近年來，我國海洋漁業取得了顯著成就，随着海工裝備技術的不斷發展，以及海工領域數字化能力的提升，大型化、數字化、智能化成為深遠海漁業養殖設施的重要發展方向。硬件在環仿真測試技術是一種用于檢測和驗證控制系統軟件可靠性的高效仿真測試技術，通過實時處理器運行仿真模型來模拟受控對象的運行狀态，具有低成本、低風險的優勢，有助于提升産品質量，縮短研制周期。随着數字化與智能化的不斷發展，海洋漁業養殖設備的安全運行越來越依賴于複雜和關鍵的控制系統，硬件在環測試技術對于控制系統的全面充分測試有非常重要的作用，因而對于深海養殖設備在環測試系統的檢驗認證技術研究也具有非常重要的意義。

　　深海養殖設備介紹

　　深海養殖設施系指在深遠海域直接用于漁業養殖、或以漁業養殖為主，兼具漁業休閑功能的海洋工程設施，也稱養殖工船、養殖船。一般以鋼制結構為主體構架，包括柱穩式、框架式和船式，以纖維類或金屬合金材料為網衣。深海養殖設備是深海養殖設施上具有獨立功能的單元，主要包括餌料處理單元、餌料投喂單元、捕魚裝置、漁網清洗裝置、監控系統(水下監測裝置、環境監測裝置、魚群密度監視裝置、閉路電視/攝像單元、污水處理和淡水處理控制/監視單元、水下照明系統、雷達光電海域看護系統)、網衣等。

　　1.餌料處理設備

　　常見的餌料處理設備例如餌料加藥混合機。餌料加藥混合機是用來混合魚餌料和魚藥用的設備，常見的結構形式包括立式和卧式。電機減速機一般位于主設備的端面，設備運行平穩，對于餌料的破壞比較小。設備運行時物料保持運動的狀态，對于動力的要求比較高。在餌料和魚藥混合時噴入液體藥劑，整個混合過程中餌料呈現固體顆粒的狀态。餌料最終通過混合機底部下料器或閥門、管道排出。

　　2.餌料投喂設備

　　常見的餌料投喂設備例如遠程氣力自動投餌設備。遠程氣力自動投喂設備是一種高效的養殖配套系統，可以通過氣體，将餌料抛灑至網箱，一般由供料系統、動力系統、分配系統、噴灑系統、控制系統組成。一般使用柴油發電機供電，通過電機驅動羅茨風機産生高速空氣，帶動餌料通過管道進行輸送，然後将餌料分流投喂到多組的網箱或者單個網箱的不同位置。通過噴灑系統可以将餌料均勻噴灑到水面；并且通過控制系統實現整體邏輯控制，能夠實現定時、定量和自動控制等功能。

　　3.捕魚設備

　　常見的捕魚設備例如真空吸魚泵。真空吸魚泵是一種活魚分級和運輸的專用裝置。這種裝置利用的是真空負壓抽取原理，對活魚進行無損傷抽取，能夠極大減少活魚的損失。真空吸魚泵主要包括真空壓力罐、水環真空泵、冷卻水系統、吸入排出管路和控制裝置，其中真空壓力罐連接到吸入和排出管路上面，可以實現活魚的儲存和運輸；水環真空泵為系統提供動力，将真空泵的吸入口和排出口分别與真空壓力罐連接形成負壓和正壓，可以實現吸魚和排魚功能。冷卻水系統為水環泵提供冷卻水，以避免水環泵工作時溫度過高，一般在冷卻管路上安裝氣動球閥和流量調節閥，以控制供應的水量。

　　硬件在環測試技術介紹

　　硬件在環(Hardware-in-the-Loop，HIL)是用于複雜設備控制系統開發與測試的技術，通過硬件在環測試，機器或者系統的物理部分被仿真器代替，被廣泛用于控制系統的開發中。硬件在環仿真系統是一套實時性要求較高的軟硬件系統，它的發展依賴于微電子技術和計算機技術的發展。在深海漁業養殖設備控制系統軟件開發過程中，根據設備物理結構搭建出仿真模型，進行硬件在環仿真測試，可以更早的驗證系統的功能性、可靠性、冗餘性，避免海上試驗的風險、節約成本。

　　1.硬件在環測試系統的組成

　　HIL設備一般由被控對象仿真模型、實時處理器、I/O接口、操作界面等幾部分組成。其中被控對象仿真模型通過建立精确模型，模拟被控物理對象，并且發出正确的狀态信息，例如硬件設備動力學模型、傳感器模型、電池模型等；實時處理器用來實時運行仿真模型、保障通信、處理數據；硬件I/O接口負責控制系統與被控制對象之間的數據交互、信号收發；操作界面為用戶提供系統的可視化界面，方便用戶的操作和管理。深海養殖設備硬件在環測試系統原理圖如圖1所示。

　　圖1 深海養殖設備硬件在環測試系統原理圖

　　2.硬件在環測試流程

　　HIL測試包括HIL測試工具開發、HIL測試系統集成、HIL測試場景開發和HIL測試執行等四個步驟(如圖2所示)。

　　圖2 HIL測試流程

　　深海養殖設備硬件在環測試系統檢驗

　　深海養殖設備的性能和安全運行，對于深海養殖産業的健康發展至關重要。設備的控制系統日益複雜，對于測試的全面性和覆蓋度提出了很高的挑戰。硬件在環測試技術能夠有效幫助驗證養殖設備控制系統的性能水平和安全級别。随着硬件在環測試技術在深海養殖領域的不斷發展，需要提出适用于深海養殖設備的HIL測試系統檢驗要求和标準，以用于指導深海養殖設備HIL測試流程。

　　1.HIL軟件的要求

　　根據HIL軟件的故障影響，将HIL軟件分為3類，分别是I、II和III類(參照表1)。

　　表1 HIL軟件分類

　　HIL軟件生産廠商應參照IEEE 730的要求，制定針對HIL軟件全生命周期的質量保障措施，并向檢驗機構提交相關文檔。包括：

　　(1)軟件質量計劃；

　　(2)軟件需求規格書；

　　(3)軟件概要設計/詳細設計報告；

　　(4)軟件試驗大綱；

　　(5)軟件測試報告；

　　(6)系統風險分析/評估報告；

　　(7)軟件安裝使用說明書/操作手冊；

　　(8)模型清單及模型說明文件。

　　HIL軟件的測試範圍應包括系統的功能、性能、可靠性、可用性等方面。對于II和III類的HIL軟件，還應該制定保證安全功能的相關措施以及進行測試驗證。

　　2.HIL硬件的要求

　　對于硬件在環測試來說，保證整個環路的通信完整和暢通是最基礎要求。對于控制系統和仿真設備，需要保證兩者之間的實時通信能力。

　　HIL模拟器通過實時仿真的I/O接口代替真實I/O接口，與控制系統進行數據交互，為控制系統提供所需的信息，并且處理控制系統的信号。對于HIL模拟器來說，需要保證其提供的模拟數據與真實數據的一緻性，以保證對于控制系統的各種場景的全面測試驗證。

　　根據檢驗方的需要，還應提供HIL系統的硬件清單，以及各硬件的配置信息、型号、特性說明，包括機櫃、模拟器、實時處理器、I/O闆卡、故障注入單元(如有)、上位機等。

　　對于HIL系統硬件的測試驗收包括激勵測試、開環測試和閉環測試三個層級。其中激勵測試是在不連接控制器的情況下，對硬件設備的測試；開環測試是接入目标控制器，對模拟傳感器信号進行标定、對執行器的驅動信号進行采集，為閉環測試做準備；閉環測試則是加入被控對象的實時模型，進行各種工況和場景的測試。所有的測試結果應形成報告并提交檢驗機構進行确認。

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