現代艦炮控制系統技術發展研究＊

楊 柯 李 涌 王 凱

（海軍駐鄭州地區軍事代表室 鄭州 450015）

1 艦炮控制系統的現狀

艦炮控制系統也就是傳統意義上的艦炮隨動控制系統，其主要功能是接受艦炮指揮儀提供的射擊諸元，通過動力裝置驅動艦炮完成目標跟蹤、射擊等運動［9］。隨著當今現代控制理論的飛速發展，艦炮隨動系統諸如跟蹤誤差、跟蹤速度和加速度、超調量等各項品質指標大幅提高［8］，艦炮隨動控制技術也已進入一個相對成熟和穩定的階段。新中國成立以來，我國研仿、自行研制了大、中、小口徑的多種型號艦炮，形成了口徑齊全的艦炮系列，艦炮隨動控制技術方面在最近十幾年時間里，也取得了很大進展，在某些技術方面達到了國際先進水平。

1.1 傳統艦炮武器控制系統的結構組成

傳統艦炮武器控制系統，按物理特性可分為電氣隨動系統和電液隨動系統。這里主要以電氣隨動控制系統為例。電氣隨動系統主要有發電機－電動機隨動系統、電機擴大機隨動系統、可控硅隨動系統等［6］。隨著近幾年計算機技術的發展和應用，數字交流調速隨動控制系統也開始在艦炮控制上得到應用。但不論如何改變，傳統艦炮武器控制系統都是由測量部分、放大部分、執行部分組成［10］。

1.2 傳統艦炮武器控制系統不足

目前傳統艦炮控制系統的在技術上采用現代控制理論［3］，并且引入計算機控制技術。提高了對艦炮控制信號的處理能力，改善了人機交互性能，延伸了艦炮控制系統的控制范圍。雖然傳統艦炮武器控制系統具備了上述主要技術特點，滿足了現代艦炮武器控制系統的某些特征，但其本質還屬于傳統艦炮武器控制系統的范疇。

傳統的艦炮控制系統設計側重于隨動系統，關注于對艦炮運動的控制，受到控制理論和技術的發展瓶頸限制，技術創新緩慢。所以艦炮武器控制系統的設計應拓寬視野，豐富控制系統的功能，改進控制系統的體系結構，向現代艦炮武器控制系統轉變。

2 現代艦炮控制系統基本特征

未來海戰是信息化、網絡化戰爭。作戰艦艇對外作為作戰網絡系統中的一個信息節點參與戰斗，而作戰艦艇內部，又由武器系統、通訊系統、搜索偵察系統等構成了一個艦艇內部網絡系統。艦炮武器系統作為重要武器裝備，在未來海戰中對其可靠性、網絡化、信息化程度提出了更高的要求［1］。這也要求現代艦炮控制系統應是在傳統艦炮控制系統功能基礎上，采用標準化、網絡化、智能化設計，具備綜合化武器控制能力的控制系統。

2.1 標準化

標準化是現代信息化社會的主要標志，又是現代化軍事裝備發展的必然要求。其目的就是提高生產效率、降低費用，并且為技術的改進、發展提供支持平臺。目前，各國武器裝備的研制都把標準化作為一條重要的研制原則。如美軍的“戰斧”巡航導彈和“密集陣”近程武器系統在設計初期通過標準化外部接口、作戰部等設計，實現模塊化整體裝艦，改善了適裝性和戰時勤務性能，提高了武器系統的作戰效能。

艦炮控制系統作為艦炮武器的一個重要組成部分，他的標準化研究是艦炮武器標準化研究的重點，通過標準化硬件接口、系統組成以及軟件平臺，實現各型口徑艦炮控制系統軟硬件對外接口標準統一。最終達到各型艦炮控制系統面向用戶的使用、維修接口統一一致，改善用戶的操作性，簡化維修，提高部隊保障能力。

2.1.1 硬件接口標準化

硬件接口指的是艦炮控制系統對內、外部設備的接口。作為現代艦炮控制系統應具備的硬件接口類型一般有：

· 驅動裝置接口。驅動裝置是艦炮隨動控制的執行機構，它通過接收艦炮控制系統發出的運動指令來完成對艦炮的運動驅動。驅動模塊接口包括控制系統與驅動模塊連接所需的電纜、接頭以及相關附屬部件。

· 全艦系統接口。全艦系統接口就是艦炮控制系統與艦內網絡連接接口。該接口主要負責接收火控系統或作戰系統的控制指令，完成與火控系統或作戰系統的指令通訊，以及實現全艦設備信息的共享。

· 控制系統內部設備接口。艦炮控制系統一般由相關功能的標準臺和標準柜組成。控制系統內部設備接口就是組成控制系統的相關標準臺、柜之間連接所需的電纜、接頭及相關附屬部件。

· 擴展接口。現代艦炮控制系統應為系統維護、檢測以及因具體任務需要而外接的相關設備提供數據通訊接口。這類接口統稱為擴展接口。

硬件接口的標準化設計，就是通過具體的工程手段，使每個硬件接口類型所用的接口設備在物理形式、電氣指標等方面達到統一一致。保證同一接口類型采用的接口設備具有良好的互換性、通用性［7］。

2.1.2 系統組成標準化

一般的艦炮控制系統在具體硬件組成上，由電源柜、動力柜、控制臺三部分組成。系統組成標準化，首先就要求建立標準的現代艦炮控制系統硬件的組成數量和采用柜體、臺體的標準化。保證對于各口徑艦炮的控制系統都由同樣標準、同樣數量的標準臺、柜組成。在整體外觀上保持一致性。

從艦炮控制系統的功能模塊組成來看，應實現各功能模塊的標準化設計，使得艦炮控制系統可根據控制不同的艦炮對象任意更換相應的模塊結構，達到在結構組成上的標準化。一般來講，現代艦炮控制系統主要由以下幾個功能模塊組成：

· 輸入輸出模塊。通常輸入部分指鍵盤、滾輪以及操作面板上的各類開關，目前來看已有的觸摸式可編程鍵盤可以作為該模塊的一個標準件使用。輸出部分包括顯示器、話筒、各類狀態指示燈組。

· 驅動裝置模塊。針對各型艦炮對驅動裝置的不同采用不同的驅動裝置，通過標準化對外接口對不同的驅動裝置進行封裝。保證其根據不同需要靈活更換。

· 電源模塊。針對各型艦炮對電源的不同需求，模塊內部采用不同的電源設備，通過標準化對外接口進行封裝，保證根據實際需要靈活更換。

· 加固計算機模塊。加固計算機模塊包括加固計算機及存貯系統、運動信號采集和輸出系統等。

· 標準化適配模塊。該模塊是針對有些難以直接完成標準化設計的端口，通過該適配模塊進行非標準化接口向標準化接口轉換。

2.1.3 軟件平臺標準化

現代艦炮控制系統的主要特征就是采用計算機控制，而采用計算機控制就必然要使用計算機軟件。軟件在現代艦炮控制系統中的主要功能有為操作人員提供交互平臺、運動控制運算、炮上信號的處理以及其他需要計算機控制的部分。艦炮控制系統軟件的標準化設計，應重點注意以下幾點：

·編程環境的標準化。編程環境是編程語言、軟件運行系統平臺、開發工具以及編程所采用的規范標準，甚至是編碼、注釋的格式、變量命名的約定等。編程環境標準化是軟件標準化的基礎。目前應用在艦炮控制系統流行的編程環境為：軟件運行平臺VxWorks實時多任務嵌入式操作系統、Tornado系列C語言開發環境以及相應的國家和軍用標準。

· 操作界面的標準化。對于各型艦炮控制軟件應保持基本一致的人機交互界面風格。其中涉及操作規則、菜單設置、按鈕功能、各類顯示輸出的位置和內容、符號約定、人機交互方式、警示和提示的方式等。

· 代碼模塊的標準化。軟件中各功能代碼模塊的開發充分應用組件化的編程思想，重視代碼模塊的繼承性、重用性，提高軟件開發的效率和可維護性。

2.2 網絡化

未來戰爭對信息的需求量大，時效性要求高，網絡化是武器系統面向未來戰爭的必然需要。網絡化為實現標準化提供支持。全艦設備組網，就要求全艦設備要以標準統一的接口接入網絡［2］。

網絡化為艦炮控制系統智能化提供平臺。艦炮控制系統的智能化需要多種資源和信息的共享為基礎，而網絡化為全艦信息、資源的綜合和傳輸提供了平臺和服務。艦炮控制系統實現與全艦網絡聯網后，可以快速全面的了解全艦設備狀態信息，為輔助艦炮控制等相關方面控制提供信息依據。同時又可以把自己的工作信息和狀態資料通過網絡向其他設備特別是全艦指揮控制系統發布，為指揮控制系統的輔助決策提供信息支持。提高全艦的綜合作戰效能。

2.3 綜合智能化

2.3.1 人機交互設計

人機交互設備是艦炮控制系統與使用者交流的平臺和方法手段。它向使用者提供艦炮實時的狀態信息，并接受使用者向艦炮發送控制命令。

未來戰爭戰場信息量大、作戰節奏迅速，給操作使用武器裝備的人員帶來的心理壓力也較之傳統戰爭更加嚴酷。人機交互設備作為武器裝備和操作者接觸的主要途徑，在作戰時不僅要起到緩解操作者緊張情緒的作用，還要在一定程度上減少操作者因緊張而可能出現的誤操作。所以人機交互設備的設計要考慮交互設備的友善性和智能化。

現代艦炮控制系統人機交互設備通常指控制軟件的交互界面、控制臺鍵盤等輸入設備、狀態指示燈等提示設備。

· 軟件交互界面通過視覺感觀影響操作者的心理，這就要求在軟件交互界面在友善性方面應注意整體色調的選擇和搭配，達到平和操作者心態，便于操作者觀察閱讀的效果。軟件中操控界面的配置、功能按鈕的位置和順序，應充分考慮作戰的緊張狀態，以及武器正確操作的需要進行優化配置，簡化操作過程。在軟件設計上開展智能化輔助操作的研究，控制軟件應能根據艦炮當前的狀態，或指揮控制系統當前對艦炮系統提出作戰任務要求，通過智能算法給出操作者需要進行的下一步操作，向操作者提供操作提示。如提示框文字提示、按鈕優先或顏色提示、輸入框中指令提示等。這樣縮小了操作者的思考范圍，甚至可以直接采用提示建議操作大大簡化操作過程，從而提高操作者在心理緊張狀態下的正確操作率

· 控制臺鍵盤等輸入設備中每個開關的功能設置、按鈕開關的數量配置，以及鍵盤等開關的具體位置安排都應按照人機工程學的理論和方法進行設計。在外觀配置上應簡潔明了，減輕操作者的心理負擔以及長時間操作的疲勞感，從而方便快捷地進行使用操作。

· 狀態指示燈組應在數量和安裝位置上應考慮操作者的視覺感受，減輕對操作者的壓迫感，并方便觀察和辨析。

2.3.2 智能化故障檢測診斷

智能化故障檢測診斷系統是現代化艦炮控制系統提高作戰可用性、維修性的重要功能部分［4］。智能化故障檢測診斷系統是由故障檢測模塊、檢測信息診斷模塊組成。

· 故障檢測就是在分析、研究艦炮運行機理的基礎上，在炮的機械部分和電氣等相關部位設置合適的傳感器。計算機實時采集艦炮的全部傳感器信息，對其進行智能化辨識并進行顯示，操作者通過人機交互界面對艦炮的運行狀態進行全方位地了解和監視，在發生異常或故障時可人工進行故障排查，或將檢測信息提交檢測信息診斷模塊進行故障診斷評估。

· 檢測信息診斷模塊是通過建立一個有關艦炮故障的專家知識和先驗知識庫，通過人工智能算法對檢測信息進行處理，從知識庫抽取診斷方案結果，向操作者提供輔助診斷信息。

2.3.3 輔助作戰能力

現代化艦炮控制系統要具備一定的輔助作戰能力，提高全艦作戰指揮控制系統在使用艦炮進行作戰時的有效決策能力。輔助作戰能力主要包含艦炮狀態評估能力和輔助目標解算能力。

· 艦炮狀態評估能力就是艦炮控制系統對所控制艦炮的各種狀態信息進行融合，并評估當前艦炮的作戰的可用性和作戰效能等，為指揮控制系統指定艦炮作戰使用方案提供決策支持。艦炮狀態信息主要涉及：艦炮各機構受損率、控制系統各模塊工作狀態信息、艦炮膛溫膛壓、彈藥剩余量、射速與彈丸初速、運動狀態和誤差等信息。

· 輔助目標解算能力是指當所屬指揮控制系統或火力控制系統故障時，可以自行通過網絡獲取相關傳感器信息，進行簡單的目標火控解算，提高艦炮在上級系統故障時的有效打擊能力，并為小型艦艇作戰系統集成優化設計提供技術支持。

3 結語

現代艦炮控制系統是全新概念的標準化、智能化武器控制系統，它是標準化技術、軟件理論及故障檢測和診斷應用等多項技術的綜合應用。隨著未來海戰作戰模式和武器系統體系結構的發展，現代艦炮控制系統以其標準化、智能化以及綜合控制能力等技術優勢，將逐步取代傳統艦炮控制系統。

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［2］關惠玲，韓捷.設備故障診斷專家系統原理及實踐［M］.北京：機械工業出版社，2000：129－130.

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［7］沈德耀，金敏.現場總線縱橫談［J］.基礎自動化，2000，12（6）：45－51.

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［9］張相炎.火炮設計理論［M］.北京：北京理工大學出版社，2005.

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