半潛式航行器安全控制策略研究＊

易谷豐

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 宜昌 443000)

1 引言

半潛式航行器是一種工作在近水面，有桅桿伸出水面，由柴油機提供動力的航行器，它具有操縱性和適航性好、搭載能力大、續(xù)航能力強等優(yōu)點。但是在擁有諸多優(yōu)點的同時，也決定了半潛式航行器的系統(tǒng)要比其他無人水中平臺復(fù)雜得多，因此也就更容易出現(xiàn)安全問題。

半潛式航行器本身是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，一旦在工作中出現(xiàn)故障，輕則影響任務(wù)完成，重則導(dǎo)致半潛式航行器沉沒丟失，造成政治、技術(shù)及情報方面的重大影響與損失。因此必須加強半潛式航行器安全控制策略研究，及時發(fā)現(xiàn)安全問題，給出故障信息，并確定故障的部位、類型和嚴(yán)重程度，給出相應(yīng)的控制和處理方案，削弱、補償和消除故障，以保證設(shè)備的性能盡可能地接近原來正常工作時的性能，或以犧牲部分性能指標(biāo)為代價來保證設(shè)備繼續(xù)完成其規(guī)定的功能。對半潛式航行器進行安全控制策略研究，保證及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)并解決安全問題，對于提高其自身的安全，具有現(xiàn)實意義。

本文從航行控制系統(tǒng)設(shè)計的角度出發(fā)，在闡述典型半潛式航行器航行控制系統(tǒng)主體框架的基礎(chǔ)上，初步研究了半潛式航行器控制系統(tǒng)的安全控制策略。本文所闡述的安全控制不僅是指硬件和軟件的安全設(shè)計考慮，如硬件冗余和軟件代碼的安全設(shè)計等，而且將引起安全因素的具體原因、故障過程和故障特征融入到控制系統(tǒng)設(shè)計中，期望通過內(nèi)置的控制策略盡量保證航行器的安全。

2 半潛式航行器控制系統(tǒng)安全設(shè)計概要

圖1是典型半潛式航行器控制系統(tǒng)組成：

將系統(tǒng)的故障種類歸納為如下幾類：

1)避碰，航行器作業(yè)范圍很大，在運行區(qū)域，復(fù)雜的海底地形、起伏的珊瑚礁和沉船殘骸等障礙物，將會嚴(yán)重影響到航行器的安全。一旦發(fā)生碰撞，必將會引起重大事故，因此航行安全威脅等級設(shè)定為極高。

2)無線數(shù)傳信道中斷、信號被干擾以及綜合控制系統(tǒng)誤操作引起的操縱鏈路故障，此類故障較常見，是航行事故的主要誘因之一，包括操縱手疲勞誤操作、無線數(shù)傳信道出錯、異常指令等等。航行安全威脅等級設(shè)定為中高。

圖1 典型半潛式航行器控制系統(tǒng)

3)系統(tǒng)硬件故障，包括舵機失效、傳感器失靈、航行控制計算機死機、信號驅(qū)動線路中斷，電源失常波動甚至失效等。該種故障雖然在成品后出現(xiàn)概率不高，但在研制期間是頻繁出現(xiàn)的。這類故障一旦處理不當(dāng)必將引起重大事故。故航行安全威脅等級設(shè)定為極高。

4)柴油機故障［1］，或燃油耗盡，甚至是柴油機起火，將導(dǎo)致航行器失去動力，甚至出現(xiàn)極其重大的險情。此時若航行體其他系統(tǒng)可正常工作，則可以通過無線數(shù)傳系統(tǒng)向綜合控制系統(tǒng)傳輸自身的GPS信息，原地等待救援。設(shè)定此類故障的航行安全威脅等級為高。

3 避碰控制策略

航行體的避碰過程由搜集信息、確定最短避碰距離、判斷、確定避碰方案、確定避碰時機、實施避碰方案并準(zhǔn)備復(fù)航六個部分組成［2］，各個部分之間關(guān)系如圖2所示。

圖2 避碰過程

1)搜集信息，確定是否有障礙物

搜集信息是一個避碰過程的開始，也是后續(xù)避碰決策的基礎(chǔ)，避碰信息［3］包括環(huán)境信息、航行體信息和障礙物信息三部分。環(huán)境信息主要指航行水域、風(fēng)、流、浪等方面的信息；航行體信息包括航行體姿態(tài)、航向、航速、當(dāng)時負載情況下的操縱性能等信息；障礙物信息主要是其相對方位、距離。

2)確定安全通過距離［4］

在有障礙物的情況下，根據(jù)1)中提供的信息，確定安全通過距離。

3)判斷是否要采取避讓行動

這一步?jīng)Q定著此避碰過程是否需要繼續(xù)，也是避碰過程能否成功的關(guān)鍵。它需要綜合多種因素，確定碰撞危險度，判斷碰撞態(tài)勢，再根據(jù)避碰規(guī)則進行判斷。

4)確定避碰行動的方案

在需要避讓的情況下，根據(jù)當(dāng)時航行體的態(tài)勢，根據(jù)避碰規(guī)則及經(jīng)驗確定合理的避碰方案。

5)確定采取避碰行動的時機

在確定合理的避碰方案后，還需要確定最佳的行動時機。

6)復(fù)航

實施合理、有效的避碰方案以后，危險解除了，航行體可以繼續(xù)正常航行。對于自動避碰系統(tǒng)來說，又回到了第一步。

4 操縱鏈路故障情況下的控制策略

操縱鏈路出現(xiàn)故障情況，包括綜合控制系統(tǒng)的安全控制、無線數(shù)傳信道的安全控制兩個方面：

4.1 綜合控制系統(tǒng)控制臺的安全控制策略

半潛式航行器在研制過程中，搖桿操縱臺是必要操縱設(shè)備。但該設(shè)備對航行安全帶來了一些不良的影響，諸如桿量大小不易控制、操縱手容易誤操作、無安全機構(gòu)和既定狀態(tài)保持措施，操縱手在執(zhí)行操作過程中壓力大、易疲勞。采用座艙方式能提供良好的操縱環(huán)境和直觀的座艙顯示，操縱手通過坐姿桿式中位操縱器和自動航行操縱面板操縱航行器，并附加容錯設(shè)計和人機工程學(xué)設(shè)計［5］。

若不具備研制上述設(shè)備的條件，則建議研制輔助的自動航行操縱面板，將搖桿式操縱器增加若干切換開關(guān)，通過軟件設(shè)計使搖桿的全量操縱方式變成增量操縱方式，以實現(xiàn)自動航行模態(tài)的切換，并減緩過大的航行狀態(tài)遷移和實現(xiàn)操縱手自主操縱，也可從工作方式上避免操縱手的誤操作引發(fā)的航行事故。技術(shù)要點包括：

1)在長時間穩(wěn)定航行或自主航行模式下，搖桿或坐姿中位操縱臺設(shè)計有自主操縱模式。接通此模式后，航行器將維持接通前的航行狀態(tài)并保持航行，搖桿設(shè)備操縱信號自動切斷。再次的觸發(fā)該開關(guān)將進入帶限幅器的增量操縱方式。坐姿式中位操縱器則可采用有人座艙操縱機構(gòu)實現(xiàn)安全操縱。

2)自動航行操縱面板有一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮叫心B(tài)切換邏輯［6］，該切換邏輯進行了兼容性測試，并帶有自我保護功能。

3)操縱系統(tǒng)信號在發(fā)送前或接收后，通過加入合理的濾波和柔化環(huán)節(jié)［7］實現(xiàn)實時的壞點消除和操縱軟化兩個功能。其中實時壞點消除能盡量避免惡劣電磁環(huán)境下的不良信號干擾或軟件系統(tǒng)的錯誤，操縱軟化則能緩和操縱輸入信號，甚至可濾除那些引起PIO不良頻段操縱信號，并消除意外的或過大的、過快的操縱對航行體隱性的損傷。由于操縱信號的改良，執(zhí)行機構(gòu)信號舒緩柔和，而內(nèi)回路的反饋特性也將得到改善。這也是提高舵機壽命、減緩機件疲勞的一個重要技術(shù)手段。

4.2 無線數(shù)傳信道工作失常的安全控制策略

不管采用何種通訊方式，錯幀、漏幀甚至是無線信號完全中斷是不可避免的。當(dāng)無線數(shù)傳通信徹底失敗時，航行器的自動返航將是重要的自救手段。

在安裝了GPS系統(tǒng)的前提下，安全控制計算機可根據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)，通過航行控制計算機控制航行器自動返航，具體流程是：

1)安全控制計算機的航跡記錄功能記錄從出發(fā)點到事故點的航跡、航姿和航速。

2)無線數(shù)傳移動站自動檢測到故障，并發(fā)送設(shè)備故障狀態(tài)到安全控制計算機。

3)因來時航線是唯一可信航線，根據(jù)安全控制計算機記錄的GPS信息，啟動自動航線規(guī)劃功能，由安全控制計算機發(fā)送航行指令，航行器將沿來時航線返航。

4)在返航過程中，無線數(shù)傳系統(tǒng)不斷地發(fā)送查詢指令，如果恢復(fù)通信，則由綜合控制系統(tǒng)接管控制，安排下一步工作計劃。如果無線數(shù)傳系統(tǒng)一直無法正常工作，則在航行器靠近母船時，執(zhí)行回收作業(yè)，然后檢測無線數(shù)傳系統(tǒng)的故障。

5 硬件系統(tǒng)故障下的安全控制策略

由于半潛式航行器是無人的航行器，一旦硬件系統(tǒng)出現(xiàn)故障，包括傳感器失靈、系統(tǒng)死機或信號異常，都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的航行事故。出于成本和有效荷載的考慮，半潛式航行器大多沒有冗余設(shè)計［8］。一旦系統(tǒng)硬件失靈，包括航姿、航速和航向反饋失靈，安全控制計算機將無所適從，此時建議的安全控制策略是：

1)安裝復(fù)合式多冗余度傳感器系統(tǒng)；若無備份傳感器系統(tǒng)，則

2)安全控制計算機立即切斷相關(guān)傳感器通道，并及時實現(xiàn)軟件的故障隔離，防止污染計算機軟件系統(tǒng)。

3)若姿態(tài)傳感器失效，則安全控制計算機自動獲取故障前時刻傳感器狀態(tài)中的相關(guān)參數(shù)作為系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)。

4)若航行速度信號失靈，則采用加速度和姿態(tài)信息獲得近似的航行速度變化量，實施非精確的減速。視距范圍內(nèi)可由操縱手目視接管等措施。

5)一旦所有傳感器失效，或安全控制計算機故障隔離措施不當(dāng)而導(dǎo)致軟件系統(tǒng)遭受污染，安全控制計算機此時進入高度緊急狀態(tài)，自我保護程序啟動后努力使航行器接近穩(wěn)定狀態(tài)航行，并減速至懸停［9］狀態(tài)，發(fā)送GPS信息至母船，原地等待救援。

傳感器失效是一種常見的、對航行安全有重大影響的系統(tǒng)硬件故障，但仍有挽救的可能性。相比之下，航行控制計算機死機、內(nèi)部信號線松脫、執(zhí)行機構(gòu)卡死和電源失效對航行安全的影響更嚴(yán)重。

6 柴油機故障安全控制策略

柴油機是半潛式航行器動力裝置中最重要的機械設(shè)備［11］。由于柴油機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，發(fā)生故障的可能性極大，一旦發(fā)生故障，將會影響整個航行器的動力裝置工作，危及航行器的安全。此時建議的安全控制策略是：

1)首先將水平舵打至最大上攻角，維持原航行姿態(tài)和航向基本不變，此時航行器基本失去動力，航速會慢慢降低。

2)啟動浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用水箱調(diào)節(jié)航行器的重力，使航行器在完全失去動力時，能處于懸浮狀態(tài)。

3)當(dāng)航行器處于懸停狀態(tài)時，由GPS獲取自身的位置信息，并通過無線通信系統(tǒng)傳送給母船，原地等待救援。

7 結(jié)語

本文將影響半潛式航行器安全航行的主要因素作了歸納，總結(jié)了四種主要的故障類型，并根據(jù)半潛式航行器航行的特點，提出了一系列的安全自救措施，以及在航行控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的策略。

進一步的工作主要是將上述思路在產(chǎn)品上開展工程實現(xiàn)的工作，逐步實現(xiàn)內(nèi)置的自救控制模塊。

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