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，結合領域專業(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、由于外界原因導致無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。