机、发电机以及适宜舰艇人员居住舱室的装饰物等可燃物质[2]。

5)燃油储量大。为适应远洋作战需要，舰艇一般都携带大量的燃油、润滑油，一些大型水面舰，还携带大量的航空汽油。

6)携带高爆炸强度的弹药。舰艇为了满足作战功能，一般都携带大量的高爆弹药，一旦操控不当，危害极大。

7)救援难度大。舰艇远洋训练、作战，特别是水下潜艇，一旦发生火灾，附近救援力量很难及时赶到提供有效的灭火帮助。

8)热传导性能强。船体大多为钢板制造，钢铁热传导性能比较高，起火后5 min内，火灾附近温度可迅速上升到500 ℃～900 ℃，临近船体会被迅速加热，很容易引燃紧靠船体的可燃物质，造成火势蔓延[3]。

1.2 舰艇火灾特点

1)电气火灾。舰艇狭小空间内布置了大量的高压、大电流设备，再加上遍布全船/艇的电缆，很容易因为线缆短路和电气设备超负荷工作而发生火灾。

2)油类火。舰艇携带燃油、润滑油以及液压油都构成特定的火灾隐患，此类火灾蔓延迅速，灭火难度高，火灾危害极大。

3)舰载机火灾。一般常见与大型水面舰，舰载机无论是在停机状态、滑行及高速起降时，由于仪器故障、意外碰触、燃油泄漏、弹药爆炸等原因都会引起火灾，一旦控制不当，很可能会造成连锁反应，对水面舰船安全构成极大威胁[4]。

4)蓄电池火灾。舰艇携带有大量的蓄电池，蓄电池在使用过程中，会产生氢气，一旦发生短路现象，危害极大。

5)吸烟引起火灾。舰艇一般有较多人员，如果船上人员在不当地方吸烟，乱丢未熄灭烟头等，会造成很大的火灾安全隐患。

6)违章作业引发的火灾。违反有关安全规定，将危险品混存混放，违反安全操作规程，随便动火动电，由于舰艇内部携带大量易燃易爆物，此类火灾隐患后果不容小觑。

2 实火模拟训练系统应用现状

当前国内有一些省份的消防局，引进了一些建筑类型实火训练设施，对消防员消防技能有很大的帮助，但是该类设备参照国外设施设计，存在一些不符合国情的地方；国内针对实火模拟训练系统起步较晚，已经有一些专门针对舰载机火灾模拟设施[4]、民航飞机训练系统[5]、建筑火灾训练系统[6]的理论研究，但是由于舰艇消防特殊性，国内还没有针对此类实火模拟训练设施进行系统性研究，距离建设具有高可靠、高实用性、高安全标准的实火模拟训练系统还有很多路要走。

国外机构、学者在这方面研究开展研究较早，相关技术及实火训练标准已经发展的比较成熟，除了建设有完善的建筑火灾设施，还有专门应用于海军、空军的训练设施，同时，国荷兰HAGGEN公司，德国GFT公司，美国Kidde公司，德国Draeger公司等大型公司，在真火模拟训练系统设计、设施研发方面已经拥有几十年的丰富经验，针对特殊火灾现象模拟、训练安全性保障、训练装置模块设计等方面拥有先进的技术[6-7]。

3 舰艇实火模拟训练系统

3.1 系统组成及功能

舰艇实火模拟训练系统具有可以重复、高强度使用，前期准备工作及训练后的清理工作量小的特点，具备真实模拟多种类型、多场景、多工况火灾的功能，具体火灾模拟功能如下：

1)火灾模拟功能。具有模拟真实舰艇火灾场景的功能，能模拟真实火灾火焰的炙烤，并能通过控制燃烧物供应，达到模拟不同燃烧强度、不同燃烧部位、不同燃烧范围的功能，可模拟阴燃火、蔓延火、轰燃火等类型火灾。

2)多火灾场景模拟功能。具有单独模拟机舱动力机械起火、居住舱室起火、机库飞机燃油泄漏起火等场景模式，并且可以根据实际训练需要，模拟多火灾场景联动的火灾蔓延。

3)轰燃模拟功能 具有模拟舰艇火灾轰燃等特殊火灾的功能，并能通过限制最大燃气供应量可有效管控轰燃规模，避免出现意外事故。

4)烟气流动模拟功能。具有模拟舰艇火灾发生后，烟气在舱室内部空间积聚、扩散，烟气沿通风管、走廊、舷梯等部位水平或垂直方向流动。

5)火场视听模拟功能。具有通过大功率音响设备、灯柱，渲染火灾现场的视觉、听觉模拟效果，使得训练现场真实火灾现场的紧迫感。

为实现以上功能，舰艇实火模拟训练系统具体组成见表1。

表1 舰艇实火模拟训练系统组成

3.2 系统设计

3.2.1 点火系统设计

稳定的点火系统是舰艇模拟训练系统关键设备之一，须具备在最苛刻环境下持续可靠的点火功能，还应能避免火焰意外熄灭或点火未成功而引起的可燃气体泄漏[8]。

图1为稳定点火源构成示意图，该点火源在整个训练阶段保持燃烧，直至训练结束，这种设计方式可以保证生火槽不会因意外事故熄灭，而造成燃气泄露事故。图1中，通风设备为点火器提供充足的空气及冷却点火器的作用，空气压力开关用于检测通风设备的正常运行；离子火焰探测器用于监测火焰大小、火焰状态，为控制系统反馈火焰信息；高频高压点火器通过升压整流处理，发出高能电弧火花点燃可燃气体；电磁阀与控制器相连，通过控制器可以远程控制可燃气体或空气的进气量，达到控制火焰规模的作用；

点火系统具体点火流程如图2所示，完成准备工作后，按下点火按钮，空气电磁阀和通风设备打开为点火系统供气，空气压力传感器反馈压力正常后，打开燃气电磁阀，然后高频高压点火器以3～5次/s的产生高能电弧点燃可燃气体，点火完成；如果点火过程中，空气压力传感器无压力或者点火时间超时，点火系统会自动关闭电磁阀、风机，进入待检查状态，防止燃气泄露，造成意外事故。

3.2.2 生火槽设计

生火槽是整个火灾模拟的关键部分之一，生火槽设计需要保证训练设施承受长时间、不间断的训练工作，而不会引起系统过热，并能根据需要调整火焰大小及高度、最大灭火持续时间等参数，保证真实的训练效果。生火槽一般由304不锈钢制成，上部为一个可盛水的槽和熄火检测装置，底部排列有燃气管道、给排水管道等。训练开始时，先通过自动给排水装置将生火槽注满水，通过燃气管道将可燃气体输送到指定位置，并浮出水面，通过点燃导燃器，控制燃气量和路径，可以方便、安全地模拟蔓延火和轰然火；并且生火槽内设有熄火检测装置，可以通过槽内布置的温度探测器感知环境温度。在训练过程中，燃火槽可以根据温度的下降自动调整火焰大小，如果温度持续下降到预设值以下，并保持一定的冷却时间，生火槽内的燃气会自动关闭，火焰自动熄灭，火灾被扑灭。

3.2.3 燃烧设备设计

舰艇实火模拟训练系统可以模拟多种舰艇火灾场景，如变压站火灾、柴油机火灾、居住舱室火灾等火灾场景。为了达到逼真的模拟效果，模拟不同的火灾场景需要配套不同的火灾场景道具，道具一般覆盖在生火槽上部或者内含生火槽，需要直接承受火焰灼烧，材质一般选择316等级的考登钢。

3.2.4 安全保障系统设计

1)环境安全监测。训练场内配备温度传感器、可燃气体探测器等类型探测器，实时监测室内含氧量、温度、可燃气体浓度，当可燃气体浓度、含氧量及温度达到预报警值时，系统对控制人员进行预警告，当超过预设警戒值时，系统自动声光报警，并立即切断燃料总阀、视情况自动打开通风系统。

2)冗余安全。在系统启动点火程序时，中央控制设备会分析处理各传感器(如空气压力表、燃气压力表)采集到的数据，如果没有达到预设的安全界限，联锁系统会自动阻止点火启动。

同时，为了防止燃料泄漏导致点火时发生意外，系统双授权点火模式和特殊燃火装置，确保现场安全。经确认安全后，只有当现场人员和控制中心都将电磁阀打开时，才能完成点火，以保障现场安全；并且，燃火装置内也有一个电磁阀，燃火装置通过火焰探测器监测火焰状态，当火焰熄灭时，自动关闭电磁阀，防止意外发生。

3)紧急停止。在训练现场、控制中心及现场指挥室内都设有紧急停止装置，当紧急停止按钮按下，会自动进入紧急停止程序，切断燃料供应，并开启训练现场的紧急照明及声光报警装置。

3.2.5 真实火灾场景营造设计

火灾场景营造是为了让舰艇实火模拟训练系统能模拟最真实的真火训练场景，使受训人员全方位感受紧急情况下真实火灾场景，如浓烟、缺氧、火灾燃烧发出的各种声音，受伤人员的呼救等，让受训人员完全身临其境地体验具有生理及心理挑战性的训练。火灾场景营造主要是利用一些辅助设备模拟真实火灾场景中的视觉、听觉、触觉等效果，如使用烟雾发生器制造或模拟火灾现场的浓烟，闪光灯的闪光模拟电气设备短路发出的电弧，音效系统模拟爆炸声、结构变形声音、受灾人员的呼叫声等。一个好的火灾场景设计可以有效提升受训人员在紧急状态应急处理能力和消防技能熟练程度，对舰艇官兵的消防技能提升和克服火灾心理障碍有很大帮助。

3.2.6 视频监控系统设计

视频监控系统是为了实时监控训练现场，对现场受训人员训练状态、训练设施状态进行监控，不仅可以为指挥人员下达各项训练指示提供依据，还能保障现场人员及训练设施的安全。同时，训练现场的视频监控，可以将有价值的训练过程存档，让受训人员观看学习；通过视频回放，也可以及时发现训练过程中的优缺点，提高消防训练的效率。

4 实火模拟训练系统作用

4.1 训练方案效果检验

在舰艇日常使用维护过程中，为了应对突发事件，制定了相应的灭火方案，而这些灭火方案缺乏有效的设施进行检验，存在火灾应对效果、人员配置是否合理等问题，而这些问题可以通过舰艇实火模拟训练系统，以接近真实火灾的场景，近乎实战的状态检验。同时，通过建立一个模拟训练系统数据库，将一些成功经典训练案例添加进去，分类管理，为以后舰艇消防方案制定提供参考依据，也为舰艇消防训练提供丰富的学习资料，增加舰艇人员的消防认知。

4.2 人员心理素质和能力培养

一般常规的消防训练都在普通环境中进行，这就造成在面对火场极端危险的场景时，舰艇消防人员会产生恐惧、紧张、茫然、犹豫不决等心理，造成常规环境熟练的灭火技能在此时不能正确运用，而贻误灭火最佳时机。

舰艇实火模拟训练系统建立的是一个类似于真实火灾的场景，一个具有熊熊火焰、炙热温度、烟雾弥漫复杂火场环境，再借助于火灾场景营造技术，逼真的模拟真实火灾场景中的视觉、听觉、触觉等效果，使受训人员身临其境的感受真实火场环境，让受训人员从心理、生理上适应和熟悉火场环境，为以后参加真实的灭火救援打下良好的心理基础。同时，也是最重要的是，舰艇实火模拟训练系统可以让受训人员将理论付诸实践，增强舰艇消防人员的实战能力，提高相关灭火能力，并也可以训练舰艇消防人员在火场极端复杂环境下的疏散和搜救能力。

4.3 人员素质及灭火方案的考核和评价

人员素质和灭火方案的考核、评价是舰艇实火模拟训练系统不可缺少的功能，该功能一般通过各种影响因素建立评价模型，结合考核专家给出的评价指标及权重，这种计算机与人工相结合的方式实施。在人员素质评价方面，舰艇实火模拟训练系统通过在不同火灾场景下，指挥人员、受训人员做出灭火反应、技能熟练程度、失误次数等方面因素，综合考核、评价受训人员的指挥决策能力、灭火技能、应变能力；并能指出受训人员的薄弱环节，为后续训练改进提供参考依据。

在灭火方案考核和评价方面，通过舰艇实火模拟训练系统获得的训练数据，可以编制不同火灾场景下，正确的、经济的灭火救援方案，并能从经济性、可能造成的伤亡人数、对火灾降低的贡献大小及可能带来的负面影响等方面对灭火方案进行考核、评价，指出灭火方案中的不足及可能带来的后果。

[1] 张永刚,黄超,魏周君.红外技术在舰艇消防安全中的应用[J].船海工程,2013(4):11-14.

[2] 郑春生.船舶火灾及灭火救援的探讨[J].消防科学与技术，2011(6):536-540.

[3] 戴忠.浅谈船舶火灾特点及处置对策[J].水上消防，2012(6)：25-28.

[4] 杨滨,金海峰,李延彬,等.舰载机火灾模拟训练装置研究[J].船海工程，2013(4):19-21.

[5] 黄毅.飞机机舱消防训练模拟控制系统设计[D].天津：中国民航大学，2009.

[6] 危伟,王长江,马艺嘉.建筑真火模拟训练设施设计探析[J].消防技术与产品信息，2016(8):46-49.

[7] 张家明.国外实体火灾消防训练研究[D].廊坊:中国人民武装警察部队学院，2010.

[8] 阳晓剑.真火模拟训练系统设计初探[J].消防科学与技术，2015,9(34):1233-1236.

Design and Application of Natural Fire Training System for Naval Vessels

ZHANG Yong-gang, SUN Qian, ZHANG Xi, ZHU Jia-yan

(No.726 Research Institute of China Shipbuilding Industrial Corporation, Shanghai 201108, China)

According to the fire characteristics of ships and development situation of the fire training system both at home and abroad, a natural fire training system was proposed to imitate the natural fire environment and ensure the personnel safety. Its function, components and design were elaborated

fire training system; ship fire; natural fire; system design

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.031

2017-03-07

张永刚(1985—)，男，学士，工程师

研究方向：红外热成像及热检测技术

U662

A

1671-7953(2017)03-0131-05

修回日期：2017-04-04