现代舰炮控制系统技术发展研究＊

2014-01-10杨柯李涌王凯

舰船电子工程 2014年6期

杨柯李涌王凯

（海军驻郑州地区军事代表室郑州 450015）

1 舰炮控制系统的现状

舰炮控制系统也就是传统意义上的舰炮随动控制系统，其主要功能是接受舰炮指挥仪提供的射击诸元，通过动力装置驱动舰炮完成目标跟踪、射击等运动［9］。随着当今现代控制理论的飞速发展，舰炮随动系统诸如跟踪误差、跟踪速度和加速度、超调量等各项品质指标大幅提高［8］，舰炮随动控制技术也已进入一个相对成熟和稳定的阶段。新中国成立以来，我国研仿、自行研制了大、中、小口径的多种型号舰炮，形成了口径齐全的舰炮系列，舰炮随动控制技术方面在最近十几年时间里，也取得了很大进展，在某些技术方面达到了国际先进水平。

1.1 传统舰炮武器控制系统的结构组成

传统舰炮武器控制系统，按物理特性可分为电气随动系统和电液随动系统。这里主要以电气随动控制系统为例。电气随动系统主要有发电机－电动机随动系统、电机扩大机随动系统、可控硅随动系统等［6］。随着近几年计算机技术的发展和应用，数字交流调速随动控制系统也开始在舰炮控制上得到应用。但不论如何改变，传统舰炮武器控制系统都是由测量部分、放大部分、执行部分组成［10］。

1.2 传统舰炮武器控制系统不足

目前传统舰炮控制系统的在技术上采用现代控制理论［3］，并且引入计算机控制技术。提高了对舰炮控制信号的处理能力，改善了人机交互性能，延伸了舰炮控制系统的控制范围。虽然传统舰炮武器控制系统具备了上述主要技术特点，满足了现代舰炮武器控制系统的某些特征，但其本质还属于传统舰炮武器控制系统的范畴。

传统的舰炮控制系统设计侧重于随动系统，关注于对舰炮运动的控制，受到控制理论和技术的发展瓶颈限制，技术创新缓慢。所以舰炮武器控制系统的设计应拓宽视野，丰富控制系统的功能，改进控制系统的体系结构，向现代舰炮武器控制系统转变。

2 现代舰炮控制系统基本特征

未来海战是信息化、网络化战争。作战舰艇对外作为作战网络系统中的一个信息节点参与战斗，而作战舰艇内部，又由武器系统、通讯系统、搜索侦察系统等构成了一个舰艇内部网络系统。舰炮武器系统作为重要武器装备，在未来海战中对其可靠性、网络化、信息化程度提出了更高的要求［1］。这也要求现代舰炮控制系统应是在传统舰炮控制系统功能基础上，采用标准化、网络化、智能化设计，具备综合化武器控制能力的控制系统。

2.1 标准化

标准化是现代信息化社会的主要标志，又是现代化军事装备发展的必然要求。其目的就是提高生产效率、降低费用，并且为技术的改进、发展提供支持平台。目前，各国武器装备的研制都把标准化作为一条重要的研制原则。如美军的“战斧”巡航导弹和“密集阵”近程武器系统在设计初期通过标准化外部接口、作战部等设计，实现模块化整体装舰，改善了适装性和战时勤务性能，提高了武器系统的作战效能。

舰炮控制系统作为舰炮武器的一个重要组成部分，他的标准化研究是舰炮武器标准化研究的重点，通过标准化硬件接口、系统组成以及软件平台，实现各型口径舰炮控制系统软硬件对外接口标准统一。最终达到各型舰炮控制系统面向用户的使用、维修接口统一一致，改善用户的操作性，简化维修，提高部队保障能力。

2.1.1 硬件接口标准化

硬件接口指的是舰炮控制系统对内、外部设备的接口。作为现代舰炮控制系统应具备的硬件接口类型一般有：

· 驱动装置接口。驱动装置是舰炮随动控制的执行机构，它通过接收舰炮控制系统发出的运动指令来完成对舰炮的运动驱动。驱动模块接口包括控制系统与驱动模块连接所需的电缆、接头以及相关附属部件。

· 全舰系统接口。全舰系统接口就是舰炮控制系统与舰内网络连接接口。该接口主要负责接收火控系统或作战系统的控制指令，完成与火控系统或作战系统的指令通讯，以及实现全舰设备信息的共享。

· 控制系统内部设备接口。舰炮控制系统一般由相关功能的标准台和标准柜组成。控制系统内部设备接口就是组成控制系统的相关标准台、柜之间连接所需的电缆、接头及相关附属部件。

· 扩展接口。现代舰炮控制系统应为系统维护、检测以及因具体任务需要而外接的相关设备提供数据通讯接口。这类接口统称为扩展接口。

硬件接口的标准化设计，就是通过具体的工程手段，使每个硬件接口类型所用的接口设备在物理形式、电气指标等方面达到统一一致。保证同一接口类型采用的接口设备具有良好的互换性、通用性［7］。

2.1.2 系统组成标准化

一般的舰炮控制系统在具体硬件组成上，由电源柜、动力柜、控制台三部分组成。系统组成标准化，首先就要求建立标准的现代舰炮控制系统硬件的组成数量和采用柜体、台体的标准化。保证对于各口径舰炮的控制系统都由同样标准、同样数量的标准台、柜组成。在整体外观上保持一致性。

从舰炮控制系统的功能模块组成来看，应实现各功能模块的标准化设计，使得舰炮控制系统可根据控制不同的舰炮对象任意更换相应的模块结构，达到在结构组成上的标准化。一般来讲，现代舰炮控制系统主要由以下几个功能模块组成：

· 输入输出模块。通常输入部分指键盘、滚轮以及操作面板上的各类开关，目前来看已有的触摸式可编程键盘可以作为该模块的一个标准件使用。输出部分包括显示器、话筒、各类状态指示灯组。

· 驱动装置模块。针对各型舰炮对驱动装置的不同采用不同的驱动装置，通过标准化对外接口对不同的驱动装置进行封装。保证其根据不同需要灵活更换。

· 电源模块。针对各型舰炮对电源的不同需求，模块内部采用不同的电源设备，通过标准化对外接口进行封装，保证根据实际需要灵活更换。

· 加固计算机模块。加固计算机模块包括加固计算机及存贮系统、运动信号采集和输出系统等。

· 标准化适配模块。该模块是针对有些难以直接完成标准化设计的端口，通过该适配模块进行非标准化接口向标准化接口转换。

2.1.3 软件平台标准化

现代舰炮控制系统的主要特征就是采用计算机控制，而采用计算机控制就必然要使用计算机软件。软件在现代舰炮控制系统中的主要功能有为操作人员提供交互平台、运动控制运算、炮上信号的处理以及其他需要计算机控制的部分。舰炮控制系统软件的标准化设计，应重点注意以下几点：

·编程环境的标准化。编程环境是编程语言、软件运行系统平台、开发工具以及编程所采用的规范标准，甚至是编码、注释的格式、变量命名的约定等。编程环境标准化是软件标准化的基础。目前应用在舰炮控制系统流行的编程环境为：软件运行平台VxWorks实时多任务嵌入式操作系统、Tornado系列C语言开发环境以及相应的国家和军用标准。

· 操作界面的标准化。对于各型舰炮控制软件应保持基本一致的人机交互界面风格。其中涉及操作规则、菜单设置、按钮功能、各类显示输出的位置和内容、符号约定、人机交互方式、警示和提示的方式等。

· 代码模块的标准化。软件中各功能代码模块的开发充分应用组件化的编程思想，重视代码模块的继承性、重用性，提高软件开发的效率和可维护性。

2.2 网络化

未来战争对信息的需求量大，时效性要求高，网络化是武器系统面向未来战争的必然需要。网络化为实现标准化提供支持。全舰设备组网，就要求全舰设备要以标准统一的接口接入网络［2］。

网络化为舰炮控制系统智能化提供平台。舰炮控制系统的智能化需要多种资源和信息的共享为基础，而网络化为全舰信息、资源的综合和传输提供了平台和服务。舰炮控制系统实现与全舰网络联网后，可以快速全面的了解全舰设备状态信息，为辅助舰炮控制等相关方面控制提供信息依据。同时又可以把自己的工作信息和状态资料通过网络向其他设备特别是全舰指挥控制系统发布，为指挥控制系统的辅助决策提供信息支持。提高全舰的综合作战效能。

2.3 综合智能化

2.3.1 人机交互设计

人机交互设备是舰炮控制系统与使用者交流的平台和方法手段。它向使用者提供舰炮实时的状态信息，并接受使用者向舰炮发送控制命令。

未来战争战场信息量大、作战节奏迅速，给操作使用武器装备的人员带来的心理压力也较之传统战争更加严酷。人机交互设备作为武器装备和操作者接触的主要途径，在作战时不仅要起到缓解操作者紧张情绪的作用，还要在一定程度上减少操作者因紧张而可能出现的误操作。所以人机交互设备的设计要考虑交互设备的友善性和智能化。

现代舰炮控制系统人机交互设备通常指控制软件的交互界面、控制台键盘等输入设备、状态指示灯等提示设备。

· 软件交互界面通过视觉感观影响操作者的心理，这就要求在软件交互界面在友善性方面应注意整体色调的选择和搭配，达到平和操作者心态，便于操作者观察阅读的效果。软件中操控界面的配置、功能按钮的位置和顺序，应充分考虑作战的紧张状态，以及武器正确操作的需要进行优化配置，简化操作过程。在软件设计上开展智能化辅助操作的研究，控制软件应能根据舰炮当前的状态，或指挥控制系统当前对舰炮系统提出作战任务要求，通过智能算法给出操作者需要进行的下一步操作，向操作者提供操作提示。如提示框文字提示、按钮优先或颜色提示、输入框中指令提示等。这样缩小了操作者的思考范围，甚至可以直接采用提示建议操作大大简化操作过程，从而提高操作者在心理紧张状态下的正确操作率

· 控制台键盘等输入设备中每个开关的功能设置、按钮开关的数量配置，以及键盘等开关的具体位置安排都应按照人机工程学的理论和方法进行设计。在外观配置上应简洁明了，减轻操作者的心理负担以及长时间操作的疲劳感，从而方便快捷地进行使用操作。

· 状态指示灯组应在数量和安装位置上应考虑操作者的视觉感受，减轻对操作者的压迫感，并方便观察和辨析。

2.3.2 智能化故障检测诊断

智能化故障检测诊断系统是现代化舰炮控制系统提高作战可用性、维修性的重要功能部分［4］。智能化故障检测诊断系统是由故障检测模块、检测信息诊断模块组成。

· 故障检测就是在分析、研究舰炮运行机理的基础上，在炮的机械部分和电气等相关部位设置合适的传感器。计算机实时采集舰炮的全部传感器信息，对其进行智能化辨识并进行显示，操作者通过人机交互界面对舰炮的运行状态进行全方位地了解和监视，在发生异常或故障时可人工进行故障排查，或将检测信息提交检测信息诊断模块进行故障诊断评估。

· 检测信息诊断模块是通过建立一个有关舰炮故障的专家知识和先验知识库，通过人工智能算法对检测信息进行处理，从知识库抽取诊断方案结果，向操作者提供辅助诊断信息。

2.3.3 辅助作战能力

现代化舰炮控制系统要具备一定的辅助作战能力，提高全舰作战指挥控制系统在使用舰炮进行作战时的有效决策能力。辅助作战能力主要包含舰炮状态评估能力和辅助目标解算能力。

· 舰炮状态评估能力就是舰炮控制系统对所控制舰炮的各种状态信息进行融合，并评估当前舰炮的作战的可用性和作战效能等，为指挥控制系统指定舰炮作战使用方案提供决策支持。舰炮状态信息主要涉及：舰炮各机构受损率、控制系统各模块工作状态信息、舰炮膛温膛压、弹药剩余量、射速与弹丸初速、运动状态和误差等信息。

· 辅助目标解算能力是指当所属指挥控制系统或火力控制系统故障时，可以自行通过网络获取相关传感器信息，进行简单的目标火控解算，提高舰炮在上级系统故障时的有效打击能力，并为小型舰艇作战系统集成优化设计提供技术支持。