自主式水下航行體模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

姚文東，黎勁松

(中國艦船研究院，北京 100192)

自主式水下航行體模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

姚文東，黎勁松

(中國艦船研究院，北京 100192)

針對自主式水下航行體(AUV)柔性化設(shè)計問題，通過對國外AUV研制技術(shù)的分析，突破了傳統(tǒng)的按分系統(tǒng)進行設(shè)計的模式，提出了面向AUV族的模塊化設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的提出對促進我國AUV發(fā)展以及全面提高我國AUV研制水平具有一定的指導意義。

AUV;模塊化;功能設(shè)計

1 概述

自主式水下航行體(AUV)是水下無人航行器(UUV)中的一種形式。UUV技術(shù)無論在民用還是在軍事上都已應(yīng)用，民用早期主要用于海上石油與天然氣的開發(fā)等，軍用主要用來打撈試驗丟失的武器(如魚雷)，隨后在水雷戰(zhàn)中作為滅雷具有較大的發(fā)展。隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、導航設(shè)備小型化、指揮與控制硬件、邏輯與軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，AUV得到了大力發(fā)展。由于AUV擺脫了系纜的牽絆，在水下作戰(zhàn)和作業(yè)方面更加靈活，日益受到發(fā)達國家軍事海洋技術(shù)部門的重視。

AUV是一種綜合了人工智能和其他先進計算技術(shù)的任務(wù)控制器，集成了深潛器、計算機軟件、傳感器、能量儲存、環(huán)境效應(yīng)、轉(zhuǎn)換與推進、新材料與新工藝、水下智能武器等，軍事上用于反潛戰(zhàn)、水雷戰(zhàn)、偵察與監(jiān)視和后勤支援等領(lǐng)域。

1)反潛戰(zhàn)

AUV上可裝備先進的探測設(shè)備和攻擊武器，用于跟蹤或攻擊敵方潛艇，并在完成任務(wù)后返回母艇。AUV也可用作誘餌，引開敵方潛艇。AUV還可作潛艇遠距離水下通信的中繼站，增加母艇隱蔽性。在搜索偵察方面，AUV可作為艇外水聲或尾流傳感平臺進行區(qū)域監(jiān)視和情報收集。

2)水雷戰(zhàn)

AUV可自主航行到目標海域?qū)嵤┧撞挤?，其裝備前視聲吶和側(cè)視聲吶，可用于探測水雷或監(jiān)視可疑雷場。

3)目標靶

裝上靶雷的有關(guān)設(shè)備后，AUV可用于靶場試驗、魚雷鑒定或日常操練中充當靶雷，以試驗、鑒定魚雷的性能或提高海軍使用魚雷的作戰(zhàn)能力。

4)偵察與監(jiān)視

大型AUV續(xù)航時間長，可投放后自主航行至敵方或危險海域執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務(wù)，能長時間隱蔽地采集信息。也可為兩棲突擊隊偵察水雷、障礙等開辟水下進攻通道。

5)后勤支援

AUV可向海水中投放通信和導航裝置，成為前方部署的網(wǎng)絡(luò)中心的節(jié)點。還可以為前方運送急需物資，戰(zhàn)后還可用來清理水下戰(zhàn)場。此外，AUV還可用于尋找和打撈沉入海底的物體，如魚雷、導彈、人造衛(wèi)星等。

6)其他使用

AUV可用于其他一些水下領(lǐng)域，如海洋測繪、近岸巡邏、破壞、干擾、潛水支援、水下導向和求援，此外也可用做工作平臺，在海洋施工中發(fā)揮作用。

由于AUV的主要特點是有效載荷種類繁多，任務(wù)要求靈活多樣，因此在設(shè)計過程中有效載荷就必須適應(yīng)平臺的約束，采用模塊化設(shè)計方法能有效實現(xiàn)AUV的柔性化設(shè)計，并針對任務(wù)的多樣性要求，靈活、快速地進行AUV的配置。本文針對AUV柔性化設(shè)計問題，通過對國外相關(guān)技術(shù)的分析，突破了傳統(tǒng)的按系統(tǒng)進行設(shè)計的模式，提出了面向AUV的模塊化設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)。

2 自主式水下航行體模塊化設(shè)計研究現(xiàn)狀

AUV發(fā)展的目標是提高功能密度和對有效載荷的靈活適應(yīng)能力，而模塊化設(shè)計與研制技術(shù)是實現(xiàn)這一目標的重要途徑。在實現(xiàn)AUV模塊化設(shè)計方面各國都開展了相關(guān)的研究。

柔性化平臺以高性能的單元功能模塊為技術(shù)基礎(chǔ)，國際上已經(jīng)應(yīng)用的AUV就具有單元功能模塊的基本技術(shù)特征。美國海軍水下作戰(zhàn)中心(NUWC)、美國海軍研究局(ONR)、美國海軍海洋系統(tǒng)中心(NAVOCEANO)等多家海軍研究機構(gòu)都在從事UUV的研究工作，研究內(nèi)容涉及UUV的續(xù)航力、能源與推進、傳感器信號處理、通信、使命管理控制、導航和運載器設(shè)計等。其中，按照1994年美國海軍制定的UUV發(fā)展計劃開發(fā)的一種高性能的公用模塊，有極強的通用性，與有效載荷之間的接口簡單，能實現(xiàn)多種有效載荷的一體化設(shè)計和柔性化集成，因而對不同的AUV有較強的適應(yīng)性。在這樣的系統(tǒng)中，不考慮傳統(tǒng)的AUV子系統(tǒng)邊界，設(shè)計過程強調(diào)的是每個通用系統(tǒng)的功能要求的識別和規(guī)格，其結(jié)果是1個高度集成的AUV，直接實現(xiàn)各研制單位AUV不同功能模塊的綜合應(yīng)用。

英國國防研究局主導開發(fā)的AUV其物理結(jié)構(gòu)由總線模塊、有效載荷模塊和推進模塊組成，其中的每個模塊都可以完全獨立地進行集成和試驗，同時對與有效載荷的物理和功能接口進行了標準化設(shè)計。此外，英國還參加了歐共體的一項合作研究，目前正從事AUTOSUB方案的研究，為歐共體開發(fā)1個試驗型AUV，該AUV被稱為“海豚”(Dolphin)，其工作深度為6 km，強調(diào)模塊化開發(fā)方式，既便于海軍各單位及科研院所合作開發(fā)，又有利于電子設(shè)備、功能單元的換代升級。

德國的STN、HDW等幾家公司正在為德國海軍研制一種用于反潛戰(zhàn)的水下無人航行體——TCM/TAU 2000魚雷對抗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由探測設(shè)備及信號處理裝置、指揮控制裝置、發(fā)射集裝箱、4個鉸接蓋板和TAU效應(yīng)器組成，能進行全方位的區(qū)域偵察，作戰(zhàn)系統(tǒng)信號處理時間短，反應(yīng)速度快;發(fā)射速度快，使用效應(yīng)器后可不受潛艇戰(zhàn)術(shù)的限制;效應(yīng)器對付輕型魚雷和重型魚雷的威脅都有很高的效能。由于采用了模塊化設(shè)計，該系統(tǒng)能很容易地裝配到209和212型潛艇上，其費效比很好。

國外設(shè)計AUV的過程均采用模塊化結(jié)構(gòu)，通過對個別模塊的簡單修改和不同模塊單元的組合應(yīng)用，即可滿足不同的任務(wù)需求和有效載荷要求。本文針對模塊化設(shè)計方法在水下潛器應(yīng)用的廣泛前景，對AUV模塊化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)進行探討。

3 AUV族的概念

基于柔性化平臺的AUV族的研究與設(shè)計是適合不同功能任務(wù)和有效載荷要求的行之有效的研制方法。族設(shè)計是針對大規(guī)模定制生產(chǎn)模式提出的一種設(shè)計方法，即它不再是針對單一的產(chǎn)品進行設(shè)計，而是面向一族產(chǎn)品，是一種基于通用平臺實現(xiàn)大規(guī)模定制的有效設(shè)計方法。針對AUV任務(wù)要求靈活多樣、載荷種類繁多的技術(shù)特點，提出了AUV族的設(shè)計概念，即:以通用平臺為基礎(chǔ)，并通過匹配能滿足不同功能任務(wù)需求和不同有效載荷要求的個性模塊組成的AUV的集合。

采用AUV族設(shè)計理念的優(yōu)點在于它能滿足用戶群的需求提升，實現(xiàn)AUV新技術(shù)的快速應(yīng)用設(shè)計，同時能最大化細分AUV之間的通用性，以實現(xiàn)AUV的模塊化設(shè)計。AUV的特點是具有多種參數(shù)和性能指標，以滿足用戶需求的變化，這些參數(shù)和性能指標間具有一定的公比級差。只有建立合理的、能充分反映用戶需求的AUV結(jié)構(gòu)模型，才能在其基礎(chǔ)上進行快速配置設(shè)計，以在短時間內(nèi)設(shè)計出滿足要求的AUV。

4 AUV的模塊化設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)

由于傳統(tǒng)潛器設(shè)計方法都是將潛器分為多個子系統(tǒng)進行設(shè)計，各子系統(tǒng)之間充滿聯(lián)系但缺少標準化接口，導致設(shè)計出的潛器任務(wù)指向性強，功能升級困難，冗余成分多，維修成本高。由于面向功能的分解方法適應(yīng)面寬且已有較多的應(yīng)用，本文通過對AUV按照系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，將各系統(tǒng)的功能分解劃分出功能模塊，按照標準化關(guān)系重新設(shè)計布局，繼而通過對功能模塊的集成來完成AUV的構(gòu)造。

4.1 功能模塊的概念

功能模塊是AUV的基本組成元素，是一種實體的概念。如果從數(shù)學的角度對功能模塊進行定義，則指每個功能模塊都包含一系列參數(shù)即特征變量，可表示為 Mi=(Ai1，Ai2，…，Ain)。如果某1個功能模塊被選中，則該功能模塊的所有參數(shù)將會在進化設(shè)計過程中得到優(yōu)化。這種從數(shù)學角度對功能模塊進行定義，有助于對集成的AUV進行優(yōu)化處理。其中的Aij可以是定性屬性的描述，也可以是定量屬性的描述。

完全模塊化的AUV系統(tǒng)，包括頭部、動能、控制通訊、推進驅(qū)動4個基本分段。根據(jù)使用要求，可在基本分段上增加不同的功能模塊，如在頭部分段可安裝避碰聲吶模塊、多波束測深聲吶模塊、數(shù)字照相模塊等;動能分段可安裝電池模塊、熱推進模塊;控制通訊分段中插入反向散射傳感器模塊、聲速傳感器模塊、聲學通訊模塊、長基線(LBL)或超短基線(USBL)定位模塊、DVL輔助慣性導航模塊、測深儀模塊、單頻或雙頻側(cè)掃聲吶模塊、溫度鹽度深度傳感模塊、管理規(guī)劃模塊等;推進驅(qū)動分段由推進電機和導管式螺旋槳集成設(shè)計。用戶還可以根據(jù)需要增加負載模塊，該模塊包含以太網(wǎng)微控制器(用于與其余模塊進行連接)、電源(用于給用戶定制的傳感器供電)，另外，可提供負載模塊軟件開發(fā)包。

4.2 功能模塊的劃分方法

功能模塊的劃分是模塊化設(shè)計的前提與基礎(chǔ)。功能模塊的劃分以及功能模塊的形成是一個復雜、影響因素眾多、多目標的綜合優(yōu)化過程。AUV系統(tǒng)本身、客觀環(huán)境、當前技術(shù)水平和任務(wù)需求等因素都影響著具體的模塊化方法。

AUV系統(tǒng)是一個復雜的大型系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)的要素數(shù)量龐大，可將系統(tǒng)按照功能劃分為能滿足要求的較少的幾個子模塊，并用盡可能簡單的模型來表示。模塊劃分是模塊化設(shè)計的第一步，模塊劃分是否合理，直接影響AUV的功能、性能和成本。以功能相關(guān)分析為主進行模塊劃分的方法是將AUV總功能分解為一系列子功能，子功能還可以繼續(xù)進行下一級的分解，在完成所有的功能分解后，按照一定的相關(guān)性影響因素進行聚類分析，形成功能模塊。針對AUV系統(tǒng)，可以從子功能之間的功能相關(guān)、信息相關(guān)和空間相關(guān)的角度對功能進行分類劃分，然后采用功能模型定量化建模方法，將模型中各個子功能與潛器傳遞的能量流、信號流相關(guān)聯(lián)，并以使用需求為衡量尺度，建立需求功能數(shù)據(jù)庫，并將功能與需求的關(guān)系定量化，由此作為模塊劃分與模塊發(fā)展的主要依據(jù)。

AUV功能模塊劃分過程如圖1所示:1)收集具有不同任務(wù)要求或不同有效載荷要求的用戶要求，或是直接對現(xiàn)有AUV進行功能分析;2)確定功能，即將用戶需求轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的任務(wù)模塊和總功能要求;3)對任務(wù)模塊和總功能要求進行層次分解，將總功能和任務(wù)模塊分解成一系列可實現(xiàn)的功能元，形成功能要求的層次結(jié)構(gòu)，即功能樹。

圖1 AUV功能模塊劃分流程Fig.1 Flow chart of AUV function module

4.3 基于功能模塊的AUV集成方法

集成是進行AUV族設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過選擇具有不同功能的模塊，評價其集成的可能性和合理性，進而組合成具有特定的總功能及某些特殊功能或特性的AUV實體。

模塊集成是根據(jù)設(shè)計任務(wù)選擇出模塊并集成為系統(tǒng)的過程，由于滿足相應(yīng)功能要求的模塊可能不止1個，所以可能產(chǎn)生多個模塊集成方案。

AUV的集成不僅僅指模塊在結(jié)構(gòu)上的疊加，更重要的是指模塊在功能上的有機融合。達到這種功能上的有機融合，一方面可通過先進的集成處理手段，將不同功能的模塊有機地集合成具有被處理各模塊諸功能的新模塊，使這些具有不同功能的模塊在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)一體化;另一方面，可通過各種軟接口如導線、總線等在結(jié)構(gòu)上不直接相關(guān)的模塊間實現(xiàn)功能的綜合。

在進行集成的過程中，通常要進行如下操作:

1)模塊的沿用;

2)模塊的增加;

3)模塊的去除;

4)模塊的替代;

5)模塊用途的改變。

假設(shè)有4個模塊(A，B，C，D)構(gòu)成了 AUV模型1，可以通過對這4個模塊的操作重新構(gòu)成另一個具有不同任務(wù)要求的AUV模型2。圖2顯示了每個操作對模塊化系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

圖2 AUV模型集成圖Fig.2 AUV model integration

在AUV模型1中使用的模塊A，在AUV模型2中被沿用，并成為AUV模型2的一部分。3個可相互替代的因素構(gòu)成了模塊系列B，考慮到成本等因素，可以選擇模塊B系列類中的1個作為AUV模型2的一部分。由于無法滿足用戶的精度要求，在AUV模型2中將模塊C去除?？紤]到AUV模型2與AUV模型1的不同任務(wù)要求，增加模塊E。模塊D在AUV模型2中的用途被改變了。

5 結(jié)語

隨著微電子、微機械等新技術(shù)的迅速發(fā)展及其在AUV上的大量應(yīng)用，極大地提高了其集成度和功能密度，功能模塊化研究已經(jīng)成為潛器技術(shù)研究的熱點。本文分析國外在AUV模塊化研制方面所進行的工作，針對目前我國在AUV的研制現(xiàn)狀，提出了面向AUV族的模塊化設(shè)計理論體系，對提高我國AUV的研制水平將起到一定的推動作用。

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［6］BARROS E.AUV Dynamics:Modeling and parameter estimation using analytical and semi-empirical methods［R］.DSORL-ISR Technical Report，2003.

Key technologies of modular design facing AUV

YAO Wen-dong，LI Jin-song
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

Aiming at flexible design problem of autonomous underwater vehicle(AUV)，by analyzing research technologies of AUV，and breaking through traditional design according to sub-systems，modular design theory of AUV and its key technologies facing AUV family were put forward.The proposition of modular design theory is meaningful for improving the development and researching level of AUV.

AUV;modularity;function design

U674.941

A

1672－7649(2011)06－0149－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.034

2011－05－06

姚文東(1978－)，男，工程師，從事海洋船舶工程研究。