舰船水消防系统战斗损伤的智能重构决策与应用_侯岳.pdf

第 45 卷 第 2 期国防科技大学学报Vol 45 No 22023 年 4 月JOUNAL OF NATIONAL UNIVESITY OF DEFENSE TECHNOLOGYApr 2023doi:10 11887/j cn 202302007http:/journal nudt edu cn舰船水消防系统战斗损伤的智能重构决策与应用*侯岳1，王康勃2，龚立2(1 海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉430033;2 海军工程大学 模拟训练中心，湖北 武汉430033)摘要:针对当前舰船水消防系统监控点信息孤立、智能化决策程度不高的问题，构建了基于节点的水消防系统功能逻辑模型，提出了基于战斗损伤的水消防系统破损隔离重构使用智能决策算法，并据此开发了水消防智能监控系统。案例对比计算和系统测试检验的结果表明，该智能决策算法以及智能监控系统可以有效提升分析决策的速度和精度，显著提高指挥控制的效率，为水消防系统的战斗破损使用提供有效的支撑。关键词:水消防系统;智能重构决策;图论搜索算法;战斗损伤;智能监控系统中图分类号:TP3919文献标志码:A文章编号:1001 2486(2023)02 065 08Warship fire fighting system intelligent reconfiguration decision making and its application based on battle damageHOU Yue1，WANG Kangbo2，GONG Li2(1 College of Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China;2 Simulation Training Center，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)Abstract:Aiming at the problem of isolated information of monitoring points and low degree of intelligent decision-making in the currentwarship fire-fighting system，a node-based fire-fighting system functional logic model was constructed The intelligent decision algorithm of fire-fighting system damage isolation and reconstruction based on combat damage employment was put forward And the intelligent monitoring system forfire-fighting was developed esults of case comparison calculation and system inspection show that the intelligent decision-making algorithm andintelligent monitoring system can effectively improve the speed and accuracy of analysis and decision-making and significantly improve the efficiencyof command and control，which provides effective support for the water fire fighting system under combat damage conditionKeywords:fire-fighting system;intelligent reconfigurable decision-making;graph searching algorithm;battle damage;intelligent supervisorand control system舰船水消防系统不仅可为消火栓提供消防用水，也可为喷射泵排水、泡沫灭火、弹库喷淋、雷达火炮冷却、水幕系统等提供工作用水，是舰船最为重要的保障系统之一。由于水消防系统的总管、支管遍布全舰，因而舰船一旦遭受战斗损伤，其破损概率大，用户损失多，特别是在舰船同时发生战斗破损和火灾的情况下，消防人员将面临水消防系统功能恢复与灭火的双重任务。然而由于时间紧迫、灾情复杂，仅仅依靠舰员对水消防系统的战时损伤进行分析、评估以及决策，已无法满足损管需求。因此，迫切需要对传统水消防监控系统进行改进，快速对破损后的失效用户进行分析，快速隔离破损、重构供水路径，提升水消防系统用户管理与损管流程的融合度，提升损管指挥员对水消防系统的损管使用效能1 2。美国海军从 DDG51 驱逐舰开始，就开始开展水消防系统的智能监控技术研究3。经过近 30年的研究实践，DDG1000 驱逐舰上已部署水消防系统的自动化管理及监控系统4。据报道，该系统能够将以往几十分钟的处置反应时间缩短至几分钟之内完成，显著提高了损害处置的时效性5。德国海军在综合监控系统中进一步优化了水消防系统监测对象、控制对象的设计方案，不仅对水消防系统的各类用户进行管理，并且对破损使用方案提供应急处置决策，同时对剩余保障能力进行预测和评估6。水消防系统网络拓扑关系复杂、节点状态多样、战斗破损后损伤范围大，因而仅仅依靠人工分析完成隔离重构不仅决策时间长，也容易因考虑不全面无法得出最优方案，导致隔离重构方案实*收稿日期:2021 05 21基金项目:国家自然科学基金资助项目(51409255)作者简介:侯岳(1982)，男，河南商丘人，副教授，博士，硕士生导师，E-mail:houyue1982163 com;王康勃(通信作者)，男，山西晋城人，讲师，博士，E-mail:wangkangbo1989163 com国 防 科 技 大 学 学 报第 45 卷施过程冗长且效果不理想。然而，国内水消防系统的监控功能设计简单，仅仅对其设备运行状态进行监测，缺少损管任务驱动的用户管理、剩余用户评估、破损隔离、破损重构等辅助决策功能，无法辅助损管指挥员快速开展水消防系统的破损使用和损管使用，应用功能亟待拓展，智能化水平急需提高7。1水消防系统功能逻辑模型舰船上的水消防系统具有明显的点线特征，所以可以建立图模型。前人基于图模型在多个领域开展了重构算法研究。在电力输送、通信等民用行业领域，针对网络资源优化配置和设备故障处置，已基于图论分析法对网络重构开展了广泛深入的研究8 10。战斗损伤下的舰船水消防系统重构相比民用领域重构具有以下特点:任务背景为多区域、大范围战斗破损;任务目标多重，不仅包括防止消防水泄漏，而且需要保障消防用水供应和作战冷却水等供应;为保障舰船生命力和继续执行作战任务，对隔离重构的精细化和时效性要求更高。在作战指挥控制领域，前人针对树型拓扑结构的作战指挥通信网络，开展了毁伤节点的重组研究，以恢复指挥通信能力11 13。相比于树型结构的作战指挥通信网络，水消防系统呈现总线型、环形和树型结构相混合的、更加复杂的网络结构，如图 1 所示。因此，需要针对水消防系统的网格结构特点，基于舰船战斗损伤开展其隔离重构算法和监控系统研究。为精准快速地实现破损水消防系统的隔离重构，针对水消防系统的显著特点，本文将各类消防泵、阀门、消防水用户和管路进行图模型的节点建模。该建模方式适用于大型水消防系统结构，便于利用计算机随时根据战时受损状态，对图模型作出调整与更新，使得决策结果更为准确，智能性更强。水消防系统节点的主要类型及功能逻辑如表 1所示。以图 1 所示的双环形水消防系统为例，按照节点法建立的水消防系统图模型如图 2 所示。使用数学的方法描述图模型的逻辑关系，需要使用以下三个数据表:1)节点状态关系表。针对表 1 中四种不同类型的节点，记录节点当前所处的状态。2)节点连接关系表。该表主要记录与每个节点相连的节点数组。图 1典型水消防系统结构Fig 1Architecture of fire-fighting system表 1水消防系统的节点类型与功能逻辑Tab 1Fire-fighting system node type and functional logic节点类型节点含义节点功能节点状态分类节点符号源节点消防泵供水路径的起点开启、关闭、破损、故障P阀门节点气动、电动、手动阀门等阀门类型改变供水路径开启、关闭、破损V用户节点消火栓、排水喷射泵、泡沫灭火装置等消防水用户供水路径的终点开启、关闭、破损F管路节点管路连接其他节点完好、破损L图 2典型水消防系统图模型Fig 2Graph model of typical fire-fighting system3)供水路径存储表。在供水路径查询完成后，该表记录各有效用户节点与源节点之间途径66第 2 期侯岳，等:舰船水消防系统战斗损伤的智能重构决策与应用的节点。2破损水消防系统隔离重构的智能决策算法2 1供水路径查找算法水消防系统的工作原理:海水经消防泵加压增速后，沿消防总管及其支管(含阀件)将海水输送到各用户。与此同时，消防水系统正常运行需要根据设计要求保持一定水压。根据水消防系统的工作原理，设定供水路径查找算法的两个假设。假设 1:对于任意消防水用户，当其与消防泵之间的供水路径完好时，其具备工作能力。若水消防系统中的任意设备发生破损，不仅导致消防水会从破损处耗散，而且导致水消防系统失压。因而用户节点与破损节点连通时，会导致用户节点失效，不存在供水路径。假设 2:当阀门处于关闭状态时，阀门两端的消防水无法自由流通。因而处于关闭状态的阀门节点，与相关管路不连通。根据上述规则，设置当前查询的节点集合为A，已查询的节点集合为 B。如图 3 所示，基于多叉树宽度优先算法，供水路径查找算法设计如下:第 1 步:A1为用户节点 F 的集合。第 2 步:A2=L(A1)，B2=A1。若 A2内有破损的节点，则该用户节点受影响，停止搜索。若无破损的节点，则转入第 3 步。图 3供水路径查找算法示意图Fig 3Illustration of water supply pathsearching algorithm第 2n+1 步:A2n+1=A2n a2n，i，B2n+1=B2n+a2n，i。a2n，i为 A2n中处于关闭状态的节点、用户节点和处于故障状态的节点。其中，n1。第 2n+2 步:A2n+2=L(A2n+1)B2n+1，B2n+2=B2n+1+A2n+1。若 A2n+2内有破损的节点，则该用户节点失效。若无破损节点，则转入第2n+3 步。其中，n1。直至集合 A 中仅有源节点时，搜索结束。按顺序依次记录用户节点与源节点之间的节点即为供水路径。其中，L(A)表示搜索集合 A 内各个节点的所有相邻节点。若 A=a1，a2，ai，am，则L(A)=L(a1)L(a2)L(ai)L(am)。图3 中的节点 a 表示当前查询节点集合 A 中的某个节点。2 2破损区域的隔离算法对于破损的水消防系统，为了防止高压消防水的泄漏，需要关闭与所有破损节点相连接的阀门，将破损区域与非破损区域隔离。破损区域隔离需要查找与破损节点连通的源节点、用户节点和阀门节点，然后通过关闭这些节点中未关闭的节点，即可实现破损区域的隔离。设置当前查询的节点集合为 A，基于多叉树宽度优先算法，破损区域的隔离算法设计如下:第 1 步:A1为破损节点的集合。第 2 步:A2=L(A1)A1。第 3 步:A3=A2 a2，i。a2，i为 A2中各个处于关闭状态的节点和用户节点。若 A3中还有管路节点，则转入第4 步;若无，停止搜索，A3内的节点即为智能隔离方案中需要