着舰引导系统“软故障”研究初探

吴文海, 吕雪涛, 曲志刚, 王俊彦

(1.海军航空工程学院 青岛分院, 山东 青岛 266041;2.中国人民解放军 92635部队, 山东 青岛 266041)

着舰引导系统“软故障”研究初探

吴文海1, 吕雪涛1, 曲志刚1, 王俊彦2

(1.海军航空工程学院 青岛分院, 山东 青岛 266041;2.中国人民解放军 92635部队, 山东 青岛 266041)

给出了着舰引导系统“软故障”的定义,对其特点进行了深入的分析,并对着舰引导系统“软故障”进行了分类,阐述了各种“软故障”对着舰安全的影响,以及预防和解决“软故障”的技术方法。最后预测了着舰引导系统“软故障”的研究方向。

着舰引导系统; 飞行控制系统; 软故障; 可靠性

引言

着舰引导系统作为指挥舰载机安全着舰的关键所在,其可靠程度直接决定了能否保证舰载机精确、安全、高效地在航空母舰上降落。

近100年来,激光、微波、雷达、GPS等技术先后应用于舰载机助降系统,使得舰载机发展出了多种独特的着舰引导方式,目前正朝着更加自动化、智能化的方向发展。然而正是由于自动化、智能化技术的运用和推广,使得着舰引导系统中潜藏着许多不易发现的隐患,这就是产生“软故障”的根源。目前,国内外研究人员已经注意到这个问题,相关研究也逐步开始,涉及控制系统的重构、容错控制技术、人的因素、环境因素及电磁干扰等方面。然而,“软故障”作为一个新的研究方向,并未形成一套完整成熟的理论,其实际应用尚处于探索阶段,因此还有许多理论探讨与统一化的工作要做[1-6]。

1 着舰引导系统“软故障”概述

1.1 “软故障”的定义及其特点

通常所说的故障指设备或系统在使用过程中出现的不能按规定完成其任一项功能的状态,按照故障类型可以分为“硬故障”和“软故障”。硬故障就是由于器件、设备损伤或者年久失修而导致的硬性故障,这类故障往往需要对设备进行外在修理维护,无法修复的就只能更换组件或报废。所谓“软故障”,即不同于因硬件损坏而导致的故障,其中包括误操纵、计算机程序出错以及传输中的非正常延迟等引起的不良后果,就着舰引导系统而言,是指在引导舰载机着舰过程中所发生的“软”性故障。“软故障”的产生如图1所示。

图1 “软故障”的产生

“软故障”与硬故障之间关系紧密,部件级“软故障”可导致系统级硬故障。20世纪80年代初,美国导弹驱逐舰上的舰载直升机在盘旋着舰时,由于受舰上大功率天线的辐射使直升机的桨叶伺服机构失效而坠毁,导致舰上的设备和人员都有不同程度的损伤[7]。桨叶伺服机构失效就是典型的“软故障”,它直接导致直升机的坠毁,出现硬故障。

“软故障”与硬故障有许多相似之处,更有许多差异。这种差异是由于软硬故障产生机理的不同而造成的,因而使“软故障”在术语内涵、指标选择、分析手段以及解决的方法和途径方面都具有其自身的特点。一般而言,“软故障”具有以下特点:

(1)不一定会造成损失,但在一定条件下可能诱发“硬”故障,从而间接带来巨大损失甚至是灾难性的后果;

(2)具有显著的“隐性”特点,即潜在性,往往容易被忽视而且不易被发现,这给安全性研究带来了巨大的挑战;

(3)“软故障”的产生原因,如人员操作、控制程序(软件)等主观或类主观的因素,使得其具有不可预测性,有时甚至是不可避免的,所以通常以防范研究为主;

(4)具有可重复性,某些“软故障”的发生需要特定的条件,使其会在近似条件下重复出现。

随着科学技术的发展,许多功能强大的元器件和先进控制技术相继应用到着舰引导系统中。其中硬件的可靠度得到了很大改善,其发生“软故障”的原因主要是由于受到航空母舰附近复杂电磁环境的干扰。这种“软故障”具有明显的暂时性和可重复性,而且长时间的硬件“软故障”极易引发硬故障。

软件作为控制系统的核心,它所产生的“软故障”往往遵循这一规律:由于软件的设计缺陷在一定条件下暴露,使得系统运行中出现可感知的不正常、不正确和不按规范执行的状态(错误),导致系统的输出不满足预定的要求(软故障),即:缺陷→错误→软故障。可见,这种“软故障”具有以下性质:

(1)固有性：由软件缺陷的固有性决定。软件一旦有缺陷,它将一直潜伏于其中直到被发现和更改,而且这种潜伏不像硬件会随着时间的推移而“耗损”,它是牢靠的、无耗损的潜伏。

(2)敏感性：由软件的运行环境决定。软件的使用离不开适当的运行环境,这种运行环境一般都容易受到外界的干扰,从而引发“软故障”。

(3)延续性：由数据处理的连续性决定。任一软件出现故障将使得信息处理中断或出错,出错的数据进入下一层次的处理后将使后面的运算处理继续出错,直到输出后执行错误的操纵。

1.2 “软故障”的类型

着舰引导系统包括机载和舰载两大部分,如图2所示。根据不同的划分标准,“软故障”的类型也不尽相同。

图2 着舰引导系统结构图

(1)按照发生场所的不同,可以分为:机载系统“软故障”、舰载系统“软故障”和机舰通信“软故障”。

机载系统“软故障”指飞行控制系统的软故障,如飞控计算机软故障(运行过程中出现的程序错误、不正常中断)、系统状态“软故障”(系统状态变化、参数变化)和传感器“软故障”(增益变化、恒偏差失效)等。机载导航设备“软故障”源于外界因素的干扰,具有暂时性特点;人的因素导致的“软故障”源于驾驶员主体的技能差错、决策差错及感觉差错,其中有习惯性的也有偶然性的。机载系统“软故障”会对飞机的操纵和飞行轨迹产生影响,从而影响着舰安全。

舰载系统与机载系统分属不同载体,二者的“软故障”类型基本相似,但具体内容却相去甚远,这主要是由二者功能上的差异决定的。

对于机舰通信“软故障”,顾名思义,是指从着舰准备阶段到触舰的整个过程中,机舰之间交换的信息丢失或被非正常延迟,其原因主要是由于外界因素的干扰,也可能是源于前两种“软故障”或其中之一。显然,这种“软故障”会使得机舰之间的联系中断或延迟,如果发生在着舰下滑阶段,将是异常危险的。

(2)按照产生原因的不同,可以分为:设计“软故障”和诱导“软故障”。

设计“软故障”,即由于技术不够成熟或系统设计之初的缺陷而造成的软性故障,其特点是会随着技术的改进与发展而减少,甚至消失。

诱导“软故障”,即由外在的因素而诱发的“软故障”,比如,由于电磁干扰而导致状态参数的变化、数据传输的中断、飞行员操作不当而导致飞行轨迹的偏离等。

(3)按照发生主体的不同,可分为:设备“软故障”和传输“软故障”。

设备“软故障”是对设备的主体而言的,比如飞行控制计算机及各种类型的显控装置所发生的“软故障”,这种“软故障”可能直接使该设备暂时失灵。

传输“软故障”,即发生在数据传输过程中的、包括设备内部的和设备之间的传输。

虽然着舰引导系统“软故障”的划分方法有多种,但是各类“软故障”之间并不是彼此孤立的,它们的关系如图3所示。

图3 着舰引导系统“软故障”之间的关系

1.3 “软故障”的防范方法

由“软故障”的特点可以看出,“软故障”重在防范,目前可以用作“软故障”防范的有以下几种技术与方法。

余度技术:余度技术是系统或设备获得高可靠性、高安全性和高生存能力的设计方法之一。这种技术主要用于对可靠性要求较高的系统或设备,它并非解决了“软故障”,而只是利用备份系统或设备的完整性代替产生“软故障”的系统或设备,从而保证整个大系统功能的完好。它有一个明显的缺点,就是余度的增加会使系统或设备的复杂性、重量和体积随之大大增加[8]。

容错技术:容错技术是指系统对故障的容忍技术,也就是处于工作状态的系统中一个或多个关键部分发生故障或差错时,系统能够自动检测和诊断,并能采取相应的措施保证维持其规定功能或维持其功能在可接受范围内的技术。容错技术在飞行控制领域的应用已经逐步发展成容错飞行控制这样一门学科,它在故障检测与隔离技术、控制律重构技术、自主式维修诊断技术以及驾驶员主动告警技术等方面已经取得了突破性的进展,为飞行控制系统“软故障”的发现与解决提供了重要的技术支持,为着舰过程中机载系统的可靠性提供了重要保障[9]。

人因失误防范:人因失误就是指人的行为及其结果偏离了规定的目标,并产生或导致了潜在的不良影响的过程,即由于人为因素而导致的失误[10]。“软故障”中人的因素最为主观、最为复杂，也最为模糊,往往成为现代航空领域中飞行安全的决定性因素。为了分析人的因素对飞行安全的影响,近年来出现了各种人的失误框架,主要揭示了六种人的失误观点:认知的观点、工效的观点、行为的观点、航空医学的观点、社会心理的观点和组织的观点。Douglas A Wiegmann和Scott A Shappell对上述观点研究分析后提出了人的因素分析与分类系统(HFACS)模型[11],HFACS将人的因素分为四个层次,即不安全行为、不安全行为的前提条件、不安全监督和组织影响。另一种方法是维护差错辅助判定(Maintenance Error Decision Aid, MEDA)[12],与HFACS稍有不同的是,MEDA最初是一个严格的结构差错调查过程,用于寻找导致事故的贡献因子,其基本原理是人不会故意犯错,错误常常是在人们试图做正确的事情时发生的,它主要通过与差错相关的维护人员进行交谈来实施差错调查。这两种方法都很好地整合了导致人的失误的诸多因素,对分析人的因素导致的“软故障”和飞行事故有很好的效果,为相关人员进行有针对性的训练以减少人的因素带来的“软故障”有很大帮助。

上述技术或方法对于着舰引导系统中“软故障”的分析和解决有着重要的借鉴作用,余度技术在机载系统中的应用已经日趋成熟,容错技术的研究也正在逐步深入，而对于人的因素方面的研究,国外起步较早且已经开始应用于航空事故的分析方面,国内则尚处于起始阶段。

2 对“软故障”研究的展望

随着舰载机及助降设备智能化程度的提高,对其“软故障”的研究显得愈加迫切。今后在以下几个方面将会重点研究:

(1)飞行控制系统的“软故障”预警与防范研究。飞控系统作为舰载机和着舰引导系统的核心部分,它的可靠性关系到舰载机的飞行性能和着舰安全。因此,飞控系统控制律的容错设计与自修正技术的应用都将是未来飞控系统的主旋律。

(2)舰上复杂电磁环境对引导系统的威胁。这些威胁来源包括高频(HF)发射天线产生的电磁场、电子战系统辐射场、对空搜索雷达与航空管制雷达之间的波瓣耦合。这些干扰会降低雷达系统的精度,并会对舰载机的自动着舰系统产生干扰,直接影响着诱导“软故障”的发生频率。因此,如何做好舰载机电磁安全研究就变得异常重要。

(3)人的因素对安全着舰的影响。虽然自动着舰系统的发展已经日趋成熟,但大多数情况下仍采用人干预下的着舰飞行,这样人的因素在着舰中就显得异常重要。所以,研究人在着舰环境下的各种状态,对人的因素引起的“软故障”的防范有着重要的意义,也是未来着舰引导系统研究的必然方向。

着舰引导系统“软故障”防范研究本质上是对其可靠性研究的一部分,对其解决方法的研究又要求在故障诊断技术中进行“软故障”识别与检测研究。

3 结束语

着舰引导系统作为引导舰载机着舰的关键所在,其技术日渐成熟,但是潜在的隐患并未减少,所以对其“软故障”的研究势在必行。“软故障”作为一门新兴的研究课题,未来不仅将是着舰引导系统安全性研究的重点,同样也会成为其它高可靠性要求行业的研究方向。

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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

吴文海(1962-)，男，江苏泰兴人，教授,博士生导师，博士，主要研究方向为精确制导与飞行控制。

V249; V271.492

A

1002-0853(2012)01-0001-04

(编辑：姚妙慧)