近年来，我国海洋渔业取得了显著成就，随着海工装备技术的不断发展，以及海工领域数字化能力的提升，大型化、数字化、智能化成为深远海渔业养殖设施的重要发展方向。硬件在环仿真测试技术是一种用于检测和验证控制系统软件可靠性的高效仿真测试技术，通过实时处理器运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，具有低成本、低风险的优势，有助于提升产品质量，缩短研制周期。随着数字化与智能化的不断发展，海洋渔业养殖设备的安全运行越来越依赖于复杂和关键的控制系统，硬件在环测试技术对于控制系统的全面充分测试有非常重要的作用，因而对于深海养殖设备在环测试系统的检验认证技术研究也具有非常重要的意义。
深海养殖设备介绍
深海养殖设施系指在深远海域直接用于渔业养殖、或以渔业养殖为主，兼具渔业休闲功能的海洋工程设施，也称养殖工船、养殖船。一般以钢制结构为主体构架，包括柱稳式、框架式和船式，以纤维类或金属合金材料为网衣。深海养殖设备是深海养殖设施上具有独立功能的单元，主要包括饵料处理单元、饵料投喂单元、捕鱼装置、渔网清洗装置、监控系统(水下监测装置、环境监测装置、鱼群密度监视装置、闭路电视/摄像单元、污水处理和淡水处理控制/监视单元、水下照明系统、雷达光电海域看护系统)、网衣等。
1.饵料处理设备
常见的饵料处理设备例如饵料加药混合机。饵料加药混合机是用来混合鱼饵料和鱼药用的设备，常见的结构形式包括立式和卧式。电机减速机一般位于主设备的端面，设备运行平稳，对于饵料的破坏比较小。设备运行时物料保持运动的状态，对于动力的要求比较高。在饵料和鱼药混合时喷入液体药剂，整个混合过程中饵料呈现固体颗粒的状态。饵料最终通过混合机底部下料器或阀门、管道排出。
2.饵料投喂设备
常见的饵料投喂设备例如远程气力自动投饵设备。远程气力自动投喂设备是一种高效的养殖配套系统，可以通过气体，将饵料抛洒至网箱，一般由供料系统、动力系统、分配系统、喷洒系统、控制系统组成。一般使用柴油发电机供电，通过电机驱动罗茨风机产生高速空气，带动饵料通过管道进行输送，然后将饵料分流投喂到多组的网箱或者单个网箱的不同位置。通过喷洒系统可以将饵料均匀喷洒到水面；并且通过控制系统实现整体逻辑控制，能够实现定时、定量和自动控制等功能。
3.捕鱼设备
常见的捕鱼设备例如真空吸鱼泵。真空吸鱼泵是一种活鱼分级和运输的专用装置。这种装置利用的是真空负压抽取原理，对活鱼进行无损伤抽取，能够极大减少活鱼的损失。真空吸鱼泵主要包括真空压力罐、水环真空泵、冷却水系统、吸入排出管路和控制装置，其中真空压力罐连接到吸入和排出管路上面，可以实现活鱼的储存和运输；水环真空泵为系统提供动力，将真空泵的吸入口和排出口分别与真空压力罐连接形成负压和正压，可以实现吸鱼和排鱼功能。冷却水系统为水环泵提供冷却水，以避免水环泵工作时温度过高，一般在冷却管路上安装气动球阀和流量调节阀，以控制供应的水量。
硬件在环测试技术介绍
硬件在环(Hardware-in-the-Loop，HIL)是用于复杂设备控制系统开发与测试的技术，通过硬件在环测试，机器或者系统的物理部分被仿真器代替，被广泛用于控制系统的开发中。硬件在环仿真系统是一套实时性要求较高的软硬件系统，它的发展依赖于微电子技术和计算机技术的发展。在深海渔业养殖设备控制系统软件开发过程中，根据设备物理结构搭建出仿真模型，进行硬件在环仿真测试，可以更早的验证系统的功能性、可靠性、冗余性，避免海上试验的风险、节约成本。
1.硬件在环测试系统的组成
HIL设备一般由被控对象仿真模型、实时处理器、I/O接口、操作界面等几部分组成。其中被控对象仿真模型通过建立精确模型，模拟被控物理对象，并且发出正确的状态信息，例如硬件设备动力学模型、传感器模型、电池模型等；实时处理器用来实时运行仿真模型、保障通信、处理数据；硬件I/O接口负责控制系统与被控制对象之间的数据交互、信号收发；操作界面为用户提供系统的可视化界面，方便用户的操作和管理。深海养殖设备硬件在环测试系统原理图如图1所示。
图1 深海养殖设备硬件在环测试系统原理图
2.硬件在环测试流程
HIL测试包括HIL测试工具开发、HIL测试系统集成、HIL测试场景开发和HIL测试执行等四个步骤(如图2所示)。
图2 HIL测试流程
深海养殖设备硬件在环测试系统检验
深海养殖设备的性能和安全运行，对于深海养殖产业的健康发展至关重要。设备的控制系统日益复杂，对于测试的全面性和覆盖度提出了很高的挑战。硬件在环测试技术能够有效帮助验证养殖设备控制系统的性能水平和安全级别。随着硬件在环测试技术在深海养殖领域的不断发展，需要提出适用于深海养殖设备的HIL测试系统检验要求和标准，以用于指导深海养殖设备HIL测试流程。
1.HIL软件的要求
根据HIL软件的故障影响，将HIL软件分为3类，分别是I、II和III类(参照表1)。
表1 HIL软件分类
HIL软件生产厂商应参照IEEE 730的要求，制定针对HIL软件全生命周期的质量保障措施，并向检验机构提交相关文档。包括：
(1)软件质量计划；
(2)软件需求规格书；
(3)软件概要设计/详细设计报告；
(4)软件试验大纲；
(5)软件测试报告；
(6)系统风险分析/评估报告；
(7)软件安装使用说明书/操作手册；
(8)模型清单及模型说明文件。
HIL软件的测试范围应包括系统的功能、性能、可靠性、可用性等方面。对于II和III类的HIL软件，还应该制定保证安全功能的相关措施以及进行测试验证。
2.HIL硬件的要求
对于硬件在环测试来说，保证整个环路的通信完整和畅通是最基础要求。对于控制系统和仿真设备，需要保证两者之间的实时通信能力。
HIL模拟器通过实时仿真的I/O接口代替真实I/O接口，与控制系统进行数据交互，为控制系统提供所需的信息，并且处理控制系统的信号。对于HIL模拟器来说，需要保证其提供的模拟数据与真实数据的一致性，以保证对于控制系统的各种场景的全面测试验证。
根据检验方的需要，还应提供HIL系统的硬件清单，以及各硬件的配置信息、型号、特性说明，包括机柜、模拟器、实时处理器、I/O板卡、故障注入单元(如有)、上位机等。
对于HIL系统硬件的测试验收包括激励测试、开环测试和闭环测试三个层级。其中激励测试是在不连接控制器的情况下，对硬件设备的测试；开环测试是接入目标控制器，对模拟传感器信号进行标定、对执行器的驱动信号进行采集，为闭环测试做准备；闭环测试则是加入被控对象的实时模型，进行各种工况和场景的测试。所有的测试结果应形成报告并提交检验机构进行确认。
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