著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”研究初探

吳文海, 呂雪濤, 曲志剛, 王俊彥

(1.海軍航空工程學(xué)院 青島分院, 山東 青島 266041;2.中國人民解放軍 92635部隊(duì), 山東 青島 266041)

著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”研究初探

吳文海1, 呂雪濤1, 曲志剛1, 王俊彥2

(1.海軍航空工程學(xué)院 青島分院, 山東 青島 266041;2.中國人民解放軍 92635部隊(duì), 山東 青島 266041)

給出了著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”的定義,對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析,并對(duì)著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”進(jìn)行了分類,闡述了各種“軟故障”對(duì)著艦安全的影響,以及預(yù)防和解決“軟故障”的技術(shù)方法。最后預(yù)測(cè)了著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”的研究方向。

著艦引導(dǎo)系統(tǒng); 飛行控制系統(tǒng); 軟故障; 可靠性

引言

著艦引導(dǎo)系統(tǒng)作為指揮艦載機(jī)安全著艦的關(guān)鍵所在,其可靠程度直接決定了能否保證艦載機(jī)精確、安全、高效地在航空母艦上降落。

近100年來,激光、微波、雷達(dá)、GPS等技術(shù)先后應(yīng)用于艦載機(jī)助降系統(tǒng),使得艦載機(jī)發(fā)展出了多種獨(dú)特的著艦引導(dǎo)方式,目前正朝著更加自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。然而正是由于自動(dòng)化、智能化技術(shù)的運(yùn)用和推廣,使得著艦引導(dǎo)系統(tǒng)中潛藏著許多不易發(fā)現(xiàn)的隱患,這就是產(chǎn)生“軟故障”的根源。目前,國內(nèi)外研究人員已經(jīng)注意到這個(gè)問題,相關(guān)研究也逐步開始,涉及控制系統(tǒng)的重構(gòu)、容錯(cuò)控制技術(shù)、人的因素、環(huán)境因素及電磁干擾等方面。然而,“軟故障”作為一個(gè)新的研究方向,并未形成一套完整成熟的理論,其實(shí)際應(yīng)用尚處于探索階段,因此還有許多理論探討與統(tǒng)一化的工作要做[1-6]。

1 著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”概述

1.1 “軟故障”的定義及其特點(diǎn)

通常所說的故障指設(shè)備或系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的不能按規(guī)定完成其任一項(xiàng)功能的狀態(tài),按照故障類型可以分為“硬故障”和“軟故障”。硬故障就是由于器件、設(shè)備損傷或者年久失修而導(dǎo)致的硬性故障,這類故障往往需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行外在修理維護(hù),無法修復(fù)的就只能更換組件或報(bào)廢。所謂“軟故障”,即不同于因硬件損壞而導(dǎo)致的故障,其中包括誤操縱、計(jì)算機(jī)程序出錯(cuò)以及傳輸中的非正常延遲等引起的不良后果,就著艦引導(dǎo)系統(tǒng)而言,是指在引導(dǎo)艦載機(jī)著艦過程中所發(fā)生的“軟”性故障?！败浌收稀钡漠a(chǎn)生如圖1所示。

圖1 “軟故障”的產(chǎn)生

“軟故障”與硬故障之間關(guān)系緊密,部件級(jí)“軟故障”可導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)硬故障。20世紀(jì)80年代初,美國導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上的艦載直升機(jī)在盤旋著艦時(shí),由于受艦上大功率天線的輻射使直升機(jī)的槳葉伺服機(jī)構(gòu)失效而墜毀,導(dǎo)致艦上的設(shè)備和人員都有不同程度的損傷[7]。槳葉伺服機(jī)構(gòu)失效就是典型的“軟故障”,它直接導(dǎo)致直升機(jī)的墜毀,出現(xiàn)硬故障。

“軟故障”與硬故障有許多相似之處,更有許多差異。這種差異是由于軟硬故障產(chǎn)生機(jī)理的不同而造成的,因而使“軟故障”在術(shù)語內(nèi)涵、指標(biāo)選擇、分析手段以及解決的方法和途徑方面都具有其自身的特點(diǎn)。一般而言,“軟故障”具有以下特點(diǎn):

(1)不一定會(huì)造成損失,但在一定條件下可能誘發(fā)“硬”故障,從而間接帶來巨大損失甚至是災(zāi)難性的后果;

(2)具有顯著的“隱性”特點(diǎn),即潛在性,往往容易被忽視而且不易被發(fā)現(xiàn),這給安全性研究帶來了巨大的挑戰(zhàn);

(3)“軟故障”的產(chǎn)生原因,如人員操作、控制程序(軟件)等主觀或類主觀的因素,使得其具有不可預(yù)測(cè)性,有時(shí)甚至是不可避免的,所以通常以防范研究為主;

(4)具有可重復(fù)性,某些“軟故障”的發(fā)生需要特定的條件,使其會(huì)在近似條件下重復(fù)出現(xiàn)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多功能強(qiáng)大的元器件和先進(jìn)控制技術(shù)相繼應(yīng)用到著艦引導(dǎo)系統(tǒng)中。其中硬件的可靠度得到了很大改善,其發(fā)生“軟故障”的原因主要是由于受到航空母艦附近復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾。這種“軟故障”具有明顯的暫時(shí)性和可重復(fù)性,而且長時(shí)間的硬件“軟故障”極易引發(fā)硬故障。

軟件作為控制系統(tǒng)的核心,它所產(chǎn)生的“軟故障”往往遵循這一規(guī)律:由于軟件的設(shè)計(jì)缺陷在一定條件下暴露,使得系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)可感知的不正常、不正確和不按規(guī)范執(zhí)行的狀態(tài)(錯(cuò)誤),導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出不滿足預(yù)定的要求(軟故障),即:缺陷→錯(cuò)誤→軟故障。可見,這種“軟故障”具有以下性質(zhì):

(1)固有性：由軟件缺陷的固有性決定。軟件一旦有缺陷,它將一直潛伏于其中直到被發(fā)現(xiàn)和更改,而且這種潛伏不像硬件會(huì)隨著時(shí)間的推移而“耗損”,它是牢靠的、無耗損的潛伏。

(2)敏感性：由軟件的運(yùn)行環(huán)境決定。軟件的使用離不開適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行環(huán)境,這種運(yùn)行環(huán)境一般都容易受到外界的干擾,從而引發(fā)“軟故障”。

(3)延續(xù)性：由數(shù)據(jù)處理的連續(xù)性決定。任一軟件出現(xiàn)故障將使得信息處理中斷或出錯(cuò),出錯(cuò)的數(shù)據(jù)進(jìn)入下一層次的處理后將使后面的運(yùn)算處理繼續(xù)出錯(cuò),直到輸出后執(zhí)行錯(cuò)誤的操縱。

1.2 “軟故障”的類型

著艦引導(dǎo)系統(tǒng)包括機(jī)載和艦載兩大部分,如圖2所示。根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn),“軟故障”的類型也不盡相同。

圖2 著艦引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)按照發(fā)生場所的不同,可以分為:機(jī)載系統(tǒng)“軟故障”、艦載系統(tǒng)“軟故障”和機(jī)艦通信“軟故障”。

機(jī)載系統(tǒng)“軟故障”指飛行控制系統(tǒng)的軟故障,如飛控計(jì)算機(jī)軟故障(運(yùn)行過程中出現(xiàn)的程序錯(cuò)誤、不正常中斷)、系統(tǒng)狀態(tài)“軟故障”(系統(tǒng)狀態(tài)變化、參數(shù)變化)和傳感器“軟故障”(增益變化、恒偏差失效)等。機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備“軟故障”源于外界因素的干擾,具有暫時(shí)性特點(diǎn);人的因素導(dǎo)致的“軟故障”源于駕駛員主體的技能差錯(cuò)、決策差錯(cuò)及感覺差錯(cuò),其中有習(xí)慣性的也有偶然性的。機(jī)載系統(tǒng)“軟故障”會(huì)對(duì)飛機(jī)的操縱和飛行軌跡產(chǎn)生影響,從而影響著艦安全。

艦載系統(tǒng)與機(jī)載系統(tǒng)分屬不同載體,二者的“軟故障”類型基本相似,但具體內(nèi)容卻相去甚遠(yuǎn),這主要是由二者功能上的差異決定的。

對(duì)于機(jī)艦通信“軟故障”,顧名思義,是指從著艦準(zhǔn)備階段到觸艦的整個(gè)過程中,機(jī)艦之間交換的信息丟失或被非正常延遲,其原因主要是由于外界因素的干擾,也可能是源于前兩種“軟故障”或其中之一。顯然,這種“軟故障”會(huì)使得機(jī)艦之間的聯(lián)系中斷或延遲,如果發(fā)生在著艦下滑階段,將是異常危險(xiǎn)的。

(2)按照產(chǎn)生原因的不同,可以分為:設(shè)計(jì)“軟故障”和誘導(dǎo)“軟故障”。

設(shè)計(jì)“軟故障”,即由于技術(shù)不夠成熟或系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初的缺陷而造成的軟性故障,其特點(diǎn)是會(huì)隨著技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展而減少,甚至消失。

誘導(dǎo)“軟故障”,即由外在的因素而誘發(fā)的“軟故障”,比如,由于電磁干擾而導(dǎo)致狀態(tài)參數(shù)的變化、數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛唷w行員操作不當(dāng)而導(dǎo)致飛行軌跡的偏離等。

(3)按照發(fā)生主體的不同,可分為:設(shè)備“軟故障”和傳輸“軟故障”。

設(shè)備“軟故障”是對(duì)設(shè)備的主體而言的,比如飛行控制計(jì)算機(jī)及各種類型的顯控裝置所發(fā)生的“軟故障”,這種“軟故障”可能直接使該設(shè)備暫時(shí)失靈。

傳輸“軟故障”,即發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸過程中的、包括設(shè)備內(nèi)部的和設(shè)備之間的傳輸。

雖然著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”的劃分方法有多種,但是各類“軟故障”之間并不是彼此孤立的,它們的關(guān)系如圖3所示。

圖3 著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”之間的關(guān)系

1.3 “軟故障”的防范方法

由“軟故障”的特點(diǎn)可以看出,“軟故障”重在防范,目前可以用作“軟故障”防范的有以下幾種技術(shù)與方法。

余度技術(shù):余度技術(shù)是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性、高安全性和高生存能力的設(shè)計(jì)方法之一。這種技術(shù)主要用于對(duì)可靠性要求較高的系統(tǒng)或設(shè)備,它并非解決了“軟故障”,而只是利用備份系統(tǒng)或設(shè)備的完整性代替產(chǎn)生“軟故障”的系統(tǒng)或設(shè)備,從而保證整個(gè)大系統(tǒng)功能的完好。它有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),就是余度的增加會(huì)使系統(tǒng)或設(shè)備的復(fù)雜性、重量和體積隨之大大增加[8]。

容錯(cuò)技術(shù):容錯(cuò)技術(shù)是指系統(tǒng)對(duì)故障的容忍技術(shù),也就是處于工作狀態(tài)的系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部分發(fā)生故障或差錯(cuò)時(shí),系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)和診斷,并能采取相應(yīng)的措施保證維持其規(guī)定功能或維持其功能在可接受范圍內(nèi)的技術(shù)。容錯(cuò)技術(shù)在飛行控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐步發(fā)展成容錯(cuò)飛行控制這樣一門學(xué)科,它在故障檢測(cè)與隔離技術(shù)、控制律重構(gòu)技術(shù)、自主式維修診斷技術(shù)以及駕駛員主動(dòng)告警技術(shù)等方面已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展,為飛行控制系統(tǒng)“軟故障”的發(fā)現(xiàn)與解決提供了重要的技術(shù)支持,為著艦過程中機(jī)載系統(tǒng)的可靠性提供了重要保障[9]。

人因失誤防范:人因失誤就是指人的行為及其結(jié)果偏離了規(guī)定的目標(biāo),并產(chǎn)生或?qū)е铝藵撛诘牟涣加绊懙倪^程,即由于人為因素而導(dǎo)致的失誤[10]。“軟故障”中人的因素最為主觀、最為復(fù)雜，也最為模糊,往往成為現(xiàn)代航空領(lǐng)域中飛行安全的決定性因素。為了分析人的因素對(duì)飛行安全的影響,近年來出現(xiàn)了各種人的失誤框架,主要揭示了六種人的失誤觀點(diǎn):認(rèn)知的觀點(diǎn)、工效的觀點(diǎn)、行為的觀點(diǎn)、航空醫(yī)學(xué)的觀點(diǎn)、社會(huì)心理的觀點(diǎn)和組織的觀點(diǎn)。Douglas A Wiegmann和Scott A Shappell對(duì)上述觀點(diǎn)研究分析后提出了人的因素分析與分類系統(tǒng)(HFACS)模型[11],HFACS將人的因素分為四個(gè)層次,即不安全行為、不安全行為的前提條件、不安全監(jiān)督和組織影響。另一種方法是維護(hù)差錯(cuò)輔助判定(Maintenance Error Decision Aid, MEDA)[12],與HFACS稍有不同的是,MEDA最初是一個(gè)嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)差錯(cuò)調(diào)查過程,用于尋找導(dǎo)致事故的貢獻(xiàn)因子,其基本原理是人不會(huì)故意犯錯(cuò),錯(cuò)誤常常是在人們?cè)噲D做正確的事情時(shí)發(fā)生的,它主要通過與差錯(cuò)相關(guān)的維護(hù)人員進(jìn)行交談來實(shí)施差錯(cuò)調(diào)查。這兩種方法都很好地整合了導(dǎo)致人的失誤的諸多因素,對(duì)分析人的因素導(dǎo)致的“軟故障”和飛行事故有很好的效果,為相關(guān)人員進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練以減少人的因素帶來的“軟故障”有很大幫助。

上述技術(shù)或方法對(duì)于著艦引導(dǎo)系統(tǒng)中“軟故障”的分析和解決有著重要的借鑒作用,余度技術(shù)在機(jī)載系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟,容錯(cuò)技術(shù)的研究也正在逐步深入，而對(duì)于人的因素方面的研究,國外起步較早且已經(jīng)開始應(yīng)用于航空事故的分析方面,國內(nèi)則尚處于起始階段。

2 對(duì)“軟故障”研究的展望

隨著艦載機(jī)及助降設(shè)備智能化程度的提高,對(duì)其“軟故障”的研究顯得愈加迫切。今后在以下幾個(gè)方面將會(huì)重點(diǎn)研究:

(1)飛行控制系統(tǒng)的“軟故障”預(yù)警與防范研究。飛控系統(tǒng)作為艦載機(jī)和著艦引導(dǎo)系統(tǒng)的核心部分,它的可靠性關(guān)系到艦載機(jī)的飛行性能和著艦安全。因此,飛控系統(tǒng)控制律的容錯(cuò)設(shè)計(jì)與自修正技術(shù)的應(yīng)用都將是未來飛控系統(tǒng)的主旋律。

(2)艦上復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)引導(dǎo)系統(tǒng)的威脅。這些威脅來源包括高頻(HF)發(fā)射天線產(chǎn)生的電磁場、電子戰(zhàn)系統(tǒng)輻射場、對(duì)空搜索雷達(dá)與航空管制雷達(dá)之間的波瓣耦合。這些干擾會(huì)降低雷達(dá)系統(tǒng)的精度,并會(huì)對(duì)艦載機(jī)的自動(dòng)著艦系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,直接影響著誘導(dǎo)“軟故障”的發(fā)生頻率。因此,如何做好艦載機(jī)電磁安全研究就變得異常重要。

(3)人的因素對(duì)安全著艦的影響。雖然自動(dòng)著艦系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟,但大多數(shù)情況下仍采用人干預(yù)下的著艦飛行,這樣人的因素在著艦中就顯得異常重要。所以,研究人在著艦環(huán)境下的各種狀態(tài),對(duì)人的因素引起的“軟故障”的防范有著重要的意義,也是未來著艦引導(dǎo)系統(tǒng)研究的必然方向。

著艦引導(dǎo)系統(tǒng)“軟故障”防范研究本質(zhì)上是對(duì)其可靠性研究的一部分,對(duì)其解決方法的研究又要求在故障診斷技術(shù)中進(jìn)行“軟故障”識(shí)別與檢測(cè)研究。

3 結(jié)束語

著艦引導(dǎo)系統(tǒng)作為引導(dǎo)艦載機(jī)著艦的關(guān)鍵所在,其技術(shù)日漸成熟,但是潛在的隱患并未減少,所以對(duì)其“軟故障”的研究勢(shì)在必行?！败浌收稀弊鳛橐婚T新興的研究課題,未來不僅將是著艦引導(dǎo)系統(tǒng)安全性研究的重點(diǎn),同樣也會(huì)成為其它高可靠性要求行業(yè)的研究方向。

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Soft-faultstudyoncarrierlandingguidancesystem

WU Wen-hai1, LV Xue-tao1, QU Zhi-gang1, WANG Jun-yan2

(1.Qingdao Branch, NAEI, Qingdao 266041, China;2.No.92635 Unit of the PLA, Qingdao 266041, China)

This paper addresses the soft-fault definition on carrier landing guidance system, analyses its characters and classifies them. The paper expatiates the effect of all kinds of the soft-fault on carrier landing safety and several preventive measures and solutions for the soft-fault. Finally, it forecasts the main study contents of the soft-fault for a carrier landing guidance system.

carrier landing guidance system; flight control system; soft-fault; reliability

2011-03-15;

2011-05-21

吳文海(1962-)，男，江蘇泰興人，教授,博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)榫_制導(dǎo)與飛行控制。

V249; V271.492

A

1002-0853(2012)01-0001-04

(編輯：姚妙慧)