著艦引導系統“軟故障”研究初探

吳文海, 呂雪濤, 曲志剛, 王俊彥

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

著艦引導系統“軟故障”研究初探

吳文海1, 呂雪濤1, 曲志剛1, 王俊彥2

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

給出了著艦引導系統“軟故障”的定義,對其特點進行了深入的分析,并對著艦引導系統“軟故障”進行了分類,闡述了各種“軟故障”對著艦安全的影響,以及預防和解決“軟故障”的技術方法。最后預測了著艦引導系統“軟故障”的研究方向。

著艦引導系統; 飛行控制系統; 軟故障; 可靠性

引言

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

近100年來,激光、微波、雷達、GPS等技術先后應用于艦載機助降系統,使得艦載機發展出了多種獨特的著艦引導方式,目前正朝著更加自動化、智能化的方向發展。然而正是由于自動化、智能化技術的運用和推廣,使得著艦引導系統中潛藏著許多不易發現的隱患,這就是產生“軟故障”的根源。目前,國內外研究人員已經注意到這個問題,相關研究也逐步開始,涉及控制系統的重構、容錯控制技術、人的因素、環境因素及電磁干擾等方面。然而,“軟故障”作為一個新的研究方向,并未形成一套完整成熟的理論,其實際應用尚處于探索階段,因此還有許多理論探討與統一化的工作要做[1-6]。

1 著艦引導系統“軟故障”概述

1.1 “軟故障”的定義及其特點

通常所說的故障指設備或系統在使用過程中出現的不能按規定完成其任一項功能的狀態,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、設備損傷或者年久失修而導致的硬性故障,這類故障往往需要對設備進行外在修理維護,無法修復的就只能更換組件或報廢。所謂“軟故障”,即不同于因硬件損壞而導致的故障,其中包括誤操縱、計算機程序出錯以及傳輸中的非正常延遲等引起的不良后果,就著艦引導系統而言,是指在引導艦載機著艦過程中所發生的“軟”性故障。“軟故障”的產生如圖1所示。

圖1 “軟故障”的產生

“軟故障”與硬故障之間關系緊密,部件級“軟故障”可導致系統級硬故障。20世紀80年代初,美國導彈驅逐艦上的艦載直升機在盤旋著艦時,由于受艦上大功率天線的輻射使直升機的槳葉伺服機構失效而墜毀,導致艦上的設備和人員都有不同程度的損傷[7]。槳葉伺服機構失效就是典型的“軟故障”,它直接導致直升機的墜毀,出現硬故障。

“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生機理的不同而造成的,因而使“軟故障”在術語內涵、指標選擇、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。一般而言,“軟故障”具有以下特點:

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

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

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

(4)具有可重復性,某些“軟故障”的發生需要特定的條件,使其會在近似條件下重復出現。

隨著科學技術的發展,許多功能強大的元器件和先進控制技術相繼應用到著艦引導系統中。其中硬件的可靠度得到了很大改善,其發生“軟故障”的原因主要是由于受到航空母艦附近復雜電磁環境的干擾。這種“軟故障”具有明顯的暫時性和可重復性,而且長時間的硬件“軟故障”極易引發硬故障。

軟件作為控制系統的核心,它所產生的“軟故障”往往遵循這一規律:由于軟件的設計缺陷在一定條件下暴露,使得系統運行中出現可感知的不正常、不正確和不按規范執行的狀態(錯誤),導致系統的輸出不滿足預定的要求(軟故障),即:缺陷→錯誤→軟故障。可見,這種“軟故障”具有以下性質:

(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現和更改,而且這種潛伏不像硬件會隨著時間的推移而“耗損”,它是牢靠的、無耗損的潛伏。

(2)敏感性：由軟件的運行環境決定。軟件的使用離不開適當的運行環境,這種運行環境一般都容易受到外界的干擾,從而引發“軟故障”。

(3)延續性：由數據處理的連續性決定。任一軟件出現故障將使得信息處理中斷或出錯,出錯的數據進入下一層次的處理后將使后面的運算處理繼續出錯,直到輸出后執行錯誤的操縱。

1.2 “軟故障”的類型

著艦引導系統包括機載和艦載兩大部分,如圖2所示。根據不同的劃分標準,“軟故障”的類型也不盡相同。

圖2 著艦引導系統結構圖

(1)按照發生場所的不同,可以分為:機載系統“軟故障”、艦載系統“軟故障”和機艦通信“軟故障”。

機載系統“軟故障”指飛行控制系統的軟故障,如飛控計算機軟故障(運行過程中出現的程序錯誤、不正常中斷)、系統狀態“軟故障”(系統狀態變化、參數變化)和傳感器“軟故障”(增益變化、恒偏差失效)等。機載導航設備“軟故障”源于外界因素的干擾,具有暫時性特點;人的因素導致的“軟故障”源于駕駛員主體的技能差錯、決策差錯及感覺差錯,其中有習慣性的也有偶然性的。機載系統“軟故障”會對飛機的操縱和飛行軌跡產生影響,從而影響著艦安全。

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

對于機艦通信“軟故障”,顧名思義,是指從著艦準備階段到觸艦的整個過程中,機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”會使得機艦之間的聯系中斷或延遲,如果發生在著艦下滑階段,將是異常危險的。

(2)按照產生原因的不同,可以分為:設計“軟故障”和誘導“軟故障”。

設計“軟故障”,即由于技術不夠成熟或系統設計之初的缺陷而造成的軟性故障,其特點是會隨著技術的改進與發展而減少,甚至消失。

誘導“軟故障”,即由外在的因素而誘發的“軟故障”,比如,由于電磁干擾而導致狀態參數的變化、數據傳輸的中斷、飛行員操作不當而導致飛行軌跡的偏離等。

(3)按照發生主體的不同,可分為:設備“軟故障”和傳輸“軟故障”。

設備“軟故障”是對設備的主體而言的,比如飛行控制計算機及各種類型的顯控裝置所發生的“軟故障”,這種“軟故障”可能直接使該設備暫時失靈。

傳輸“軟故障”,即發生在數據傳輸過程中的、包括設備內部的和設備之間的傳輸。

雖然著艦引導系統“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,它們的關系如圖3所示。

圖3 著艦引導系統“軟故障”之間的關系

1.3 “軟故障”的防范方法

由“軟故障”的特點可以看出,“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與方法。

余度技術:余度技術是系統或設備獲得高可靠性、高安全性和高生存能力的設計方法之一。這種技術主要用于對可靠性要求較高的系統或設備,它并非解決了“軟故障”,而只是利用備份系統或設備的完整性代替產生“軟故障”的系統或設備,從而保證整個大系統功能的完好。它有一個明顯的缺點,就是余度的增加會使系統或設備的復雜性、重量和體積隨之大大增加[8]。

容錯技術:容錯技術是指系統對故障的容忍技術,也就是處于工作狀態的系統中一個或多個關鍵部分發生故障或差錯時,系統能夠自動檢測和診斷,并能采取相應的措施保證維持其規定功能或維持其功能在可接受范圍內的技術。容錯技術在飛行控制領域的應用已經逐步發展成容錯飛行控制這樣一門學科,它在故障檢測與隔離技術、控制律重構技術、自主式維修診斷技術以及駕駛員主動告警技術等方面已經取得了突破性的進展,為飛行控制系統“軟故障”的發現與解決提供了重要的技術支持,為著艦過程中機載系統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果偏離了規定的目標,并產生或導致了潛在的不良影響的過程,即由于人為因素而導致的失誤[10]。“軟故障”中人的因素最為主觀、最為復雜，也最為模糊,往往成為現代航空領域中飛行安全的決定性因素。為了分析人的因素對飛行安全的影響,近年來出現了各種人的失誤框架,主要揭示了六種人的失誤觀點:認知的觀點、工效的觀點、行為的觀點、航空醫學的觀點、社會心理的觀點和組織的觀點。Douglas A Wiegmann和Scott A Shappell對上述觀點研究分析后提出了人的因素分析與分類系統(HFACS)模型[11],HFACS將人的因素分為四個層次,即不安全行為、不安全行為的前提條件、不安全監督和組織影響。另一種方法是維護差錯輔助判定(Maintenance Error Decision Aid, MEDA)[12],與HFACS稍有不同的是,MEDA最初是一個嚴格的結構差錯調查過程,用于尋找導致事故的貢獻因子,其基本原理是人不會故意犯錯,錯誤常常是在人們試圖做正確的事情時發生的,它主要通過與差錯相關的維護人員進行交談來實施差錯調查。這兩種方法都很好地整合了導致人的失誤的諸多因素,對分析人的因素導致的“軟故障”和飛行事故有很好的效果,為相關人員進行有針對性的訓練以減少人的因素帶來的“軟故障”有很大幫助。

上述技術或方法對于著艦引導系統中“軟故障”的分析和解決有著重要的借鑒作用,余度技術在機載系統中的應用已經日趨成熟,容錯技術的研究也正在逐步深入，而對于人的因素方面的研究,國外起步較早且已經開始應用于航空事故的分析方面,國內則尚處于起始階段。

2 對“軟故障”研究的展望

隨著艦載機及助降設備智能化程度的提高,對其“軟故障”的研究顯得愈加迫切。今后在以下幾個方面將會重點研究:

(1)飛行控制系統的“軟故障”預警與防范研究。飛控系統作為艦載機和著艦引導系統的核心部分,它的可靠性關系到艦載機的飛行性能和著艦安全。因此,飛控系統控制律的容錯設計與自修正技術的應用都將是未來飛控系統的主旋律。

(2)艦上復雜電磁環境對引導系統的威脅。這些威脅來源包括高頻(HF)發射天線產生的電磁場、電子戰系統輻射場、對空搜索雷達與航空管制雷達之間的波瓣耦合。這些干擾會降低雷達系統的精度,并會對艦載機的自動著艦系統產生干擾,直接影響著誘導“軟故障”的發生頻率。因此,如何做好艦載機電磁安全研究就變得異常重要。

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

著艦引導系統“軟故障”防范研究本質上是對其可靠性研究的一部分,對其解決方法的研究又要求在故障診斷技術中進行“軟故障”識別與檢測研究。

3 結束語

著艦引導系統作為引導艦載機著艦的關鍵所在,其技術日漸成熟,但是潛在的隱患并未減少,所以對其“軟故障”的研究勢在必行。“軟故障”作為一門新興的研究課題,未來不僅將是著艦引導系統安全性研究的重點,同樣也會成為其它高可靠性要求行業的研究方向。

[1] 鷗汛.航母艦載機著艦助降裝置[J].現代艦船,2005,(8A):44-47.

[2] 徐產興.艦載機著艦引導雷達系統[J].現代艦船,2003,(4):34-35.

[3] 海軍裝備部飛機辦公室,中國航空工業發展研究中心.國外艦載機技術發展[M].北京:航空工業出版社,2008:47-62.

[4] Roger W Pratt.Flight control systems practical issues in design and implementation[M].American:The Institution of Electrical Engineers,2000:119-189.

[5] Merrill F King Jr.A reliability centered maintenance analysis of aircraft control bearings used in the navy’s S-3 aircraft[D].Monterey,California:Naval Postgraduate School,1998.

[6] 施亮.各擾動對艦載機著艦過程的影響分析[J].計算機仿真,2009,26(12):46-48.

[7] 潘涵,宋東安,邢芳,等.國外艦載機電磁安全性研究[J].艦船科學技術,2009,31(3):150-153.

[8] 陸廷孝,鄭鵬洲.可靠性設計與分析[M].北京:國防工業出版社,2002:302-320.

[9] 楊偉,章衛國,楊朝旭,等.容錯飛行控制系統[M].西安:西北工業大學出版社,2007:3-27.

[10] 徐亨成,陳璞,馮春曉.航空維修人因失誤分析及控制[J].航空維修與工程,2005,(3):24-26.

[11] Douglas A Wiegmann,Scott A Shappell.飛行事故人的失誤分析:人的因素分析與分類系統[M].馬銳,譯.北京:中國民航出版社,2006:18-61.

[12] 王永剛,吳潘根.民航安全中人的因素研究方法綜述[J].中國安全科學學報,2010,20(1):84-89.

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,博士生導師，博士，主要研究方向為精確制導與飛行控制。

V249; V271.492

A

1002-0853(2012)01-0001-04

(編輯：姚妙慧)