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、續航能力強等優點。但是在擁有諸多優點的同時，也決定了半潛式航行器的系統要比其他無人水中平臺復雜得多，因此也就更容易出現安全問題。

半潛式航行器本身是十分復雜的系統，一旦在工作中出現故障，輕則影響任務完成，重則導致半潛式航行器沉沒丟失，造成政治、技術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，及時發現安全問題，給出故障信息，并確定故障的部位、類型和嚴重程度，給出相應的控制和處理方案，削弱、補償和消除故障，以保證設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為代價來保證設備繼續完成其規定的功能。對半潛式航行器進行安全控制策略研究，保證及時準確地發現并解決安全問題，對于提高其自身的安全，具有現實意義。

本文從航行控制系統設計的角度出發，在闡述典型半潛式航行器航行控制系統主體框架的基礎上，初步研究了半潛式航行器控制系統的安全控制策略。本文所闡述的安全控制不僅是指硬件和軟件的安全設計考慮，如硬件冗余和軟件代碼的安全設計等，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設計中，期望通過內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安全設計概要

圖1是典型半潛式航行器控制系統組成：

將系統的故障種類歸納為如下幾類：

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

2)無線數傳信道中斷、信號被干擾以及綜合控制系統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、無線數傳信道出錯、異常指令等等。航行安全威脅等級設定為中高。

圖1 典型半潛式航行器控制系統

3)系統硬件故障，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概率不高，但在研制期間是頻繁出現的。這類故障一旦處理不當必將引起重大事故。故航行安全威脅等級設定為極高。

4)柴油機故障［1］，或燃油耗盡，甚至是柴油機起火，將導致航行器失去動力，甚至出現極其重大的險情。此時若航行體其他系統可正常工作，則可以通過無線數傳系統向綜合控制系統傳輸自身的GPS信息，原地等待救援。設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、實施避碰方案并準備復航六個部分組成［2］，各個部分之間關系如圖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，也是后續避碰決策的基礎，避碰信息［3］包括環境信息、航行體信息和障礙物信息三部分。環境信息主要指航行水域、風、流、浪等方面的信息；航行體信息包括航行體姿態、航向、航速、當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

這一步決定著此避碰過程是否需要繼續，也是避碰過程能否成功的關鍵。它需要綜合多種因素，確定碰撞危險度，判斷碰撞態勢，再根據避碰規則進行判斷。

4)確定避碰行動的方案

在需要避讓的情況下，根據當時航行體的態勢，根據避碰規則及經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，航行體可以繼續正常航行。對于自動避碰系統來說，又回到了第一步。

4 操縱鏈路故障情況下的控制策略

操縱鏈路出現故障情況，包括綜合控制系統的安全控制、無線數傳信道的安全控制兩個方面：

4.1 綜合控制系統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備。但該設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、無安全機構和既定狀態保持措施，操縱手在執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，并附加容錯設計和人機工程學設計［5］。

若不具備研制上述設備的條件，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，通過軟件設計使搖桿的全量操縱方式變成增量操縱方式，以實現自動航行模態的切換，并減緩過大的航行狀態遷移和實現操縱手自主操縱，也可從工作方式上避免操縱手的誤操作引發的航行事故。技術要點包括：

1)在長時間穩定航行或自主航行模式下，搖桿或坐姿中位操縱臺設計有自主操縱模式。接通此模式后，航行器將維持接通前的航行狀態并保持航行，搖桿設備操縱信號自動切斷。再次的觸發該開關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實現安全操縱。

2)自動航行操縱面板有一套嚴謹的航行模態切換邏輯［6］，該切換邏輯進行了兼容性測試，并帶有自我保護功能。

3)操縱系統信號在發送前或接收后，通過加入合理的濾波和柔化環節［7］實現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境下的不良信號干擾或軟件系統的錯誤，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，執行機構信號舒緩柔和，而內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手段。

4.2 無線數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。當無線數傳通信徹底失敗時，航行器的自動返航將是重要的自救手段。

在安裝了GPS系統的前提下，安全控制計算機可根據導航數據，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點到事故點的航跡、航姿和航速。

2)無線數傳移動站自動檢測到故障，并發送設備故障狀態到安全控制計算機。

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

4)在返航過程中，無線數傳系統不斷地發送查詢指令，如果恢復通信，則由綜合控制系統接管控制，安排下一步工作計劃。如果無線數傳系統一直無法正常工作，則在航行器靠近母船時，執行回收作業，然后檢測無線數傳系統的故障。

5 硬件系統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，一旦硬件系統出現故障，包括傳感器失靈、系統死機或信號異常，都可能導致嚴重的航行事故。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計［8］。一旦系統硬件失靈，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)安裝復合式多冗余度傳感器系統；若無備份傳感器系統，則

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

3)若姿態傳感器失效，則安全控制計算機自動獲取故障前時刻傳感器狀態中的相關參數作為系統目標參數。

4)若航行速度信號失靈，則采用加速度和姿態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而導致軟件系統遭受污染，安全控制計算機此時進入高度緊急狀態，自我保護程序啟動后努力使航行器接近穩定狀態航行，并減速至懸停［9］狀態，發送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、內部信號線松脫、執行機構卡死和電源失效對航行安全的影響更嚴重。

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備［11］。由于柴油機結構復雜，工作條件惡劣，發生故障的可能性極大，一旦發生故障，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)啟動浮力調節系統，利用水箱調節航行器的重力，使航行器在完全失去動力時，能處于懸浮狀態。

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

7 結語

本文將影響半潛式航行器安全航行的主要因素作了歸納，總結了四種主要的故障類型，并根據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中實現的策略。

進一步的工作主要是將上述思路在產品上開展工程實現的工作，逐步實現內置的自救控制模塊。

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