喻濟(jì)兵 珺王

（1. 中國人民解放軍海軍駐九江軍事代表室，九江 332000；2. 海軍標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所，上海 200235）

艦船操縱控制系統(tǒng)是一個(gè)極其重要的控制系統(tǒng)，其性能直接影響著艦船航行的安全性、操縱性和經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)的發(fā)展受到了世界各國海軍和工業(yè)部門的高度重視，在系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和裝備研制方面，美國的利頓、加拿大的CAE、俄羅斯的ABPOPA以及意大利的FiatAvio公司等取得了卓有成效的工作，并且大量裝備在美、俄、德、法等技術(shù)先進(jìn)國家的各型水面艦船和潛艇上得到了廣泛應(yīng)用，提高了艦船操縱控制品質(zhì)和安全可靠性，國內(nèi)艦船操縱技術(shù)也一直受到相關(guān)科研院所的重視，特別是潛艇操縱控制系統(tǒng)，已從過去的單機(jī)、單控狀態(tài)向集中、聯(lián)合、全自動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)信息化方向轉(zhuǎn)變。

1 艦船操縱控制系統(tǒng)的研制內(nèi)容

艦船操縱控制系統(tǒng)的研制內(nèi)容比較廣泛，從廣義上講與艦船運(yùn)動(dòng)有關(guān)的檢測(cè)、控制、操縱及執(zhí)行的系統(tǒng)和設(shè)備，都是該系統(tǒng)的研制內(nèi)容[1]。按照《GJB4000-2000艦船通用規(guī)范》對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)容分類的編排，有以下幾類系統(tǒng)和裝置，如操舵裝置、舵、潛艇均衡系統(tǒng)、潛浮系統(tǒng)、減搖系統(tǒng)、側(cè)向推進(jìn)裝置、綜合控制系統(tǒng)等。隨著新研艦船技術(shù)和工藝的進(jìn)步以及戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的提高，特別是信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得人們不斷積極探索和全力實(shí)現(xiàn)艦船航行及操縱控制技術(shù)的現(xiàn)代化，以適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)條件下局部國防的需要，確保艦船在特殊的氣候、海情條件下均能實(shí)現(xiàn)安全可靠航行，有效進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)，提高裝備的攻防能力。

2 艦船操縱控制技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 操舵、均衡、潛浮集中控制系統(tǒng)

潛艇操縱控制系統(tǒng)是潛艇實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、集中操縱控制的基礎(chǔ)。集中控制操舵儀將“車”、“舵”、“均衡”、“補(bǔ)重”、“側(cè)推”、“輔推”等操艇手段集中起來，進(jìn)行統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)操舵控制、均衡控制以及主推進(jìn)控制、側(cè)推或輔助推進(jìn)控制、補(bǔ)重控制等構(gòu)成；潛浮系統(tǒng)是潛艇操縱控制系統(tǒng)的重要組成部分，它由下潛分系統(tǒng)、高壓吹除分系統(tǒng)和低壓吹除分系統(tǒng)組成，其功能是在潛浮控制臺(tái)控制信號(hào)的作用下，使?jié)撏в伤涎埠綘顟B(tài)下潛至水下狀態(tài)，或者由水下狀態(tài)上浮至水上巡航狀態(tài)，以滿足潛艇操縱性的要求。

2.2 航跡、航向、操舵控制系統(tǒng)

為滿足水面艦艇適應(yīng)在寬海域、高海情、遠(yuǎn)距離的情況下實(shí)現(xiàn)安全、可靠地長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)航行、作戰(zhàn)、訓(xùn)練的需要，必須對(duì)水面艦艇實(shí)現(xiàn)航跡、航向自動(dòng)操舵控制。在航向航行方式時(shí)，根據(jù)航向指令進(jìn)行航向自動(dòng)控制，輸出操舵指令控制舵機(jī)，使艦船自動(dòng)定向航行；在航跡控制方式時(shí)，根據(jù)航行計(jì)劃和艦位信息進(jìn)行航跡控制計(jì)算，使艦船按計(jì)劃航線自動(dòng)航行；具有自動(dòng)、隨動(dòng)、簡(jiǎn)易和液壓手操等工作方式及航行、駕控綜合信息顯示，故障聲、光報(bào)警等功能及相應(yīng)的信息接口，該控制系統(tǒng)適用于水面艦船。

2.3 智能化艦船運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)儀

艦船是武器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，為保障武器和艦載機(jī)的使用要求，必須對(duì)艦船的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行精確測(cè)控。目前使用的檢測(cè)儀有：基于電磁感應(yīng)和多普勒效應(yīng)的艦船用計(jì)程儀、加速度計(jì)、電子深度計(jì)、數(shù)字式傾角儀、舵角儀，及潛用集成式深度、縱（橫）傾檢測(cè)儀等。這類艦船運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)檢測(cè)儀的共同特點(diǎn)是：精度高、智能化、結(jié)構(gòu)緊湊，具有CAN總線、數(shù)字、模擬量信息接口。

2.4 電液比例控制閥

艦船操縱控制技術(shù)的另一個(gè)重要方面就是液壓傳動(dòng)與控制，目前的產(chǎn)品有電液轉(zhuǎn)換器、分配器、控制器、伺服機(jī)構(gòu)、換向閥、比例閥等。特別是操舵用電液比例控制閥，是一個(gè)多功能操舵組合閥，采用集成式結(jié)構(gòu)，由閥本體、功率級(jí)閥芯閥套、隨動(dòng)比例先導(dǎo)閥、自動(dòng)比例先導(dǎo)閥、轉(zhuǎn)換電磁閥、反饋裝置、閥芯位移指示組件、減壓閥、節(jié)流閥、手操機(jī)構(gòu)等組成，接收來自自動(dòng)操舵儀的控制信號(hào)，操縱舵機(jī)油缸打舵，從而保持或改變艦（艇）的航向與深度。

3 艦船操縱控制技術(shù)與裝備的特點(diǎn)分析

艦船操縱控制技術(shù)與裝備廣義上可理解為：

人員、設(shè)備和任務(wù)的有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所要求的全部功能。操縱控制技術(shù)及其裝備對(duì)水面艦艇（特別是潛艇）和艦（艇）員的安全性密切相關(guān)。以潛艇操縱控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)通過對(duì)潛艇的“車”、“舵”、“水”（調(diào)整水艙、主壓載水艙、導(dǎo)彈補(bǔ)重水艙）的綜合協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)潛艇的水上、水下航行工況轉(zhuǎn)換和航速、航向、潛深、縱傾、橫移以及浮力均衡和縱傾平衡的控制。它是一個(gè)多輸入、多輸出綜合控制系統(tǒng)，其基本功能是平時(shí)保證潛艇安全航行完成巡航和訓(xùn)練任務(wù)。戰(zhàn)時(shí)要保證潛艇的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及潛深的穩(wěn)定，以保障武器系統(tǒng)的打擊精度；在潛艇自身出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)要利用操縱系統(tǒng)進(jìn)行抗沉和損管控制。潛艇從離開碼頭到完成訓(xùn)練和作戰(zhàn)任務(wù)一直到返回基地的整個(gè)過程中，操縱控制系統(tǒng)要連續(xù)、穩(wěn)定地工作。它是艦船生命力和戰(zhàn)斗力的重要組成部分。任何工況下，操縱控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障或操縱失誤、處理不當(dāng)，都有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，現(xiàn)代艦（艇）操縱控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“高效（性能先進(jìn)）、可靠（可靠性高）、安全（安全性好）、低噪（噪聲低）”的原則，推動(dòng)艦船操縱控制系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)動(dòng)力來自現(xiàn)代控制理論與技術(shù)、現(xiàn)代信息處理技術(shù)、人機(jī)工程以及新型艦艇的設(shè)計(jì)原理。

4 艦船操縱控制技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)

綜觀國內(nèi)外艦船操縱控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，人們最為關(guān)注的是技術(shù)與裝備的安全性、信息化和綜合保障性。

4.1 安全可靠性

（1）廣泛采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)

系統(tǒng)及裝備的控制裝置和檢測(cè)、執(zhí)行器一般都設(shè)計(jì)主、備雙通道，對(duì)于主控單元的微機(jī)系統(tǒng)可采用三通道按表決的形式輸出控制信息，進(jìn)行系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行自動(dòng)診斷和自動(dòng)隔離，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)重組；對(duì)用戶的誤操作、傳輸錯(cuò)誤等故障實(shí)現(xiàn)報(bào)警和自動(dòng)糾錯(cuò)等。

（2）采用多種操縱方式

既有先進(jìn)的“自動(dòng)”操縱，也保留有“隨動(dòng)”和“簡(jiǎn)易”操縱，以及機(jī)旁電動(dòng)、人力操舵；對(duì)水面艦船除在駕駛室設(shè)置操縱裝置外，還在作戰(zhàn)室、備用作戰(zhàn)室等部位設(shè)置操縱裝置。

（3）新型操縱面及其控制研究

為有效解決潛艇回轉(zhuǎn)時(shí)橫傾的控制或出現(xiàn)卡舵時(shí)易造成危險(xiǎn)，俄羅斯、日本等國家的潛艇采用差動(dòng)操舵（也稱分離式“十”形舵）方式來控制過大的橫傾，或采用“X”型艉舵來控制航向和縱、橫傾，當(dāng)發(fā)生任一卡舵時(shí)，可用適當(dāng)偏轉(zhuǎn)其他舵葉來快速補(bǔ)償，避免造成危險(xiǎn)，提高了潛潛航行的可靠性，增強(qiáng)了潛艇的生存能力，但是，無論采用差動(dòng)操舵方式還是“X”型艉舵方式，應(yīng)借助控制裝置進(jìn)行自動(dòng)控制。

4.2 信息化

艦船信息化建設(shè)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)的信息化指揮和控制系統(tǒng)，提供人員、艦船系統(tǒng)、作戰(zhàn)編隊(duì)指揮、作戰(zhàn)編隊(duì)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。艦船操縱控制系統(tǒng)的信息化建設(shè)應(yīng)側(cè)重于以下幾個(gè)方面：

（1）以信息化技術(shù)提高艦船操縱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力及研制過程的管理能力

隨著現(xiàn)代控制理論、信息技術(shù)的發(fā)展，國外技術(shù)先進(jìn)的國家都在積極尋求采用高新技術(shù)改善艦船操縱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理手段。以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)仿真（CS）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（DB）、高速局域網(wǎng)絡(luò)（NET）等技術(shù)，集成一個(gè)分布、并行、協(xié)同的作業(yè)環(huán)境，進(jìn)行艦船操縱控制系統(tǒng)的預(yù)研、論證、優(yōu)化設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制，并實(shí)現(xiàn)研制過程的自動(dòng)化管理，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期、降低研制成本。

（2）系統(tǒng)間的綜合網(wǎng)絡(luò)化

艦船操縱控制系統(tǒng)是由一組集成的、相互關(guān)聯(lián)的分系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)備連接起來，進(jìn)行信息通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的資源與信息共享。同時(shí)，艦船操縱控制系統(tǒng)還應(yīng)與艦船其他系統(tǒng)（綜合導(dǎo)航系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)等）進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)或與艦船綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)集成一體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的資源與信息共享。

（3）系統(tǒng)內(nèi)測(cè)控設(shè)備智能網(wǎng)絡(luò)化

目前，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，分布式測(cè)量、控制以及各種監(jiān)測(cè)、報(bào)警、安全系統(tǒng)等，都是基于某種現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)和構(gòu)造的，國外技術(shù)先進(jìn)的國家在艦船上的測(cè)控系統(tǒng)也是如此。綜合分析國外的相關(guān)資料，國外采取的技術(shù)措施之一是在系統(tǒng)各設(shè)備的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)附近安裝一個(gè)或數(shù)個(gè)遠(yuǎn)程終端單元（RTU），架起現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備與系統(tǒng)的信息通道；技術(shù)措施之二是參照國際標(biāo)準(zhǔn)（如IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)）設(shè)計(jì)一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)接口，使系統(tǒng)各設(shè)備的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)能方便地接入各種現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。

4.3 綜合保障性

艦船武器裝備的綜合保障性工作是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，針對(duì)艦船操縱控制系統(tǒng)與設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和裝備使用情況，在其綜合保障性方面廣為關(guān)注的是陸上綜合操練和操縱信息支援。

（1）建立和完善艦船操縱控制系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)體系

國內(nèi)的飛機(jī)駕控系統(tǒng)及國外技術(shù)先進(jìn)國家的艦船操縱控制系統(tǒng)，都建立了比較完善的實(shí)驗(yàn)研究、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、綜合操練體系。目的是：①檢驗(yàn)上船設(shè)備技術(shù)設(shè)計(jì)及措施的可行性、可靠性、安全性；②驗(yàn)證系統(tǒng)和設(shè)備的匹配性、接口一致性、功能協(xié)調(diào)性；③進(jìn)行系統(tǒng)操縱控制品質(zhì)研究、失效模式分析與挽回措施研究、故障復(fù)現(xiàn)與克服措施研究；④艦（艇）員綜合操作培訓(xùn)等。這對(duì)艦（艇）員綜合操練培訓(xùn)尤為重要。這是因?yàn)橄到y(tǒng)與設(shè)備由艦（艇）員操縱，必須掌握其操作要領(lǐng)：許多與操縱相關(guān)的特殊工況（如強(qiáng)機(jī)動(dòng)、大潛深、大縱傾等）和裝備事故狀態(tài)（如航行中卡舵、由于碰撞造成艙室進(jìn)水等）時(shí)的應(yīng)急操縱方法和預(yù)案，需在陸上進(jìn)行大量操縱實(shí)驗(yàn)后，方可得到。而非在艦船航行中，人為造成這些工況和狀態(tài)，非要經(jīng)過實(shí)操來解決。

（2）設(shè)立艦船操縱信息支援系統(tǒng)

綜合分析研究相關(guān)資料和預(yù)研成果后可知，該系統(tǒng)的主要功能是：①圖形化實(shí)時(shí)綜合顯示與航行、操縱有關(guān)的艦船動(dòng)態(tài)信息和參數(shù)，有條件時(shí)與艦船其他系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)或增設(shè)相關(guān)探測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)顯示船態(tài)和航行環(huán)境的組合圖形（海面圖、海底圖、水面和水下動(dòng)、靜態(tài)目標(biāo)、本船運(yùn)動(dòng)參數(shù)等）；②對(duì)艦船操縱系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視，出現(xiàn)故障點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行聲、光報(bào)警和操縱、排障提示；③檢查和評(píng)價(jià)艦（艇）員日常操作或訓(xùn)練效果；④通過專用通訊網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行遠(yuǎn)程在線系統(tǒng)診斷，提高信息支援等。

5 發(fā)展水面艦船操縱控制系統(tǒng)的建議

鑒于目前我國艦船操縱控制系統(tǒng)技術(shù)的現(xiàn)狀，結(jié)合未來操縱控制系統(tǒng)的功能發(fā)展趨勢(shì)要求，建議分階段實(shí)施與建立水面艦船操縱控制系統(tǒng)。

1) 準(zhǔn)備界定水面艦船操縱控制系統(tǒng)的任務(wù)使命（工程范圍、指標(biāo)體系、功能及作用等），做好系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)。依據(jù)“任務(wù)－人－設(shè)備”的設(shè)計(jì)程序，充分論證系統(tǒng)使命任務(wù)及功能，從作戰(zhàn)任務(wù)、技術(shù)水平、人機(jī)工程、安全可靠性等方面，做好系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)。

2) 注重技術(shù)的繼承和集成。

根據(jù)目前水面艦船綜合駕控臺(tái)的現(xiàn)狀和經(jīng)驗(yàn)，充分利用成熟的綜合導(dǎo)艦技術(shù)、艦艇操縱控制技術(shù)（特別是潛艇集中操縱控制技術(shù)）、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及憑信息化技術(shù)等，建立適合任務(wù)要求、符合人機(jī)工程學(xué)的水面艦船操縱控制系統(tǒng)。

3) 建立水面艦船操控系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)室

水面艦船操控系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)室是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用半實(shí)物仿真的方法，一方面，對(duì)裝船設(shè)備的功能和技術(shù)性能進(jìn)行檢查和測(cè)試，暴露和發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)缺陷并加以解決，減少系泊和航行試驗(yàn)的時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，依靠陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)手段，研究系統(tǒng)的技術(shù)匹配性、功能協(xié)調(diào)性，進(jìn)行系統(tǒng)操縱控制品質(zhì)研究、失效模式分析與挽回措施研究、故障復(fù)現(xiàn)與克服措施研究以及對(duì)艦艇員綜合操練培訓(xùn)等。

[1]吳團(tuán)結(jié). 基于 CAN總線技術(shù)的艦船動(dòng)力系統(tǒng)綜合控制［J］. 中國艦船研究.2006,02.

[2]楊澤宇. 輪機(jī)自動(dòng)化.［M］. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[3]萬曼影. 輪機(jī)自動(dòng)化［M］. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

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