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)等領域的應用受到高度重視，推動了UUV的快速發(fā)展[1]。UUV作為無人平臺，考慮其任務執(zhí)行的安全性、延續(xù)性和時效性，系統(tǒng)應急處理能力的優(yōu)略是衡量UUV的綜合性能關鍵要素[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的應急處理策略比較簡單。本文將UUV應急處理決策關聯(lián)UUV系統(tǒng)故障測試及診斷，利用故障模式分析，結合領域?qū)I(yè)推理和診斷是決定UUV應急處理決策的有效方法，這種方法在航天領域有比較成熟的應用[5-6]。

1 UUV應急處理策略概述

UUV應急處理策略與 UUV用途和任務緊密關聯(lián)，UUV執(zhí)行不同任務時響應不同的應急策略。UUV應急處理策略構建一般包含應急情況確定、應急等級劃分、應急情況判斷及應急處理響應等內(nèi)容。

1.1 應急情況確定

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

1.2 應急情況等級劃分

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

1.3 應急情況判斷

UUV應急處理策略中比較關鍵的內(nèi)容是應急情況判斷，一套比較完善的UUV應急情況判斷體系需結合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，還應包含UUV對外部關鍵因素的測試，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 應急處理響應

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

2 分布式UUV應急處理策略系統(tǒng)構架

UUV應急處理策略推理技術是綜合 UUV系統(tǒng)狀態(tài)測試、故障測試診斷以及應急處理響應等多方面的系統(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，構建合理的推理診斷系統(tǒng)構架，分層分級處理測試任務和測試信息[8]，才能實現(xiàn)推理診斷的精確性和應急處理的實時性。

UUV系統(tǒng)集成度高，功能部件間的關聯(lián)較多，故障模式復雜，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)任務和功能要求對測試信息進行篩選和處理，并將結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，進而采取相應的應急處理措施。

圖1 UUV診斷系統(tǒng)構架圖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)因復雜故障信息處理過量造成決策滯后，應急處理不及時引起嚴重后果，又確保了應對復雜故障時測試信息的完整性，提高了UUV系統(tǒng)故障診斷及應急處理能力。

3 UUV分級應急處理推理策略

UUV應急處理程序一般根據(jù) UUV的使命任務和功能來劃分，與UUV的故障模式息息相關，故障的嚴重程度直接決定UUV任務的完成情況。根據(jù) UUV使命任務，將 UUV的故障模式分為 2類：一是嚴重故障，該類故障的發(fā)生可直接導致UUV任務終止；二是其他故障，該類故障發(fā)生時，會導致相關功能件功能異常，但不影響UUV最終任務的完成。結合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致無法完成基本任務、由于外界原因?qū)е聼o法完成基本任務和可完成基本任務但失去部分功能3個等級。

1）第 I級：核心功能故障導致無法完成基本任務。

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

2）第II級：由于外界測試問題導致無法完成基本任務。

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

3）第III級：可完成基本任務但失去部分功能。

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

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

4 應急處理推理策略

針對各級應急處理策略，采取面向應急處理策略對應故障的深度推理，基于UUV故障模式分析，建立UUV故障與應急處理策略相對應的應急處理數(shù)據(jù)庫，結合推理方式[7]和UUV應急處理特點進行由高到低的反向推理策略，對同級別應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，響應對應處理流程，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論為約束條件，且該條件未獲得，則該故障模式應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合故障的反向推理和深度推理相結合，建立包含故障與應急處理策略相對應的應急處理數(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個應急處理流程，采用半實物仿真結合實航的方式進行測試，部分測試結果如表1。

表1 UUV應急處理策略測試情況表Table 1 Test table of UUV emergency treatment strategy

從測試結果來看，應急處理策略推理正常，結論正確。

5 結束語

本文通過對 UUV應急處理策略推理技術的研究，建立了分布式應急處理策略構建，實現(xiàn)快速故障診斷和應急響應。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應急流程，并通過半實物仿真和實航測試，驗證了UUV應急策略的正確性，提高了水下無人航行器任務執(zhí)行的安全性和時效性。