基于模型的设计在无人潜器安全系统上的应用
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第 ３６卷第 ３期 ２０１９年 ３月
计算机应用与软件 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏｌ３６ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１９
基于模型的设计在无人潜器安全系统上的应用
陈 莺
（武汉软件工程职业学院 湖北 武汉 ４３０２０５）
摘 要 为了保障水下无人潜器的安全，降低潜器工作时损坏或丢失的风险，水下无人潜器上都会配备安全系 统。它可以在潜器遭遇险情时，如设备故障、舱室浸水等，准确定位故障，评估危险形势并决策应急措施，帮助水 下无人潜器实现自救。故障诊断专家系统是一种基于知识的故障诊断方法，十分适用于知识不完整的复杂系统 设计。但由于水下无人潜器的工作环境十分复杂，故障类型十分多样且是实时变化的，传统的故障诊断专家系统 因需要花费较长的响应时间，可能无法满足安全系统的响应时间要求。为此，将有限状态机技术应用到诊断专家 系统中，以提高诊断专家系统的响应速度，同时使系统变得更加灵活，功能拓展更为方便。此外，应用基于模型的 设计方法，在 ｓｔａｔｅｆｌｏｗ中建立安全系统的模型，进行模型验证工作，借助 ＰＬＣＣｏｄｅｒ工具生成目标控制器的代码完 成算法部署工作。
ＣｈｅｎＹｉｎｇ
（ＷｕｈａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｏｆｔｗａｒｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３０２０５，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｋｏｆｄａｍａｇｅｏｒ ｌｏｓｓ，ＵＵＶ ｉｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈｓａｆｅｔｙｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｌｏｃａｔｅｆａｕｌｔｓ，ａｓｓｅｓｓｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｎｄｍａｋｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙｄｅｃｉｓｉｏｎｓｗｈｅｎｔｈｅＵＵＶｅｎｃｏｕｎｔｅｒｓｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈａｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆａｉｌｕｒｅ，ｃａｂｉｎｉｍｍｅｒｓｉｏｎ，ｅｔｃ． ＩｔｃａｎｈｅｌｐｔｈｅＵＵＶｔｏａｃｈｉｅｖｅｓｅｌｆｒｅｓｃｕｅ．Ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｅｘｐｅｒｔｓｙｓｔｅｍ ｉｓａｋｎｏｗｌｅｄｇｅｂａｓｅｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｍｅｔｈｏｄ， ｗｈｉｃｈｉｓｖｅｒｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆ ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｖａｒｉｅｔｙｏｆｆａｕｌｔｔｙｐｅｓ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｅｘｐｅｒｔｓｙｓｔｅｍ ｍａｙｎｏｔｂｅａｂｌｅｔｏ ｍｅｅｔｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｆｅｔｙｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｆｉｎｉｔｅｓｔａｔｅｍａｃｈｉｎｅｔｏｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄ，ａｎｄｍａｄｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｍｏｒｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｏｅｘｐａｎｄｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｓｅｃｕｒｉｔｙｓｙｓｔｅｍ ｉｎｓｔａｔｅｆｌｏｗ，ａｎｄｍａｄｅｔｈｅｍｏｄｅｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＷｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆＰＬＣ Ｃｏｄｅｒｔｏｏｌ，ｔｈｅｃｏｄｅｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｇｅｎｅｒａｔｅｄａｎｄｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．
收稿日期：２０１８－１０－１８。陈莺，讲师，主研领域：水下机器人控制技术，实时仿真技术。
１３２
计算机应用与软件
２０１９年
对水下无人潜器是必不可少的。 一套完整的安全系统包含故障诊断和故障决策两
部分。故障诊断和决策方法可分为基于信号处理的方 法、基于模型分析的方法和基于知识的方法［２］。基于 信号处理的方法是一种定量分析法，其通过分析传感 器信号来提取诸如幅度、频率及方差的特征值进而确 定故障类型。基于模型的分析方法也需要利用实际传 感器的测量信号来训练故障分析模型。然而，实际对 象通常是难以建模的非线性系统，且在实际试验前传 感器真实数据是无 法 获 取 的，而 这 是 通 过 基 于 信 号 处 理方法或基于模型分析的方法设计诊断系统时所必须 的输入条件。相比之下，基于知识的方法，如专家系统、 模糊推理和模式识别，因为不需要准确的对象模型，成 为了一种更易实现且更合适的方法［３］。这种方法可被 用于为具有不完整知识的复杂系统设计故障诊断系统。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓａｆｅｔｙｓｙｓｔｅｍ Ｆｉｎｉｔｅｓｔａｔｅｍａｃｈｉｎｅ Ｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎ
０ 引 言
由于无人潜器在水下工作时需面临复杂并且不确 定的工作环境，有时需要完成复杂的水下作业任务，因
此水下无人潜器在水下作业时丢失或损坏的风险性极 高。历史上水下无人潜器的损失事故已多次发生，如 美国“Ｎｅｒｅｕｓ”ＨＲＯＶ、美国 “ＡＢＥ”ＡＵＶ和英国 “Ａｕｔｏ ｓｕｂ２”ＡＵＶ［１］。为了提高水下无人潜器工作时的安全 性，降低丢失或损坏的几率，一种高效可靠的安全系统
专家系统是一种计算机程序系统，它模拟人类对 问题的推理过程，进而完成对人类知识的表征，并采用 启发式知识而非精确匹配的关系来解决问题，更准确 地反映了大多数人类知识。通常，诊断专家系统的设 计有三种类型：基于规则的诊断专家系统、基于模型的 诊断专家系统和在线诊断专家系统。在基于规则的诊 断 专 家 系 统 中，推 理 策 略 包 括 前 向 推 理 （即 遵 循 规 则 从原始数据到结论的推理过程），后向推理（即通过假 设验证实 现 从 目 标 到 数 据 的 推 理 过 程 ）和 双 向 推 理。 之后又出现了一种新的专家系统，称为基于模型的诊 断专家系统。这种方法的前提是测量传感器是高精度 的，这也是基于模型的诊断专家系统的关键问题。在 线诊断专家系统是传统专家系统的知识库和与目标Байду номын сангаас 象交互过程的组合，因为在线专家系统与动态过程并 行，响应时 间 成 为 这 类 专 家 系 统 的 一 个 关 键 问 题［４］。 针对该问题，本文提出了一种将有限状态机算法应用 于在线专家系统推理机的方法，以提高在线专家系统 的推理性能，并 将 其 应 用 于 无 人 潜 器 的 安 全 系 统 中。 有限状态机 ＦＳＭ包含有限数量的系统状态，可以在获 得输入事件后根据状态迁移表推理得到输出并完成状 态迁移。它具备以清晰简洁的形式描述极其复杂的逻 辑推理关系的能力，十分适用于水下无人潜器复杂安 全系统的设计。
关键词 安全系统 有限状态机 基于模型的设计
中图分类号 ＴＰ３９９ 文献标识码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００３８６ｘ．２０１９．０３．０２５
ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＭＯＤＥＬＢＡＳＥＤＤＥＳＩＧＮＩＮＳＡＦＥＴＹＳＹＳＴＥＭ ＯＦ ＵＮＭＡＮＮＥＤ ＵＮＤＥＲＷＡＴＥＲ ＶＥＨＩＣＬＥ
计算机应用与软件 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏｌ３６ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２０１９
基于模型的设计在无人潜器安全系统上的应用
陈 莺
（武汉软件工程职业学院 湖北 武汉 ４３０２０５）
摘 要 为了保障水下无人潜器的安全，降低潜器工作时损坏或丢失的风险，水下无人潜器上都会配备安全系 统。它可以在潜器遭遇险情时，如设备故障、舱室浸水等，准确定位故障，评估危险形势并决策应急措施，帮助水 下无人潜器实现自救。故障诊断专家系统是一种基于知识的故障诊断方法，十分适用于知识不完整的复杂系统 设计。但由于水下无人潜器的工作环境十分复杂，故障类型十分多样且是实时变化的，传统的故障诊断专家系统 因需要花费较长的响应时间，可能无法满足安全系统的响应时间要求。为此，将有限状态机技术应用到诊断专家 系统中，以提高诊断专家系统的响应速度，同时使系统变得更加灵活，功能拓展更为方便。此外，应用基于模型的 设计方法，在 ｓｔａｔｅｆｌｏｗ中建立安全系统的模型，进行模型验证工作，借助 ＰＬＣＣｏｄｅｒ工具生成目标控制器的代码完 成算法部署工作。
ＣｈｅｎＹｉｎｇ
（ＷｕｈａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｏｆｔｗａｒｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３０２０５，Ｈｕｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＵＶ）ａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｋｏｆｄａｍａｇｅｏｒ ｌｏｓｓ，ＵＵＶ ｉｓｅｑｕｉｐｐｅｄｗｉｔｈｓａｆｅｔｙｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｌｏｃａｔｅｆａｕｌｔｓ，ａｓｓｅｓｓｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｓａｎｄｍａｋｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙｄｅｃｉｓｉｏｎｓｗｈｅｎｔｈｅＵＵＶｅｎｃｏｕｎｔｅｒｓｄａｎｇｅｒｏｕｓｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈａｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆａｉｌｕｒｅ，ｃａｂｉｎｉｍｍｅｒｓｉｏｎ，ｅｔｃ． ＩｔｃａｎｈｅｌｐｔｈｅＵＵＶｔｏａｃｈｉｅｖｅｓｅｌｆｒｅｓｃｕｅ．Ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｅｘｐｅｒｔｓｙｓｔｅｍ ｉｓａｋｎｏｗｌｅｄｇｅｂａｓｅｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｍｅｔｈｏｄ， ｗｈｉｃｈｉｓｖｅｒｙｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｍｐｌｅｘｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｋｎｏｗｌｅｄｇｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆ ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｖａｒｉｅｔｙｏｆｆａｕｌｔｔｙｐｅｓ，ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｅｘｐｅｒｔｓｙｓｔｅｍ ｍａｙｎｏｔｂｅａｂｌｅｔｏ ｍｅｅｔｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓａｆｅｔｙｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｆｉｎｉｔｅｓｔａｔｅｍａｃｈｉｎｅｔｏｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄ，ａｎｄｍａｄｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｍｏｒｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｔｏｅｘｐａｎｄｉｔｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｓｅｃｕｒｉｔｙｓｙｓｔｅｍ ｉｎｓｔａｔｅｆｌｏｗ，ａｎｄｍａｄｅｔｈｅｍｏｄｅｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＷｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆＰＬＣ Ｃｏｄｅｒｔｏｏｌ，ｔｈｅｃｏｄｅｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｇｅｎｅｒａｔｅｄａｎｄｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．
收稿日期：２０１８－１０－１８。陈莺，讲师，主研领域：水下机器人控制技术，实时仿真技术。
１３２
计算机应用与软件
２０１９年
对水下无人潜器是必不可少的。 一套完整的安全系统包含故障诊断和故障决策两
部分。故障诊断和决策方法可分为基于信号处理的方 法、基于模型分析的方法和基于知识的方法［２］。基于 信号处理的方法是一种定量分析法，其通过分析传感 器信号来提取诸如幅度、频率及方差的特征值进而确 定故障类型。基于模型的分析方法也需要利用实际传 感器的测量信号来训练故障分析模型。然而，实际对 象通常是难以建模的非线性系统，且在实际试验前传 感器真实数据是无 法 获 取 的，而 这 是 通 过 基 于 信 号 处 理方法或基于模型分析的方法设计诊断系统时所必须 的输入条件。相比之下，基于知识的方法，如专家系统、 模糊推理和模式识别，因为不需要准确的对象模型，成 为了一种更易实现且更合适的方法［３］。这种方法可被 用于为具有不完整知识的复杂系统设计故障诊断系统。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓａｆｅｔｙｓｙｓｔｅｍ Ｆｉｎｉｔｅｓｔａｔｅｍａｃｈｉｎｅ Ｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎ
０ 引 言
由于无人潜器在水下工作时需面临复杂并且不确 定的工作环境，有时需要完成复杂的水下作业任务，因
此水下无人潜器在水下作业时丢失或损坏的风险性极 高。历史上水下无人潜器的损失事故已多次发生，如 美国“Ｎｅｒｅｕｓ”ＨＲＯＶ、美国 “ＡＢＥ”ＡＵＶ和英国 “Ａｕｔｏ ｓｕｂ２”ＡＵＶ［１］。为了提高水下无人潜器工作时的安全 性，降低丢失或损坏的几率，一种高效可靠的安全系统
专家系统是一种计算机程序系统，它模拟人类对 问题的推理过程，进而完成对人类知识的表征，并采用 启发式知识而非精确匹配的关系来解决问题，更准确 地反映了大多数人类知识。通常，诊断专家系统的设 计有三种类型：基于规则的诊断专家系统、基于模型的 诊断专家系统和在线诊断专家系统。在基于规则的诊 断 专 家 系 统 中，推 理 策 略 包 括 前 向 推 理 （即 遵 循 规 则 从原始数据到结论的推理过程），后向推理（即通过假 设验证实 现 从 目 标 到 数 据 的 推 理 过 程 ）和 双 向 推 理。 之后又出现了一种新的专家系统，称为基于模型的诊 断专家系统。这种方法的前提是测量传感器是高精度 的，这也是基于模型的诊断专家系统的关键问题。在 线诊断专家系统是传统专家系统的知识库和与目标Байду номын сангаас 象交互过程的组合，因为在线专家系统与动态过程并 行，响应时 间 成 为 这 类 专 家 系 统 的 一 个 关 键 问 题［４］。 针对该问题，本文提出了一种将有限状态机算法应用 于在线专家系统推理机的方法，以提高在线专家系统 的推理性能，并 将 其 应 用 于 无 人 潜 器 的 安 全 系 统 中。 有限状态机 ＦＳＭ包含有限数量的系统状态，可以在获 得输入事件后根据状态迁移表推理得到输出并完成状 态迁移。它具备以清晰简洁的形式描述极其复杂的逻 辑推理关系的能力，十分适用于水下无人潜器复杂安 全系统的设计。
关键词 安全系统 有限状态机 基于模型的设计
中图分类号 ＴＰ３９９ 文献标识码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００３８６ｘ．２０１９．０３．０２５
ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＭＯＤＥＬＢＡＳＥＤＤＥＳＩＧＮＩＮＳＡＦＥＴＹＳＹＳＴＥＭ ＯＦ ＵＮＭＡＮＮＥＤ ＵＮＤＥＲＷＡＴＥＲ ＶＥＨＩＣＬＥ