船舶机舱灭火虚拟仿真教学探讨.pdf

船舶机舱灭火虚拟仿真教学探讨魏王永坚61船舶机舱灭火虚拟仿真教学探讨魏 曼王永坚（集美大学福建厦门3 6 10 2 1)基金项目：福建省教育厅科技项目（JAT200279）摘要：文章对船舶机舱灭火虚拟仿真的教改进行了深入的研究，一是对船舶机舱火灾的灭火分类、常见原因、特点以及不同火灾处理方式进行了简单概括；二是根据海船船员培训大纲（2 0 2 1版)适任要求和评价标准介绍了机舱火灾教学内容，并分析了教学现状以及存在的不足；三是针对存在问题提出基于VR技术的机舱灭火虚拟仿真系统的优势和重要性；四是重点探讨了船舶机舱灭火虚拟仿真系统的设计思路、教学目的和内容以及建设过程中待解决问题等，指出系统建设的必要性和紧迫性。关键词：船舶机舱火灾灭火系统虚拟仿真教学探索0引言据相关机构统计，全世界船舶平均每天发生5起海上事故，船舶火灾约占事故总数的11%，而机舱火灾占据了船舶火灾总数的四分之三以上。机舱火灾的危害性和扑救难度在船舶火灾事故中是非常大的，机舱一旦发生火灾，严重影响机器、货物、人命安全，甚至会造成火灾迅速蔓延而无法扑灭，导致整艘船舶爆炸、沉没等，造成无法估量的损失。因此，加强船员的火灾风险意识和消防相关培训，加强船舶机舱区域的防火保护和控制，最大限度减少机舱火灾的发生，是预防船舶火灾的重中之重。1机舱火灾及其处置方法1.1机舱火灾概述一般来说，船舶机舱火灾主要分为可燃固体物质火灾（A类）、液体火灾（B类）和电气设备火灾（E类），着火点主要集中于固体垃圾收集处、油舱油柜、主付机高压油管及排气管附近油路或电路、电气控制箱等。除船舶碰撞或人为纵火等不常见原因外，引发机舱火灾的常见原因有固体垃圾高温自燃、违规焊补且防火不到位、燃油或滑油泄漏且遭遇热源、机器设备过载运行引发过热、电气线路老化绝缘差等。收稿日期：2 0 2 3-0 2-11作者简介：魏曼（19 8 1-），男，福建省人，讲师，高级轮机长，主要从事轮机仿真技术与船舶动力装置智能故障诊断技术研究。通讯作者：王永坚（19 7 2），男，福建省人，教授，高级轮机长，主要从事轮机仿真技术与船舶动力装置智能故障诊断技术研究。除具备一般火灾的共性特点外，机舱火灾还有其自身的特点，即着火点隐蔽，不易发现；易燃易爆物品较多，极易发生爆炸；机舱着火后，火势蔓延迅速；机舱结构复杂，火灾扑救难度大；火灾损失大，救援难度大等。1.2机舱火灾处置方法船舶机舱中比较常见的灭火系统主要包括水系、泡沫、干粉、CO2灭火系统等。不同的灭火系统对不同的火灾类型有着不同的灭火效果。针对机舱火灾，列表总结不同火灾类型和相应的灭火系统及灭火效果，如表1所示。表1船舶机舱常见火灾类型和相应的灭火系统及灭火效果火灾类型水系泡沫A类固体火灾B类油类火灾E类电气设备火灾在机舱火灾初期时，通常可以根据不同火灾类型选用不同的手提灭火器（泡沫、干粉、CO2）或雾状消防皮龙进行灭火。当机舱火势较大导致难以扑灭时，可采取人员疏散，密闭机舱，释放大型CO2固定灭火系统进行灭火。2“火灾扑灭”的教学要求2021年10 月1日起施行的海船船员培训大纲（2 0 2 1版）（以下简称2 0 2 1版大纲）对所有船员培训项目的理论知识与实践技能要求、课时及评价标准进行了修订更新，进一步强化了实际操作能力和综合素质教育培训。2 0 2 1版培训大纲是船员灭火系统干粉较好较好可以较好不可不可CO2较好可以较好可以较好较好62培训教学的指导性和规范性文件，它既能有效履行经修正的19 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公约（STCW公约）等国际公约，又能进一步规范海船船员培训行为，确保船员培训质量。2 0 2 1版大纲对船员防火与灭火培训中执行“火灾扑灭”操作提出了适任要求：船舶消防设备及其在船上的位置训练包括固定灭火装置；消防员装备；个人设备；消防器具和设备；灭火方法；灭火剂；灭火程序；灭火和实施营救时呼吸装置的使用。2 0 2 1版大纲所规定的“实践技能与要求”有严格的评价标准，在真实训练条件（如模拟船上条件）的地方，如可能或可行时在黑暗中掌握下列能力：能正确使用各种类型手提式灭火器；能正确使用消防员装备；能扑灭小火，如：电器火、油火、丙烷火；能正确使用喷水枪及散射喷枪扑灭较大火灾；能正确使用泡沫、干粉或其他合适的化学剂灭火；能正确使用救生索，但不戴呼吸装置进入或通过已喷注了高膨胀泡沫的舱室；能正确佩戴自给式呼吸装置在充满烟雾的封闭处所灭火；能正确使用水雾或其他合适的灭火剂扑灭油火与浓烟的居住舱室或模拟机舱的火灾；能正确使用水雾喷头和散射喷枪、化学干粉或泡沫喷头扑救油火；能正确佩戴呼吸装置在充满烟雾的舱室实施营救。3教学现状及存在问题3.1教学现状船舶机舱火灾教学属于“火灾扑灭”培训的一部分，是综合性、实践性比较强的教学过程，特别是灭火实操教学，需要学员大量使用不同灭火设备进行灭火训练，掌握各种灭火系统的适用范围和性能特点。在传统教学中，教师一般先结合应急呼吸器、灭火器等实物或视频讲解灭火过程的理论知识和基本技能，然后在室外模拟火灾进行灭火实操。在实操中，多使用柴油、含油棉纱、木材等真实的有机或无机材料燃烧，模拟着火环境，然后由学员选用合适的手提式灭火器来扑灭火灾。这种教学方式的实践及场景模式单一，且不真实，忽视了不同火灾扑灭过程中强实践性的需求，学员对灭火知识掌握程度不佳，教学效果一般。3.2 存在问题1）缺少丰富的教学方式。传统教学中，先理论后实践的教学方式较单一，教学内容更新不及时，缺少大量真实的船舶火灾教学案例。同时，教学及实践实物往往比较陈旧，通常很难做到理论与实操结合充分，导致课堂气氛不够活跃，无法激发天津航海2023年第2 期学员的学习兴趣和学习动力；2）缺少真实的火灾模拟环境。灭火实操教学中，多用油池或固体燃烧模拟船舶火灾场景，这种场景过于简单，火势规模不易控制，与船舶真实着火环境相距甚远，对于结构复杂的机舱环境，由于设备机器管线多、空间紧凑、通道狭窄，一旦发生火灾，探火和扑救都非常困难，极易使火灾失去控制从而造成船舶重大损失。因此，不真实的火灾模拟环境，导致学员实践体验感不佳，消防安全意识难以建立;3）缺少充分的灭火实操实践。目前，在灭火实操实践中，由于采用实物式的教学方式，模拟出的火灾场景单一，训练内容多、时间紧，通常只选派几名学员代表进行灭火操作；而且燃烧过程往往产生大量对环境污染的黑烟，实物火灾的危险性和安全隐患较高，通常很难进行多种形式火灾的灭火操作实践。这导致学员在灭火实操中，训练时间短，实践次数少，甚至无法实践（如释放大型CO2固定灭火系统进行灭火），且应对的火灾类型不足，很难真正掌握各种火灾的系统知识和灭火技能。因此，实物式的教学方式存在着学员人数有限、实践场景和实践设备数有限等不利因素的影响，使得培训质量和效果不佳；4）缺少船舶机舱火灾虚拟仿真系统。英国、德国、美国等发达国家很早就研制出火灾虚拟仿真系统，并且近年来还将虚拟现实技术（VR技术）应用其中，系统可以根据不同场景模拟各种火灾类型和火灾现场，可以不受空间时间限制多人一起实操，学员得到了充分的实践操作时间和次数，其学习兴趣和学习效果得到了极大的提高。对于船舶机舱火灾虚拟仿真系统，我国航海院校起步比较晚，也少有学校专门组建整套系统，很难使用虚拟仿真系统来避免传统教学的不足以提高教学效果。4机舱灭火虚拟仿真系统的优势虚拟现实技术（也称VR技术）是一种高度逼真地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的人机界面技术。VR技术综合了计算机图形技术、仿真技术、显示技术等多种信息技术，可在计算机信息空间上创建一个虚拟3 D信息环境，使学员具有身临其境的沉浸感及与环境完善的交互作用能力。为使学员能在高逼真度的虚拟机舱火灾场景内，通过人机交互方式开展机舱灭火实操实践，有必要研制基于VR技术的机舱灭火虚拟仿真系统。此系统可以根据不同火灾类型完全模拟机舱火灾船舶机舱灭火虚拟仿真教学探讨魏王永坚真实环境，学员可通过PC、手机、微信端实时访问学习。整套系统是根据2 0 2 1版大纲的适任要求和评价标准，采用问题探究式和任务驱动式虚拟仿真的教学方法，让学员自主在线开展机舱火灾扑灭实操实践，有助于学员理解机舱火灾相关知识并有效使用灭火设备，熟悉船舶机舱不同灭火系统的操作要求，提高应对机舱火灾的应变技能。基于VR技术的机舱灭火虚拟仿真系统不仅能克服目前教学现状存在诸多的不足，而且具有如下独特的优势。1）极大提升了学习便利性和经济性。学员仅需一台PC机或者手机，在任何地方和时间内，通过互联网实现远程网络培训，实现了学员随时随地的学习便利，有利于调动学员的积极性和主动性。另外，灭火实操实践都是在计算机/手机虚拟空间中完成，不会造成环境污染，学员和设备的安全性得到了保证，具有非常好的学习效率与经济效益；2）极大丰富了教学内容和教学方式。借助计算机的图形化和程序化，系统可以增加大量的火灾理论知识，并贯穿在整个虚拟机舱灭火实操实践中，学员可以随时学习，甚至在实操过程中遇到问题时也方便查找火灾理论知识进行学习。同时通过VR技术，可实现良好交互性、实践性的3 D场景远程训练，新的教学方式可以增加学员良好的体验感，可以提高学员的训练质量与学习效果；机舱灭火虚拟仿真系统平台管理学员管理权限管理考核管理成绩管理5.1 教学目的应完成如下项目的虚拟仿真实操训练与考核，包括固体、油类、电气设备三类机舱火灾扑灭过程虚拟实操；机舱小型、大型火灾灭火过程应急应变仿真实操。经过上述虚拟仿真系统灭火实操的训练和考核之后，学员应具备的知识与能力，一是能熟练、633）极大增加了灭火实操的真实性和实践性。系统可以根据典型船舶结构仿真出较为真实的火灾场景，配合VR技术，学员可以安全地体验较为真实的火灾现场。学员可以选择不同场景、不同火灾类型、不同学习任务，配合理论知识及系统提示，无限次数反复学习、练习、考核、复习，直至完全掌握机舱火灾扑灭操作的全部内容。同时，系统能够实现一些实物式教学无法完成的临界状态下的各种操作与试验，例如反复释放CO2以验证灭火效果等，有利于提高学员在紧急情况下分析问题、解决问题的能力，增加学员面对真实火灾的应变能力。5机舱灭火虚拟仿真系统设计思路机舱灭火虚拟仿真系统计划以VR技术、3 D仿真技术和网络技术为依托，运用3 DStudioMax、MayaOSG、Ph o t o s h o p 等工具进行开发，具有良好自主性、交互性和可扩展性。此系统运行依托于云平台的支撑，辅以CDN网络加速技术，保证教师、学员能够随时随地通过PC、手机、微信端浏览器快速访问系统；并通过系统中间支撑层进行数据传输与交互，提供面向教师的学员管理、权限管理、考核管理和成绩管理等教学管理功能，面向学员的智能指导、人机交互、仿真练习与考核、自动评判等实操实践功能，尽可能帮助学员实现自主的实操实践，提升学习效果。机舱灭火虚拟仿真系统整体结构框架，如图1所示。学员操作界面中间支撑层登录管理仿真场景动画染练习、考核模式选择声音文字数据传输实操模块选择灭火理论知识讲解接收和响应人机交三类机舱火灾的扑灭互操作界面数据机舱小型火灾破灭过程机舱人型火灾破灭过程考核成绩自动评判人机交互操作数据保存/上传实操实践报告图1机舱灭火仿真系统整体结构框架图流畅地完成固体、油类、电气设备三类机舱火灾扑灭应急应变操作；二是能熟练、流畅地完成机舱小型火灾扑灭和大型火灾使用大型CO2固定灭火系统释放扑灭的应急应变操作；三是能熟知机舱火灾应急应变操作应知应会基本知识，明显提高防火意识、灭火操作意识，显著提升应急应变综合能力；四是能全面提升应对机舱火灾应变的分析问题、解64决问题、应急综合判断能力。5.2实操内容5.2.1固体、油类、电气设备三类机舱火灾扑灭过程虚拟实操分别搭建机舱物料间破布着火、分油机房集油槽燃油着火、电气控制箱着火仿真场景。虚拟实操过程中，仿真界面随机弹出任一类火灾场景。此时，主机已停车，船舶处于漂航状态，机舱着火点处于下风处。学员选择火灾类型后，通过可编辑的操作方式来形成该类型火灾的灭火思路和操作方案（操作检查单），即灭火器的选择（消防水枪、干粉灭火器、手提CO2灭火器、水基泡沫灭火器）；灭火器操作（检查压力、拆铅封、拔保险销、钢瓶摇晃动作）；所选灭火器最小喷射时间的选择，灭火人员站位与喷射距离选择；灭火时喷射角度的选择等。这些可编辑的操作可在操作检查单中，可实时查看操作状态；每个操作状态与操作场景可随意切换，实时修改操作动作；完成检查单内所有操作动作后，开展三类火的扑灭虚拟实操。在上述三类火灾灭火过程中，学员操作失误（灭火器械选用错误等）将导致严重的二次事故警示，场景将实时展示。此外，在灭火过程中，基于灭火器不同的灭火原理，将通过喷射灭火时着火处温度和氧气浓度的变化，实时展示火灾理论知识，达到对学员智能指导灭火的辅助效果。学员完成灭火操作后，可在灭火操作检查单上查看操作情况、操作评价以及正确操作动画或视频，便于学员的错误纠正和自主学习、复习。5.2.2机舱小型火灾、大型火灾灭火过程应急应变仿真实操学员自主选择小型火灾、大型火灾扑灭仿真实操模块，根据实船消防应变部署表相关规定，设置消防队、隔离队、救护队三组人员，按各自在消防灭火中的任务开展仿真实操。1）机舱小型火灾灭火过程应急应变仿真实操。通过搭建分油机房集油槽着火，主机已停车，着火点处于下风处。根据消防应变部署表操作要求，“三队”人员按各自在消防灭火中的任务开展机舱小型火的扑灭实操：全船释放机舱火灾声光报警，“三队”人员紧急集合，消防队水枪出水降温、消防探火组探火、隔离队隔离设备等灭火仿真操作实操；2）机舱大型火灾使用大型CO2固定灭火系统释放扑灭过程应急应变仿真实操。通过搭建主柴油天津航海2 0 2 3 年第2 期机燃油管破裂引发机舱大火，主机停车，着火点处于下风处。机舱内主机层油火猛烈燃烧，已无法用常规灭火器扑灭火灾，根据大型CO2固定灭火系统操作规程，“三队”人员按各自在消防灭火中的任务开展机舱大型火的扑灭实操：全船释放机舱火灾声光报警，机舱人员迅速撤离，“三队”紧急集合，隔离队隔离设备，消防探火组探火，消防队启用大型CO2固定灭火系统完成灭火等仿真操作实操。5.3建设中待解决的问题1）虚拟仿真系统开展交互仿真操作中容易出现卡顿现象，流畅程度需要优化，需要选配性能较高的云主机，提高系统处理速度，提高用户访问速度，增加体验感；2）仿真场景逼真度有待进一步优化，需要增加更多实船场景图片，运用3 DStudioMax等软件建模更多跟真实的VR场景，提高用户沉浸感；3）仿真系统内容和功能设计需要根据实船操作、中国船级社（CCS）有关灭火系统操作规范的更新及海事组织对公约相关消防内容修订而不断完善与更新。6结束语船舶机舱火灾危害性巨大，严重影响到船舶和人员安全。加强不同火灾破灭应急、应变实操实践，有利于学员巩固和贯通火灾相关理论知识，有利于学员提高解决和处理火灾的应急能力。构建基于VR技术的机舱灭火虚拟仿真系统，可以弥补传统教学形式的不足，具有良好的沉浸感、互动性及智能化，丰富了教学方式，增加了学员随时学习的自主性，实现了从理论讲解到实操实践的贯穿，提高了学员的学习效果和实际操作能力。因此，机舱灭火虚拟仿真系统是机舱火灾教学不可或缺的重要部分，需要加快系统建设并进行广泛的教学运用，以促进船舶机舱灭火虚拟仿真教学的完善和高效。参考文献1邱效祝，王华超.机舱火灾事故分析及对策 J.船海工程，2 0 10,3 9(04):40422张哲，杨显.运输船舶机舱火灾的特点和对策 J.水上消防，2 0 0 7(06):28293邢永恒.基于新培训大纲的海员培训课程设置 J.航海教育研究,2 0 17(3):5 94王永坚,吴怡婷,魏曼，蔡杭溪.VR与云技术融合的船用柴油机诊断拆检系统 J.集美大学学报（自然科学版），2 0 2 2,2 7(0 5)：43 143 85孙墨林.LNG船舶火灾处置仿真实践教学探索 J.珠江水运，2 0 2 1(20):72736交通运输部办公厅.海船船员培训大纲（2 0 2 1版）EB/0L.https:/