UUV應(yīng)急處理策略構(gòu)建推理研究

張寶貴，周 俊

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水下無人航行器（underwater unmanned vehicle，UUV）由于其隱蔽性、智能性和經(jīng)濟性等諸多優(yōu)點，在科研試驗、海底勘察和水下無人作戰(zhàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到高度重視，推動了UUV的快速發(fā)展[1]。UUV作為無人平臺，考慮其任務(wù)執(zhí)行的安全性、延續(xù)性和時效性，系統(tǒng)應(yīng)急處理能力的優(yōu)略是衡量UUV的綜合性能關(guān)鍵要素[2-4]。目前，國內(nèi)對UUV的工程化研究比較深入的僅限少數(shù)幾家研制單位，大多數(shù)UUV的應(yīng)急處理策略比較簡單。本文將UUV應(yīng)急處理決策關(guān)聯(lián)UUV系統(tǒng)故障測試及診斷，利用故障模式分析，結(jié)合領(lǐng)域?qū)I(yè)推理和診斷是決定UUV應(yīng)急處理決策的有效方法，這種方法在航天領(lǐng)域有比較成熟的應(yīng)用[5-6]。

1 UUV應(yīng)急處理策略概述

UUV應(yīng)急處理策略與 UUV用途和任務(wù)緊密關(guān)聯(lián)，UUV執(zhí)行不同任務(wù)時響應(yīng)不同的應(yīng)急策略。UUV應(yīng)急處理策略構(gòu)建一般包含應(yīng)急情況確定、應(yīng)急等級劃分、應(yīng)急情況判斷及應(yīng)急處理響應(yīng)等內(nèi)容。

1.1 應(yīng)急情況確定

UUV的任務(wù)流程主要包括布放，自主航行，執(zhí)行任務(wù)，回收等主要環(huán)節(jié)。在整個任務(wù)流程中，各環(huán)節(jié)均可能出現(xiàn)各種類型的應(yīng)急情況。因此，UUV應(yīng)急處理策略的構(gòu)建基礎(chǔ)是系統(tǒng)應(yīng)急情況確定，系統(tǒng)應(yīng)急情況一般結(jié)合UUV任務(wù)流程和UUV故障模式綜合分析來確定。

1.2 應(yīng)急情況等級劃分

不同的UUV應(yīng)急情況對UUV任務(wù)最終完成有不同程度影響。在應(yīng)急處理策略構(gòu)建時，需要梳理UUV任務(wù)流程確定UUV應(yīng)急等級。UUV應(yīng)急等級劃分基本原則是按影響UUV最終任務(wù)完成情況的嚴重程度，由高到低確定，其中1級最高，1級應(yīng)急情況將導(dǎo)致任務(wù)終止。其他應(yīng)急情況可根據(jù)影響任務(wù)完成情況后果程度酌情確認。

1.3 應(yīng)急情況判斷

UUV應(yīng)急處理策略中比較關(guān)鍵的內(nèi)容是應(yīng)急情況判斷，一套比較完善的UUV應(yīng)急情況判斷體系需結(jié)合UUV系統(tǒng)狀態(tài)測試以及UUV故障診斷。UUV系統(tǒng)狀態(tài)測試除了對 UUV系統(tǒng)自身功能部件的功能性能測試外，還應(yīng)包含UUV對外部關(guān)鍵因素的測試，如深度、高度等測試信息。UUV故障診斷主要是結(jié)合故障模式、系統(tǒng)狀態(tài)測試和故障影響建立故障診斷方案。

1.4 應(yīng)急處理響應(yīng)

目前，大多數(shù)UUV的應(yīng)急處理響應(yīng)主要集中在安全應(yīng)急措施上，對于應(yīng)急情況處理邏輯框架的研究相對較弱。UUV應(yīng)急處理邏輯框架需綜合應(yīng)急響應(yīng)部件的功能特性、故障診斷和應(yīng)急情況等級等方面的信息后系統(tǒng)搭建。其中，當UUV同時檢測到多個應(yīng)急情況且有沖突時，按優(yōu)先級別高的應(yīng)急情況對應(yīng)的措施進行處理。

2 分布式UUV應(yīng)急處理策略系統(tǒng)構(gòu)架

UUV應(yīng)急處理策略推理技術(shù)是綜合 UUV系統(tǒng)狀態(tài)測試、故障測試診斷以及應(yīng)急處理響應(yīng)等多方面的系統(tǒng)工程。UUV作為無人系統(tǒng)，海量測試信息是實現(xiàn)推理診斷精確性和應(yīng)急處理有效性的前提條件，但海量測試信息的處理分析和診斷會影響故障診斷實時性，因此，構(gòu)建合理的推理診斷系統(tǒng)構(gòu)架，分層分級處理測試任務(wù)和測試信息[8]，才能實現(xiàn)推理診斷的精確性和應(yīng)急處理的實時性。

UUV系統(tǒng)集成度高，功能部件間的關(guān)聯(lián)較多，故障模式復(fù)雜，測試信息豐富，這對提高推理的精度有較大的幫助，但大量的數(shù)據(jù)解析和邏輯推理運算降低了系統(tǒng)的時效性。若采用集中式診斷系統(tǒng)，很難實時有效地處理海量測試信息，而分布式診斷系統(tǒng)構(gòu)架可實現(xiàn)測試信息的分級處理，從組件到子系統(tǒng)進而到系統(tǒng)，由下至上逐級診斷處理，既保證了測試信息的精確處理，又確保了診斷決策和處理的快速性和實時性。

圖1為通用UUV診斷系統(tǒng)構(gòu)架，各功能組件為底層測試點，部分組件具備一定的BIT功能，所有測試點的測試信息通過總線傳輸至各分系統(tǒng)故障診斷模塊，分系統(tǒng)故障診斷模塊根據(jù)任務(wù)和功能要求對測試信息進行篩選和處理，并將結(jié)果傳輸至故障診斷決策系統(tǒng)，故障診斷決策系統(tǒng)負責子系統(tǒng)故障診斷協(xié)同、分配和信息融合，提供決策信息，進而采取相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

圖1 UUV診斷系統(tǒng)構(gòu)架圖Fig.1 Architecture of UUV diagnostic system

分布式UUV診斷系統(tǒng)將故障測試診斷分級分配，避免故障診斷決策系統(tǒng)因復(fù)雜故障信息處理過量造成決策滯后，應(yīng)急處理不及時引起嚴重后果，又確保了應(yīng)對復(fù)雜故障時測試信息的完整性，提高了UUV系統(tǒng)故障診斷及應(yīng)急處理能力。

3 UUV分級應(yīng)急處理推理策略

UUV應(yīng)急處理程序一般根據(jù) UUV的使命任務(wù)和功能來劃分，與UUV的故障模式息息相關(guān)，故障的嚴重程度直接決定UUV任務(wù)的完成情況。根據(jù) UUV使命任務(wù)，將 UUV的故障模式分為 2類：一是嚴重故障，該類故障的發(fā)生可直接導(dǎo)致UUV任務(wù)終止；二是其他故障，該類故障發(fā)生時，會導(dǎo)致相關(guān)功能件功能異常，但不影響UUV最終任務(wù)的完成。結(jié)合UUV故障模式，同時避免集中式處理帶來的資源利用率分布不均造成的時效性問題，將UUV應(yīng)急處理策略劃分為3個等級，由高到低分別為核心功能故障導(dǎo)致無法完成基本任務(wù)、由于外界原因?qū)е聼o法完成基本任務(wù)和可完成基本任務(wù)但失去部分功能3個等級。

1）第 I級：核心功能故障導(dǎo)致無法完成基本任務(wù)。

當UUV核心部件出現(xiàn)功能性故障無法自恢復(fù)時，將會導(dǎo)致UUV無法繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)任務(wù)，這類故障歸為I級應(yīng)急響應(yīng)故障現(xiàn)象，UUV優(yōu)先響應(yīng)I級應(yīng)急處理程序。

2）第II級：由于外界測試問題導(dǎo)致無法完成基本任務(wù)。

UUV自身無故障出現(xiàn)，到其測試點測試的外界因素異常導(dǎo)致 UUV無法繼續(xù)有效執(zhí)行后續(xù)任務(wù)，這類異常歸為II級響應(yīng)異?，F(xiàn)象，UUV響應(yīng)完I級應(yīng)急處理程序，處理II級應(yīng)急響應(yīng)程序或者無I級應(yīng)急處理程序需響應(yīng)時優(yōu)先處理II應(yīng)急處理程序。

3）第III級：可完成基本任務(wù)但失去部分功能。

UUV出現(xiàn)故障，但不影響 UUV基本任務(wù)執(zhí)行。針對這類故障，UUV對應(yīng)故障測試點和響應(yīng)的功能進行相應(yīng)處理，前提是保證基本任務(wù)的執(zhí)行。III級響應(yīng)故障的響應(yīng)等級最低。

根據(jù)UUV應(yīng)急響應(yīng)等級，由高到低進行深度推理，I級應(yīng)急響應(yīng)對應(yīng)故障單元規(guī)模小，推理效率高，可快速準確定位，相對而言III級應(yīng)急響應(yīng)對應(yīng)故障單元規(guī)模大，推理時間長，同時會出現(xiàn)一定的不確定性。

4 應(yīng)急處理推理策略

針對各級應(yīng)急處理策略，采取面向應(yīng)急處理策略對應(yīng)故障的深度推理，基于UUV故障模式分析，建立UUV故障與應(yīng)急處理策略相對應(yīng)的應(yīng)急處理數(shù)據(jù)庫，結(jié)合推理方式[7]和UUV應(yīng)急處理特點進行由高到低的反向推理策略，對同級別應(yīng)急處理策略進行遍歷符合性推理，推理示意圖如圖2。

圖2 應(yīng)急處理推理策略示意圖Fig.2 Schematic diagram of emergency treatment reasoning strategy

當出現(xiàn)單一故障時，分系統(tǒng)分級進行預(yù)先處理，系統(tǒng)級故障決斷按照遍歷推理，可保證推理診斷過程的精確性。當某一故障模式的結(jié)論作為其他故障模式的約束條件時，存在遍歷推理無法匹配的可能性。針對這一問題，需要進一步進行深度推理，推理原則如下：

1）建立故障庫，遍歷所有故障模式，當該故障模式不以其他故障模式結(jié)論為約束條件或該條件已獲得，則匹配該故障模式，匹配成功，響應(yīng)對應(yīng)處理流程，若不成功，匹配下一個故障模式。

2）當該故障模式以其他故障模式結(jié)論為約束條件，且該條件未獲得，則該故障模式應(yīng)納入下一次遍歷的故障庫中，然后退出并匹配下一個故障模式。

通過針對單一故障和復(fù)合故障的反向推理和深度推理相結(jié)合，建立包含故障與應(yīng)急處理策略相對應(yīng)的應(yīng)急處理數(shù)據(jù)庫，可滿足推理的遍歷性要求，同時也保證推理過程精確性和嚴密性。

以某通用型UUV開展的應(yīng)急處理系統(tǒng)測試為例，21個組件，建立68個故障模式，160個應(yīng)急處理流程，采用半實物仿真結(jié)合實航的方式進行測試，部分測試結(jié)果如表1。

表1 UUV應(yīng)急處理策略測試情況表Table 1 Test table of UUV emergency treatment strategy

從測試結(jié)果來看，應(yīng)急處理策略推理正常，結(jié)論正確。

5 結(jié)束語

本文通過對 UUV應(yīng)急處理策略推理技術(shù)的研究，建立了分布式應(yīng)急處理策略構(gòu)建，實現(xiàn)快速故障診斷和應(yīng)急響應(yīng)。通過基于故障模式的反向推理和深度推理，利用故障分級診斷的推理策略，實現(xiàn)針對不同故障采取響應(yīng)應(yīng)急流程，并通過半實物仿真和實航測試，驗證了UUV應(yīng)急策略的正確性，提高了水下無人航行器任務(wù)執(zhí)行的安全性和時效性。