艦船操縱控制技術應用與分析

喻濟兵 珺王

（1. 中國人民解放軍海軍駐九江軍事代表室，九江 332000；2. 海軍標準規(guī)范所，上海 200235）

艦船操縱控制系統(tǒng)是一個極其重要的控制系統(tǒng)，其性能直接影響著艦船航行的安全性、操縱性和經(jīng)濟性。系統(tǒng)的發(fā)展受到了世界各國海軍和工業(yè)部門的高度重視，在系統(tǒng)技術發(fā)展和裝備研制方面，美國的利頓、加拿大的CAE、俄羅斯的ABPOPA以及意大利的FiatAvio公司等取得了卓有成效的工作，并且大量裝備在美、俄、德、法等技術先進國家的各型水面艦船和潛艇上得到了廣泛應用，提高了艦船操縱控制品質和安全可靠性，國內(nèi)艦船操縱技術也一直受到相關科研院所的重視，特別是潛艇操縱控制系統(tǒng)，已從過去的單機、單控狀態(tài)向集中、聯(lián)合、全自動、網(wǎng)絡信息化方向轉變。

1 艦船操縱控制系統(tǒng)的研制內(nèi)容

艦船操縱控制系統(tǒng)的研制內(nèi)容比較廣泛，從廣義上講與艦船運動有關的檢測、控制、操縱及執(zhí)行的系統(tǒng)和設備，都是該系統(tǒng)的研制內(nèi)容[1]。按照《GJB4000-2000艦船通用規(guī)范》對艦船運動控制系統(tǒng)內(nèi)容分類的編排，有以下幾類系統(tǒng)和裝置，如操舵裝置、舵、潛艇均衡系統(tǒng)、潛浮系統(tǒng)、減搖系統(tǒng)、側向推進裝置、綜合控制系統(tǒng)等。隨著新研艦船技術和工藝的進步以及戰(zhàn)術技術指標的提高，特別是信息技術的快速發(fā)展，使得人們不斷積極探索和全力實現(xiàn)艦船航行及操縱控制技術的現(xiàn)代化，以適應現(xiàn)代高技術條件下局部國防的需要，確保艦船在特殊的氣候、海情條件下均能實現(xiàn)安全可靠航行，有效進行戰(zhàn)術機動，提高裝備的攻防能力。

2 艦船操縱控制技術的應用實踐

2.1 操舵、均衡、潛浮集中控制系統(tǒng)

潛艇操縱控制系統(tǒng)是潛艇實現(xiàn)自動、集中操縱控制的基礎。集中控制操舵儀將“車”、“舵”、“均衡”、“補重”、“側推”、“輔推”等操艇手段集中起來，進行統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)操舵控制、均衡控制以及主推進控制、側推或輔助推進控制、補重控制等構成；潛浮系統(tǒng)是潛艇操縱控制系統(tǒng)的重要組成部分，它由下潛分系統(tǒng)、高壓吹除分系統(tǒng)和低壓吹除分系統(tǒng)組成，其功能是在潛浮控制臺控制信號的作用下，使?jié)撏в伤涎埠綘顟B(tài)下潛至水下狀態(tài)，或者由水下狀態(tài)上浮至水上巡航狀態(tài)，以滿足潛艇操縱性的要求。

2.2 航跡、航向、操舵控制系統(tǒng)

為滿足水面艦艇適應在寬海域、高海情、遠距離的情況下實現(xiàn)安全、可靠地長時間連續(xù)航行、作戰(zhàn)、訓練的需要，必須對水面艦艇實現(xiàn)航跡、航向自動操舵控制。在航向航行方式時，根據(jù)航向指令進行航向自動控制，輸出操舵指令控制舵機，使艦船自動定向航行；在航跡控制方式時，根據(jù)航行計劃和艦位信息進行航跡控制計算，使艦船按計劃航線自動航行；具有自動、隨動、簡易和液壓手操等工作方式及航行、駕控綜合信息顯示，故障聲、光報警等功能及相應的信息接口，該控制系統(tǒng)適用于水面艦船。

2.3 智能化艦船運動參數(shù)檢測儀

艦船是武器系統(tǒng)的運動平臺，為保障武器和艦載機的使用要求，必須對艦船的運動姿態(tài)進行精確測控。目前使用的檢測儀有：基于電磁感應和多普勒效應的艦船用計程儀、加速度計、電子深度計、數(shù)字式傾角儀、舵角儀，及潛用集成式深度、縱（橫）傾檢測儀等。這類艦船運動及姿態(tài)檢測儀的共同特點是：精度高、智能化、結構緊湊，具有CAN總線、數(shù)字、模擬量信息接口。

2.4 電液比例控制閥

艦船操縱控制技術的另一個重要方面就是液壓傳動與控制，目前的產(chǎn)品有電液轉換器、分配器、控制器、伺服機構、換向閥、比例閥等。特別是操舵用電液比例控制閥，是一個多功能操舵組合閥，采用集成式結構，由閥本體、功率級閥芯閥套、隨動比例先導閥、自動比例先導閥、轉換電磁閥、反饋裝置、閥芯位移指示組件、減壓閥、節(jié)流閥、手操機構等組成，接收來自自動操舵儀的控制信號，操縱舵機油缸打舵，從而保持或改變艦（艇）的航向與深度。

3 艦船操縱控制技術與裝備的特點分析

艦船操縱控制技術與裝備廣義上可理解為：

人員、設備和任務的有機結合，以實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的全部功能。操縱控制技術及其裝備對水面艦艇（特別是潛艇）和艦（艇）員的安全性密切相關。以潛艇操縱控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)通過對潛艇的“車”、“舵”、“水”（調(diào)整水艙、主壓載水艙、導彈補重水艙）的綜合協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)潛艇的水上、水下航行工況轉換和航速、航向、潛深、縱傾、橫移以及浮力均衡和縱傾平衡的控制。它是一個多輸入、多輸出綜合控制系統(tǒng)，其基本功能是平時保證潛艇安全航行完成巡航和訓練任務。戰(zhàn)時要保證潛艇的戰(zhàn)術機動和運動姿態(tài)及潛深的穩(wěn)定，以保障武器系統(tǒng)的打擊精度；在潛艇自身出現(xiàn)險情時要利用操縱系統(tǒng)進行抗沉和損管控制。潛艇從離開碼頭到完成訓練和作戰(zhàn)任務一直到返回基地的整個過程中，操縱控制系統(tǒng)要連續(xù)、穩(wěn)定地工作。它是艦船生命力和戰(zhàn)斗力的重要組成部分。任何工況下，操縱控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障或操縱失誤、處理不當，都有可能導致嚴重的后果。因此，現(xiàn)代艦（艇）操縱控制系統(tǒng)的研究設計應遵循“高效（性能先進）、可靠（可靠性高）、安全（安全性好）、低噪（噪聲低）”的原則，推動艦船操縱控制系統(tǒng)發(fā)展的技術動力來自現(xiàn)代控制理論與技術、現(xiàn)代信息處理技術、人機工程以及新型艦艇的設計原理。

4 艦船操縱控制技術的發(fā)展熱點

綜觀國內(nèi)外艦船操縱控制技術的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，人們最為關注的是技術與裝備的安全性、信息化和綜合保障性。

4.1 安全可靠性

（1）廣泛采用冗余設計技術

系統(tǒng)及裝備的控制裝置和檢測、執(zhí)行器一般都設計主、備雙通道，對于主控單元的微機系統(tǒng)可采用三通道按表決的形式輸出控制信息，進行系統(tǒng)容錯設計，對設備故障進行自動診斷和自動隔離，實現(xiàn)系統(tǒng)自動重組；對用戶的誤操作、傳輸錯誤等故障實現(xiàn)報警和自動糾錯等。

（2）采用多種操縱方式

既有先進的“自動”操縱，也保留有“隨動”和“簡易”操縱，以及機旁電動、人力操舵；對水面艦船除在駕駛室設置操縱裝置外，還在作戰(zhàn)室、備用作戰(zhàn)室等部位設置操縱裝置。

（3）新型操縱面及其控制研究

為有效解決潛艇回轉時橫傾的控制或出現(xiàn)卡舵時易造成危險，俄羅斯、日本等國家的潛艇采用差動操舵（也稱分離式“十”形舵）方式來控制過大的橫傾，或采用“X”型艉舵來控制航向和縱、橫傾，當發(fā)生任一卡舵時，可用適當偏轉其他舵葉來快速補償，避免造成危險，提高了潛潛航行的可靠性，增強了潛艇的生存能力，但是，無論采用差動操舵方式還是“X”型艉舵方式，應借助控制裝置進行自動控制。

4.2 信息化

艦船信息化建設是一個龐大復雜的系統(tǒng)工程，基于計算機、網(wǎng)絡、自動控制、人工智能等技術的信息化指揮和控制系統(tǒng)，提供人員、艦船系統(tǒng)、作戰(zhàn)編隊指揮、作戰(zhàn)編隊系統(tǒng)之間的聯(lián)系。艦船操縱控制系統(tǒng)的信息化建設應側重于以下幾個方面：

（1）以信息化技術提高艦船操縱控制系統(tǒng)的設計能力及研制過程的管理能力

隨著現(xiàn)代控制理論、信息技術的發(fā)展，國外技術先進的國家都在積極尋求采用高新技術改善艦船操縱控制系統(tǒng)的設計和管理手段。以計算機輔助設計（CAD）、計算機仿真（CS）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、分布式實時數(shù)據(jù)庫（DB）、高速局域網(wǎng)絡（NET）等技術，集成一個分布、并行、協(xié)同的作業(yè)環(huán)境，進行艦船操縱控制系統(tǒng)的預研、論證、優(yōu)化設計、樣機研制，并實現(xiàn)研制過程的自動化管理，以提高產(chǎn)品質量、縮短研制周期、降低研制成本。

（2）系統(tǒng)間的綜合網(wǎng)絡化

艦船操縱控制系統(tǒng)是由一組集成的、相互關聯(lián)的分系統(tǒng)。通過計算機網(wǎng)絡把系統(tǒng)的整個設備連接起來，進行信息通訊，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的資源與信息共享。同時，艦船操縱控制系統(tǒng)還應與艦船其他系統(tǒng)（綜合導航系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)等）進行聯(lián)網(wǎng)或與艦船綜合平臺管理系統(tǒng)集成一體，實現(xiàn)系統(tǒng)間的資源與信息共享。

（3）系統(tǒng)內(nèi)測控設備智能網(wǎng)絡化

目前，在工業(yè)自動化領域中，分布式測量、控制以及各種監(jiān)測、報警、安全系統(tǒng)等，都是基于某種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的標準而設計和構造的，國外技術先進的國家在艦船上的測控系統(tǒng)也是如此。綜合分析國外的相關資料，國外采取的技術措施之一是在系統(tǒng)各設備的傳感器和執(zhí)行機構附近安裝一個或數(shù)個遠程終端單元（RTU），架起現(xiàn)場測控設備與系統(tǒng)的信息通道；技術措施之二是參照國際標準（如IEEE1451.2標準）設計一個通用的網(wǎng)絡接口，使系統(tǒng)各設備的傳感器和執(zhí)行機構能方便地接入各種現(xiàn)場網(wǎng)絡。

4.3 綜合保障性

艦船武器裝備的綜合保障性工作是一個龐大復雜的系統(tǒng)工程，針對艦船操縱控制系統(tǒng)與設備的技術特點和裝備使用情況，在其綜合保障性方面廣為關注的是陸上綜合操練和操縱信息支援。

（1）建立和完善艦船操縱控制系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)試驗體系

國內(nèi)的飛機駕控系統(tǒng)及國外技術先進國家的艦船操縱控制系統(tǒng)，都建立了比較完善的實驗研究、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、綜合操練體系。目的是：①檢驗上船設備技術設計及措施的可行性、可靠性、安全性；②驗證系統(tǒng)和設備的匹配性、接口一致性、功能協(xié)調(diào)性；③進行系統(tǒng)操縱控制品質研究、失效模式分析與挽回措施研究、故障復現(xiàn)與克服措施研究；④艦（艇）員綜合操作培訓等。這對艦（艇）員綜合操練培訓尤為重要。這是因為系統(tǒng)與設備由艦（艇）員操縱，必須掌握其操作要領：許多與操縱相關的特殊工況（如強機動、大潛深、大縱傾等）和裝備事故狀態(tài)（如航行中卡舵、由于碰撞造成艙室進水等）時的應急操縱方法和預案，需在陸上進行大量操縱實驗后，方可得到。而非在艦船航行中，人為造成這些工況和狀態(tài)，非要經(jīng)過實操來解決。

（2）設立艦船操縱信息支援系統(tǒng)

綜合分析研究相關資料和預研成果后可知，該系統(tǒng)的主要功能是：①圖形化實時綜合顯示與航行、操縱有關的艦船動態(tài)信息和參數(shù)，有條件時與艦船其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)或增設相關探測設備，實時顯示船態(tài)和航行環(huán)境的組合圖形（海面圖、海底圖、水面和水下動、靜態(tài)目標、本船運動參數(shù)等）；②對艦船操縱系統(tǒng)及相關設備的運行工況進行監(jiān)視，出現(xiàn)故障點時，進行聲、光報警和操縱、排障提示；③檢查和評價艦（艇）員日常操作或訓練效果；④通過專用通訊網(wǎng)絡，進行遠程在線系統(tǒng)診斷，提高信息支援等。

5 發(fā)展水面艦船操縱控制系統(tǒng)的建議

鑒于目前我國艦船操縱控制系統(tǒng)技術的現(xiàn)狀，結合未來操縱控制系統(tǒng)的功能發(fā)展趨勢要求，建議分階段實施與建立水面艦船操縱控制系統(tǒng)。

1) 準備界定水面艦船操縱控制系統(tǒng)的任務使命（工程范圍、指標體系、功能及作用等），做好系統(tǒng)的頂層設計。依據(jù)“任務－人－設備”的設計程序，充分論證系統(tǒng)使命任務及功能，從作戰(zhàn)任務、技術水平、人機工程、安全可靠性等方面，做好系統(tǒng)的頂層設計。

2) 注重技術的繼承和集成。

根據(jù)目前水面艦船綜合駕控臺的現(xiàn)狀和經(jīng)驗，充分利用成熟的綜合導艦技術、艦艇操縱控制技術（特別是潛艇集中操縱控制技術）、計算機網(wǎng)絡及憑信息化技術等，建立適合任務要求、符合人機工程學的水面艦船操縱控制系統(tǒng)。

3) 建立水面艦船操控系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)實驗室

水面艦船操控系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)實驗室是在實驗室內(nèi)用半實物仿真的方法，一方面，對裝船設備的功能和技術性能進行檢查和測試，暴露和發(fā)現(xiàn)設計及生產(chǎn)缺陷并加以解決，減少系泊和航行試驗的時間和風險；另一方面，依靠陸上聯(lián)調(diào)實驗手段，研究系統(tǒng)的技術匹配性、功能協(xié)調(diào)性，進行系統(tǒng)操縱控制品質研究、失效模式分析與挽回措施研究、故障復現(xiàn)與克服措施研究以及對艦艇員綜合操練培訓等。

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