專利名稱：用于測試海洋船舶控制系統(tǒng)的系統(tǒng)與方法
引言控制系統(tǒng)通常被認為是一種向某一物理過程發(fā)送控制信號并從某一裝置或某一物理過程或可能從其他物理過程接收測量結(jié)果的系統(tǒng)。這些測量結(jié)果和一個算法用于計算控制信號，以使該物理過程如同所期望的那樣運行。如果該物理過程是一只電動船，那么該控制系統(tǒng)可以收到形式為船舶位置、航線和速度的測量數(shù)據(jù)，并可以因此計算發(fā)送給螺旋槳和方向舵的控制信號，從而獲得船舶位置、航線和速度中一個或多個。
問題描述在這種情況下形式為船舶的物理過程會受到諸如風、浪和水流變化之類的外部事件或諸如一個或多個螺旋槳的發(fā)動機功率損失或方向舵功能失靈之類的意外事件的影響。人們所期望或希望的是，船舶的控制系統(tǒng)能處理外部影響和外部事件，從而使船舶保持安全狀態(tài)。例如，安全狀態(tài)為船舶保持預(yù)期位置或速度、它避免非期望的位置(為了避免碰撞或擱淺)、它避免失控漂流情形或它保持預(yù)期航線等。此外，人們所希望的是，在傳感器信號損失或傳感器出錯的情況下，控制系統(tǒng)不應(yīng)當做出非期望和不合宜的補償，例如，為響應(yīng)滾轉(zhuǎn)或俯仰傳感器真實信號損失而突然改變壓載泵作用(ballastpumping)或?qū)γ黠@位置錯誤的突然校正。
控制系統(tǒng)的測量圖1和3示出了一種船舶控制系統(tǒng)，輸入來自提供測量結(jié)果的裝置，輸出被發(fā)送到提供控制信號的致動器、推進裝置和控制裝置。此類控制系統(tǒng)能夠從多種信源接收形式為傳感器信號的測量結(jié)果-滾轉(zhuǎn)(roll)/俯仰(pitch)/升降(heave)傳感器；-用于測量相對風速和方向的風速計；-回轉(zhuǎn)羅盤；-GPS傳感器或GPS定位系統(tǒng)；-慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，基于加速度測量值，在時間上進行一次積分計算出速度，以及，基于加速度測量值，在時間上進行兩次積分計算出位置；-與海底固定點相關(guān)的水底傳音位置傳感器；-張緊線(taut-wire)系統(tǒng)，觀察從船舶到海底多點的該系統(tǒng)的一根或多根張緊線的長度和方向；-命令信號，用于改變船舶航線或預(yù)期航線、預(yù)期位置或預(yù)期速度；-螺旋槳和發(fā)動機上的軸或/和負荷；-方向舵角度傳感器；-用于裝載油罐的液位傳感器；-壓載位置傳感器；-料位傳感器；-引擎狀態(tài)、冷卻水溫度、油壓等。
控制系統(tǒng)向諸如推進器和控制裝置之類的致動器提供控制信號。推進器可以是普通的螺旋槳、隧道推進器或方位推進器，但在某些情況下也可以是用于將船舶拖拉到正確位置的錨錠系統(tǒng)。也可將控制信號提供給壓載泵和相關(guān)的閥，以糾正滾轉(zhuǎn)角度或俯仰角度。
動態(tài)定位(DP)控制的相關(guān)問題如果該船舶是石油鉆探船或石油生產(chǎn)船，例如鉆探船或鉆探平臺、石油生產(chǎn)船或石油生產(chǎn)平臺，那么，控制系統(tǒng)也可以接收來自升降加速計的升降運動測量值，并將控制信號輸出到用于升降器、鉆柱、起重機等的主動升降補償系統(tǒng)，其中，機械裝置可連接到海底并且對補償船舶運動尤其是升降運動非常重要。海洋石油活動控制系統(tǒng)的常規(guī)用途是船舶的動態(tài)定位，也就是說，該船舶使用諸如方位推進器之類的致動器在鉆探或石油生產(chǎn)過程中保持預(yù)期的位置。停泊并且可能會繞著連到海底的纜繩旋轉(zhuǎn)的船舶也可以具有這樣的控制系統(tǒng)由于風向或水流變化而導(dǎo)致船舶旋轉(zhuǎn)時，向螺旋槳或推進器提供變化的控制信號，以輔助船舶保持預(yù)期的位置，從而使推進器提供動力，以補償力變化時纜繩張力的變化。同樣，可以設(shè)想的是，該控制系統(tǒng)可以提供控制信號，以增加或減少相同原因所引起的纜繩的張力。
測試船舶控制系統(tǒng)的相關(guān)問題船只檢查員可以檢查船舶并在船上對控制系統(tǒng)進行測試。船上測試可通過斷開或連接傳感器系統(tǒng)來實現(xiàn)，并監(jiān)視不同故障情形下的系統(tǒng)響應(yīng)。然而，要對可預(yù)料情形做出真實的船舶測試，需要等待或?qū)ふ也怀０l(fā)生或可能危險的氣候狀況和海況(sea state)。為了檢測控制系統(tǒng)是否提供用于糾錯補償?shù)目刂菩盘?，考慮將船置于諸如壓載分布錯誤不尋常大之類的極端環(huán)境幾乎是不可能的選擇。此類測試通常無法實現(xiàn)。
可以模擬發(fā)送給船上控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)并監(jiān)測控制系統(tǒng)發(fā)送給諸如螺旋槳、方向舵和推進器之類的致動器的控制信號，但是，這需要控制系統(tǒng)與測試系統(tǒng)局部內(nèi)連接，就申請人所知，目前還不能完成。檢查待測試船舶的缺點通常關(guān)于船只檢查員的長途跋涉，船只檢查員必須攜帶內(nèi)連接到控制系統(tǒng)輸入、用于測量的裝置和內(nèi)連接到控制系統(tǒng)輸出、用于將控制信號形式的響應(yīng)發(fā)送到船舶致動器的裝置，此外，還有一個至少包括待測試實際船舶配置的數(shù)據(jù)庫。并且，如果沒有測試和驗證的船不能投入使用，那么，從待測試和驗證的船舶到下一只船舶的旅行時間使得檢查員很難足夠快速地執(zhí)行檢查，因此下一只船舶將不得不等待更長的時間，而等待將造成經(jīng)濟損失。使用由于缺乏控制系統(tǒng)測試而沒能暴露可能錯誤的船舶也可能導(dǎo)致隱蔽的自然危險。
這意味著對船舶控制系統(tǒng)需要更高效的測試，尤其因為船舶可能地理上相互距離甚遠并且實際上不容易找到檢查員。
在控制系統(tǒng)的生產(chǎn)工廠內(nèi)，通常對控制系統(tǒng)(包括硬件和軟件)執(zhí)行一種被稱為工廠驗收試驗(FAT)的測試，其中，生產(chǎn)商向控制系統(tǒng)輸入模擬傳感器數(shù)據(jù)并監(jiān)視控制系統(tǒng)響應(yīng)地給出的控制信號。此種類型的FAT只能顯示出生產(chǎn)商已預(yù)見存在的來自信號源的測量結(jié)果中的錯誤以及控制信號僅用于生產(chǎn)商已經(jīng)預(yù)見的裝置中的錯誤。因此，不能確切地知道控制系統(tǒng)如何對控制系統(tǒng)生產(chǎn)商不能預(yù)知的裝置、系統(tǒng)、配置或情形做出反應(yīng)。此外，在FAT中，無法在船舶上安裝和連接使用控制系統(tǒng)的實際地點(constellation)中測試該控制系統(tǒng)。
動態(tài)定位中的實際問題示例對于保持在螺旋槳、方向舵、隧道或方位類型推進器的預(yù)期位置的船舶(4)的動態(tài)定位，操作的關(guān)鍵是船舶保持其位置。但很多事件可能是非預(yù)期的。人們可能會經(jīng)歷一個或多個螺旋槳或推進器的發(fā)動機功率損失，然后不得不增加剩余螺旋槳和/或推進器上的發(fā)動機功率以及可能旋轉(zhuǎn)剩余的方向舵或推進器。人們也可能遭遇控制系統(tǒng)失去來自所連接傳感器的一些信號以至于發(fā)生意外事件的嚴重錯誤。發(fā)明人知道這樣一個例子在這種情況下，該船舶為一個鉆探平臺，其位于遠海(open sea)中的一個固定位置，并正在海底鉆一口石油井的鉆孔，其中，鉆探平臺通過所謂的動態(tài)定位或“DP”的方法來保持預(yù)期的位置，也就是說，通過位置測量和發(fā)動機功率、而不是使用連到海底的纜繩，將控制系統(tǒng)調(diào)整到預(yù)期的位置。該鉆探平臺裝配有兩套DGPS接收器，其基于從多個導(dǎo)航衛(wèi)星接收到的無線信號，計算船舶的地理位置。此外，該鉆探平臺還裝配有兩套水底傳音位置傳感器，其測量該船舶相對于海底固定點處的發(fā)射機應(yīng)答器的位置。在鉆探過程中的一個給定時間，由于升管(riser)連接到鉆孔并積極鉆井，此時，發(fā)生了一個事件，使得DGPS接收器顯示約75米位置有一個突變，雖然實際上沒有發(fā)生這樣的位置變化。水底傳音傳感器顯示在鉆孔上方預(yù)期位置處有一個穩(wěn)定位置?；谠撔盘?，該控制系統(tǒng)繼續(xù)控制螺旋槳和方向舵，并且鉆探平臺沒有中斷地保持在正確的動態(tài)位置。然而，事實證明，5分鐘后，鉆探平臺根據(jù)當時錯誤的DGPS信號突然開始向預(yù)期位置移動。這時需要使用相關(guān)緊急事件程序來中斷鉆井，這涉及斷開升管連接、切斷鉆柱等。這類情形涉及氣和油的噴出危險或噴灑鉆出液體的污染。這類情形也可能給船舶和船員帶來危險。因此，重新啟動這種類型的中斷DP鉆井非常昂貴。申請人認為由DGPS接收機計算出的初始位置突變可能是從GPS衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮諜C的信號干擾所造成的，或者是由可用衛(wèi)星數(shù)量不足情況所造成的?？刂葡到y(tǒng)可能已經(jīng)忽略此類DGPS信號損失，由于控制系統(tǒng)的軟件中的質(zhì)量情況要求這樣的計算位置必須在前5分鐘內(nèi)保持穩(wěn)定以被視為真實。這樣，避免由于錯誤信號導(dǎo)致的位置突變。但是，從DGPS接收機計算出的新的、變化的、但不穩(wěn)定的位置可以在5分鐘后被認為是穩(wěn)定的，并因此被控制系統(tǒng)認為是可靠的，并且給予比來自水底轉(zhuǎn)發(fā)器的測量值高的優(yōu)先級。這可能是控制系統(tǒng)試圖將鉆探平臺控制到其已明確解釋為預(yù)期位置的新位置的原因，雖然鉆井仍在進行，并且水底傳音測量的位置表明該位置應(yīng)當保持不變。
關(guān)于改變船船中配置的問題控制系統(tǒng)的再編程在控制系統(tǒng)投入船舶使用之后，有很多情況需要對控制系統(tǒng)中的軟件進行重新編程或修改。這樣做的目的可能是需要在程序算法中改變警報極限和傳感器信號的可接受變化的數(shù)值，或者是需要在控制系統(tǒng)中引入新的測試和功能。當對軟件重新編程和修改完成時，需要測試控制系統(tǒng)，以了解變化是否產(chǎn)生了預(yù)期效果，以及檢查修改是否導(dǎo)致出現(xiàn)新的未預(yù)料錯誤。目前，對于測試此類改變后船上控制系統(tǒng)，還沒有另人滿意的測試裝置和方法。
現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的修改，例如替換起重機時具有用于在海底上安裝和替換模塊的起重機的船舶完成石油和液化汽勘探與生產(chǎn)相關(guān)的海洋作業(yè)。此類起重機具有補償船舶垂直運動的控制系統(tǒng)。起重機在安全性關(guān)鍵情形中的操作模式和功能很大程度上取決于控制系統(tǒng)的軟件的細節(jié)設(shè)計，這隨起重機不同而不同。對于測試此類起重機機械設(shè)計，已有確定的程序。與此相反，對于測試起重機控制系統(tǒng)的軟件，還沒有確定的系統(tǒng)或方法。其原因在于，起重機的響應(yīng)取決于海況和船舶運動以及起重機的機械設(shè)計和控制系統(tǒng)。因此，對船舶上起重機系統(tǒng)所需要的詳細測試應(yīng)當既涉及包含船舶相關(guān)控制系統(tǒng)的船舶動力，還應(yīng)當涉及包含起重機控制系統(tǒng)的起重機動力。
控制系統(tǒng)傳感器的維修/替換當替換或修改控制系統(tǒng)傳感器時，需要調(diào)整用于限制傳感器信號中可接受變化的警報極限。通常情況下，控制系統(tǒng)具有冗余的傳感器系統(tǒng)，從而用多個傳感器測量相同的物理量。這種情況的一個例子是用慣性傳感器、兩個或更多個GPS接收機和兩個水底傳音傳感器系統(tǒng)，來測量船舶的位置。根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)中的算法確定船舶位置。該算法取決于各傳感器的關(guān)于精確度的屬性和諸如快速位置變化下的長期穩(wěn)定性與精確度之類的屬性。傳感器的替換和修改需要測試整個傳感器系統(tǒng)，以調(diào)查所得的傳感器組合是否提供了控制系統(tǒng)所用的可接受位置測量值。
維修/修改/替換致動器替換或修改致動器后，控制系統(tǒng)可能發(fā)出非常不同的船舶響應(yīng)。原因在于新的或修改后的致動器向船舶發(fā)出的控制動作可能不同于控制系統(tǒng)開發(fā)期間所設(shè)想的情況。一個這樣的例子是，使用推進器進行動態(tài)定位，其中，當調(diào)整控制系統(tǒng)時，推進器軸速與推力之間的關(guān)系必須是已知的。如果推進器發(fā)生變化，那么，推進器軸速與推力之間的關(guān)系可能會發(fā)生變化，這就需要測試具有該控制系統(tǒng)的船舶，以檢查系統(tǒng)是否仍令人滿意地運行。
因此，在修改船舶原配置以及以前沒有組合船舶的新舊部件并不得不在新組合中進行測試的情況下，需要對船舶控制系統(tǒng)進行更有效的測試。
本領(lǐng)域公知技術(shù)美國專利6298318“Real-time IMU method for test of guidancenavigation and control systems”描述了一種用于測試飛機的模擬方法，其使用所謂的6自由度(6 DOF)飛行模擬器來模擬運動，其中，通過模擬，產(chǎn)生從所謂的慣性導(dǎo)航模塊到飛行器上“引導(dǎo)、導(dǎo)航與控制”系統(tǒng)的信號。該美國專利沒有討論鉆探作業(yè)或其他形式靜態(tài)作業(yè)中船舶動態(tài)定位的相關(guān)問題，也沒有提及使用起重機、已連接的水下裝置的導(dǎo)航、水底傳音定位裝置的集成和壓載相關(guān)問題，也沒有考慮海浪。當存在升降/滾轉(zhuǎn)/俯仰運動中的恢復(fù)動作時，船只通常沒有6個DOF，而是只有3個DOF。
美國專利5023791“Automated test apparatus for aircraft flightcontrols”描述了一種自動測試裝置，用于測試飛行器的飛行控制系統(tǒng)，作為用于測試多個飛行控制系統(tǒng)的集成系統(tǒng)的一部分。該自動測試裝置包括一個系統(tǒng)控制器，其具有的存儲器用于存儲控制該自動測試裝置操作的編程指令以及存儲所得的飛行控制系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。該自動測試裝置包括一個鍵盤、一個觸摸屏和一個磁帶驅(qū)動器，用于將編程指令和其他信息輸入到該自動測試裝置中以及從系統(tǒng)控制器輸出測試數(shù)據(jù)。該自動測試裝置內(nèi)包括的、由系統(tǒng)控制器控制的裝置產(chǎn)生輸入到飛行器控制系統(tǒng)的測試信號，并監(jiān)測由飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)生的所得測試數(shù)據(jù)信號。該自動測試裝置通過接口電纜連接到飛行器內(nèi)的車載中央維護計算機。該中央維護計算機包括一個非揮發(fā)性存儲器，其被編程為運行飛行控制系統(tǒng)車載測試，并在測試過程中由系統(tǒng)控制器根據(jù)運行車載測試的編程指令來控制。
美國專利5541863“Virtual integrated software testbed for avionics”描述了一種用于航空電子設(shè)備的虛擬集成軟件實驗臺，該實驗臺允許在主機上使用多個計算機程序來開發(fā)航空電子軟件，這些計算機程序作為進程同時運行并由一個中央進程來控制。所公開的軟件實驗臺使用分離的同步進程，允許通過運行主機上的模擬程序或從實際裝置產(chǎn)生信號，并允許數(shù)據(jù)總線信號來往于實際的航空電子硬件，所述航空電子硬件在實時的基礎(chǔ)上連接到主機中的虛擬總線對等方。
美國專利5260874“Aircraft flight emulation test system”描述了一種飛行器測試系統(tǒng)，其產(chǎn)生的激勵模擬飛行器飛行過程中收到的激勵。該飛行器測試系統(tǒng)包括多個用于產(chǎn)生處理器可控裝置的數(shù)量的裝置，用于產(chǎn)生飛行器飛行過程中收到的激勵。該系統(tǒng)還包括多個監(jiān)控多個飛行器部件對該飛行器接收到的激勵的響應(yīng)的裝置。響應(yīng)飛行器部件的輸出信號的處理器指示激勵產(chǎn)生裝置產(chǎn)生激勵，以模擬飛行器在空中穿行時收到的激勵。因此，系統(tǒng)產(chǎn)生的初始激勵集合類似于飛行器飛行過程中所接收的激勵；該系統(tǒng)監(jiān)控該飛行器收到的激勵的響應(yīng)；并且，該系統(tǒng)響應(yīng)地向飛行器產(chǎn)生最新的激勵集合。該系統(tǒng)也記錄飛行器部件的輸出響應(yīng)的響應(yīng)，使得它們能夠被人工監(jiān)控，從而保證飛行器的正常運行。由于該系統(tǒng)可以在飛行模擬過程中將飛行器置入“環(huán)路(in the loop)”，所以也可用于訓(xùn)練飛行人員。
美國專利6505574“A vertical motion compensation for a crane’sload”描述了一種用于降低海況誘導(dǎo)船上起重機負載垂直運動的系統(tǒng)與方法，其使用絞盤(winch)編碼器、動臂傾角(boom angle)傳感器、轉(zhuǎn)動角傳感器和運動傳感器，它們都將測量結(jié)果輸入一個中央處理器中，該中央處理器根據(jù)測量數(shù)值和起重機操作員的命令控制起重機。
問題的解決方案、發(fā)明的簡短總結(jié)根據(jù)本發(fā)明，對于上述測試船只控制系統(tǒng)的問題的一種解決方案是一種用于測試船舶控制系統(tǒng)的方法，其中，該控制系統(tǒng)包括用發(fā)給一個或多個致動器的控制信號來控制和監(jiān)控該船舶，其中，該方法包括以下步驟*通過到該控制系統(tǒng)的第一傳感器信號線，實時地獲取從一個或多個傳感器到該控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)；*通過到該控制系統(tǒng)的第二信號線或命令信號線，獲取從命令輸入裝置到該控制系統(tǒng)的命令信號；*在該控制系統(tǒng)內(nèi)的控制算法中，根據(jù)一個或多個所獲取的傳感器數(shù)據(jù)和命令信號，計算控制信號，并通過第三信號線將控制信號發(fā)送給致動器；本發(fā)明的新穎之處包括以下步驟*將來自一個或多個傳感器的一個或多個傳感器信號或者來自一個或多個命令輸入裝置的命令信號斷開連接，以使得不將選中的傳感器信號或命令信號發(fā)送到該控制系統(tǒng)；并且，用相應(yīng)的模擬傳感器信號或命令信號替換一個或多個斷開連接的傳感器信號或命令信號，所述相應(yīng)的模擬傳感器信號或命令信號是在相對于該船舶的遠程測試實驗室內(nèi)產(chǎn)生的，并通過一條或多條信號線、經(jīng)由通信線路被發(fā)送到該控制系統(tǒng)；*根據(jù)真實和/或模擬傳感器信號或命令信號，在控制系統(tǒng)內(nèi)繼續(xù)計算控制信號；以及*經(jīng)由通信線路，將該控制信號發(fā)送到該遠程測試實驗室。
在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，該方法包括在該遠程測試實驗室內(nèi)的模擬器中，根據(jù)所述控制信號，通過算法，模擬船舶的新動力狀態(tài)。
可以在從屬專利權(quán)利要求中找到本發(fā)明方法的其他步驟。
當控制系統(tǒng)測試完成后，斷開該船舶與該遠程測試實驗室之間的通信線路；以常規(guī)方法，將所述傳感器和命令輸入裝置連接到該控制系統(tǒng)；將該控制系統(tǒng)的控制信號輸出連接到所述致動器，以使該船舶內(nèi)的控制系統(tǒng)正常操作。
本發(fā)明也包括用于測試船舶中控制系統(tǒng)的系統(tǒng)，其中，該控制系統(tǒng)控制和監(jiān)視該船舶，包括以下步驟*該船舶上的一個或多個傳感器，通過信號線，將一個或多個傳感器信號發(fā)送到該控制系統(tǒng)；*該船舶上的命令輸入裝置，通過命令信號線，將預(yù)期位置、路線、速度等發(fā)送給該控制系統(tǒng)；*該控制系統(tǒng)內(nèi)的一個算法，根據(jù)傳感器信號、命令信號，計算發(fā)給船舶致動器的控制信號，并通過信號線將控制信號發(fā)送到給所述致動器；其中，該系統(tǒng)的新穎之處包括以下步驟*一條或多條通信線路，用于將一個或多個模擬傳感器信號和/或模擬命令信號從遠程測試實驗室傳輸?shù)皆摽刂葡到y(tǒng)的；*包括一個算法的模擬器，根據(jù)該船舶的以前狀態(tài)、控制信號和動態(tài)參數(shù)，模擬船舶模型的新動力狀態(tài)；*其中，該通信線路將船舶模型的新模擬狀態(tài)以模擬傳感器信號的形式，回送給該控制系統(tǒng)，在該控制系統(tǒng)中，根據(jù)真實的和/或模擬的傳感器信號或者真實的和/或模擬的命令信號，繼續(xù)計算控制信號，以獲得至少一個預(yù)期位置、路線、速度等；以及*其中，該通信線路將該控制系統(tǒng)的響應(yīng)，以控制信號的形式，作為控制信號，發(fā)送給該遠程測試實驗室。


附圖1到7描述了本發(fā)明。附圖只用于描述本發(fā)明、而不用來限制本發(fā)明，本發(fā)明由所附的權(quán)利要求進行限定。
圖1示出了具有控制系統(tǒng)的船舶。該控制系統(tǒng)接收來自導(dǎo)航裝置的位置、航線和速度測量結(jié)果，并接收來自位置指定裝置、控制系統(tǒng)的控制面板、速度指定裝置、用于螺旋槳或可能用于推進器的速度或軸速指定裝置的命令。該控制系統(tǒng)還可接收來自風速計的相對風向和相對風速的測量結(jié)果，并且它也可以接收或計算關(guān)于海況的信息，即浪高、滾轉(zhuǎn)周期、俯仰程度等。可以將該控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)輸出軸速給螺旋槳和角度給方向舵，從而獲得預(yù)期的位置、航線和速度。
圖2示出了船舶控制系統(tǒng)的FAT，其中，控制系統(tǒng)連接到模擬傳感器信號的接口，并且，控制系統(tǒng)向(沒有連接的)致動器以控制信號提供響應(yīng)。
圖3示出了公知的船只控制系統(tǒng)，具有連接的傳感器、命令輸入裝置和控制系統(tǒng)的致動器。
圖4a描述了本發(fā)明的基本思想，其中，船舶模擬器位于遠方模擬器位置，還有記錄器，兩者經(jīng)由位于模擬器位置的第一實時接口，通過一個或多個用于實時控制、模擬和記錄的通信通道，連接到一個或多個實時控制、模擬和記錄的實時接口，該實時接口進一步連接到控制系統(tǒng)，例如，至少一只船舶上的控制和監(jiān)視系統(tǒng)。模擬器位置可以處于例如陸地上所謂的階級社會(class society)。
圖4b示出了具有控制系統(tǒng)的船舶，其中，用來往測試實驗室的通信線路上的模擬傳感器信號替換一個或多個真實傳感器信號，并且，將從控制系統(tǒng)到船舶致動器的一個或多個控制信號經(jīng)由通信線路回送給測試實驗室，優(yōu)選情況下不將其發(fā)送到船舶的致動器。
圖4c示出了一只船舶，其中，用于俯仰、滾轉(zhuǎn)、風速、風向的傳感器集合、GPS位置傳感器、DGPS位置傳感器、水底傳音位置傳感器等通常向船舶控制系統(tǒng)提供測量結(jié)果，用經(jīng)由一條或多條通信線路、來自遠程測試系統(tǒng)的模擬測量值取代該測量結(jié)果，并且，控制系統(tǒng)對該模擬測量值做出響應(yīng)，該響應(yīng)通常提供控制信號給船舶致動器，例如螺旋槳、方向舵、隧道推進器、方位推進器，并且，經(jīng)由通信線路，將該響應(yīng)發(fā)送到遠程測試實驗室，那里的船舶模擬器，例如形式為算法，計算模擬船舶的動力行為，以響應(yīng)來自船舶遠程控制系統(tǒng)的控制信號，并將船舶新狀態(tài)回送到該遠程系統(tǒng)，以得到以新控制信號形式的新響應(yīng)。
圖5描述了滾轉(zhuǎn)、俯仰及升降(heave)形式的船舶運動的示意圖。
圖6描述了滑脫(surge)、搖擺(sway)及偏航(yaw)中的船舶運動的示意圖，這些運動對于動態(tài)定位是很重要的，例如，對于沒有泊位(或者有些情況下有泊位)的石油鉆探。
圖7示出了使用本發(fā)明的相關(guān)問題概要圖，其中，控制系統(tǒng)用于控制鉆探時動態(tài)定位下的鉆探平臺，實際位置和預(yù)期位置用黑體“X”標記。
具體實施例方式
如圖4a中的概述圖及圖4b和4c中的詳細圖所示，本發(fā)明包括一種經(jīng)由通信信道(6)實時地測試諸如船只、鉆探平臺、石油生產(chǎn)平臺之類的船舶(4)上的控制系統(tǒng)(2)的系統(tǒng)和方法。該控制系統(tǒng)(2)包括對船的控制和監(jiān)視。對控制系統(tǒng)(2)的測試包括對船舶的常規(guī)狀態(tài)、極端狀態(tài)以及這些常規(guī)和極端狀態(tài)的常規(guī)變化的模擬，例如，在模擬的平靜海況(H1)下的平常運動。此外，可以模擬在模擬的極端海況(H2)下的平常運動，模擬例如船舶只有單螺旋槳(16)時單螺旋槳(16)發(fā)動機功率損失的故障情形，模擬旋轉(zhuǎn)偏離預(yù)期路線(7b)及從預(yù)期位置(7a)漂離的后續(xù)動態(tài)模擬的故障情形。也可模擬船舶具有一個或多個仍工作的螺旋槳(16b，16c，…)時一個或更多螺旋槳(16a，16b，…)的損失，并研究船舶如何對一個或多個螺旋槳的損失做出反應(yīng)。
下面將簡單描述該系統(tǒng)，作為圖4a、b和c中描述的具體設(shè)備，用于從遠程實驗室(40)到一個或多個船舶(4a，4b，4c，…)的控制系統(tǒng)(2)的干預(yù)(intervention)。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)用于測試船舶(4)中的控制系統(tǒng)(2)，其中，控制系統(tǒng)(2)控制和監(jiān)視該船舶(4)。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括以下特征*船舶(4)上的一個或多個傳感器(8)通過信號線(12)將一個或多個傳感器信號(7)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)；*船舶(4)上的命令輸入裝置(10)通過命令信號線(12)將一個預(yù)期位置、路線、速度(9)等發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)；*控制系統(tǒng)(2)中的一個算法(31)根據(jù)傳感器信號(7)和/或命令信號(9)，計算發(fā)送給船致動器(3)的控制信號(13)，并通過信號線將該控制信號(13)發(fā)送給致動器(3)；*一條或多條通信線路(6)將一個或多個模擬傳感器信號(7′)和/或模擬命令信號(9′)從遠程測試實驗室(40)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)。該遠程實驗室可以在陸地上，并且，在實驗室中和待測試船舶上必須都有實時通信裝置；*包括模擬器(30)的遠程實驗室，該模擬器包括算法(32)，根據(jù)船舶(4)的以前狀態(tài)(7，7′)、控制信號(13，13′)和動力參數(shù)(5)，模擬船舶模型(4′)新的動力狀態(tài)(7′)；*通信線路(6)，用于將船舶模型(4′)的新模擬狀態(tài)，以傳感器信號(7′)的形式，回送給控制系統(tǒng)(2)，在控制系統(tǒng)(2)中，根據(jù)真實和/或模擬傳感器信號(7，7′)或者真實和/或模擬命令信號(9，9′)，繼續(xù)計算控制信號，以獲得預(yù)期位置、路線、速度等中至少之一；*通信線路(6)將控制系統(tǒng)(2)的響應(yīng)，以控制信號(13)的形式，作為控制信號(13′)，發(fā)送給遠程測試實驗室(40)。
控制信號(13)包括用于一個或多個螺旋槳(16)或推進器(17)的軸速形式的或用于方向舵(18)或推進器(17)或其他可能控制裝置的角度(13c)形式的信號(13a，13b，13c)。
傳感器(8)包括下列中的一個或多個-用于確定船舶位置(7a)的位置測量裝置(8a)，例如GPS接收機(8a)、水底傳音位置傳感器(8h)、集成(integrating)加速度傳感器等；-用于確定船舶航線的航線測量裝置(8b)，例如回轉(zhuǎn)羅盤或其他羅盤；-用于確定速度(7c)的速度傳感器(8c)或單個集成加速度傳感器；-用于指示(相對的)風速(7d)和風向(7e)的風速計(8d，8e)；-用于指示滾轉(zhuǎn)角的滾轉(zhuǎn)角傳感器(8f)；-用于指示俯仰角(7g)的俯仰角傳感器(8g)。
在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，該系統(tǒng)包括一個旋鈕或開關(guān)(15a)，用于將從信號線(12)到控制系統(tǒng)(2)的一個或多個傳感器信號(7)斷開連接。此外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括第二開關(guān)(15b)，用于將從信號線(11)到控制系統(tǒng)(2)的一個或多個命令信號(10)斷開連接，也包括第三開關(guān)(15c)，用于將從信號線(14)到控制系統(tǒng)的一個或多個控制信號(13)斷開連接。這樣，使用這些開關(guān)(15)，舊可以完全或部分地將控制系統(tǒng)(2)與來自或到達船舶其他部分的信號隔離開來。該控制系統(tǒng)(2)仍能連接到船上的常規(guī)電源。
通常情況下，該系統(tǒng)意味著向控制系統(tǒng)(2)的算法(31)中輸入船舶動力參數(shù)(5)，以計算發(fā)給致動器(3)的控制信號(13)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，配置該系統(tǒng)，使得遠程測試實驗室(40)包括具有算法(32)的模擬器(30)，該算法根據(jù)由完全或部分模擬測量值(7，7′)和來自控制系統(tǒng)(2)的控制信號(13，13′)代表的初始狀態(tài)，來模擬船舶的狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，通信線路(6)用于發(fā)送來自遠程測試實驗室(40)的一個或多個模擬傳感器信號(7′)，并進一步與遠程測試實驗室(40)上的第一實時接口(6a)連接或斷開連接。同樣，通信線路(6)可與船舶(4)上的第二實時接口(6b)連接或斷開連接，其中，第二實時接口通過開關(guān)(15a)連接到通往控制系統(tǒng)(2)的信號線(11)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，模擬命令輸入裝置(10′)通過實時接口(6a)、通信線路(6)和實時接口(6b)，將模擬命令信號(9′)從遠程測試實驗室(40)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)。
可以配置該系統(tǒng)，使得可以通過通信線路(6)從遠程測試實驗室修改、校準或替換控制系統(tǒng)(2)中的所有或部分算法(31)。根據(jù)本發(fā)明，測試實驗室包括一個數(shù)據(jù)記錄器(15)，用于記錄來自控制系統(tǒng)(2)的、對測量結(jié)果(7，7′)的響應(yīng)(13′，19′)。
控制系統(tǒng)的測試方法描述在船舶(4)控制系統(tǒng)(2)的測試方法中使用上述系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)(2)包括用發(fā)給一個或多個致動器(3)的控制信號(13)來控制和監(jiān)視該船舶(4)。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下步驟-在到控制系統(tǒng)(2)的第一傳感器信號線(12)上，實時地獲取從一個或多個傳感器(8)到控制系統(tǒng)(2)的傳感器信號(7)；-在到控制系統(tǒng)(2)的第二信號線或命令信號線(11)上，獲取從命令輸入裝置(10)到控制系統(tǒng)(2)的命令信號(9)；-在控制系統(tǒng)(2)內(nèi)的控制算法(31)中，根據(jù)一個或多個所獲取的傳感器信號(7)、命令信號(9)和船舶的動力參數(shù)(5)，計算控制信號(13)，并通過第三信號線(14)將控制信號(13)發(fā)送給致動器(3)；-本發(fā)明的新穎之處包括將來自一個或多個傳感器(8)的一個或多個傳感器信號(7)或來自命令輸入裝置(10)的命令信號(9)斷開連接，以使得所選中的傳感器信號(7)或命令輸入(9)無法到達控制系統(tǒng)(2)，并同時用相應(yīng)的模擬傳感器信號(7′)或命令信號(9′)取代一個或多個斷開連接的傳感器信號或命令信號(9)，所述相應(yīng)的模擬傳感器信號(7′)或命令信號(9′)是相對于該船舶(4)的遠程測試實驗室中產(chǎn)生的；通過一條或多條信號線(12，14)，在通信線路(6)上將該模擬信號(7′，9′)從遠程測試實驗室發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)；-在控制系統(tǒng)(2)中，按常規(guī)方式，根據(jù)真實和/或模擬傳感器信號(7a或7a′，7b或7b，7c或7c，…)或命令信號(9a或9a，9b或9b，9c或9c，…)，繼續(xù)計算控制信號(13，13′)；-然后，在通信線路(6)上，將控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號(13′)發(fā)送給遠程測試實驗室(40)。
根據(jù)本方法優(yōu)選實施例，該方法包括在測試實驗室(40)的模擬器(30)中，根據(jù)控制信號(13′)，使用算法(32)，模擬船舶模型(4′)的新動力狀態(tài)。這樣，可以從遠程測試實驗室(40)執(zhí)行對船上控制系統(tǒng)(2)的測試，而不管該船舶處于世界上哪個位置。該模擬算法必須考慮使用通信線路(6)帶來的時間延遲。
根據(jù)本發(fā)明的方法，測試控制系統(tǒng)中涉及的遠程測試實驗室(40)可位于陸地上，而被測試船舶(4a，4b，4c，…)與測試實驗室相距很遠，通常為1到20000公里，并且，被測試船舶在附近港口中、在遠距離港口中、在船塢中或在院子內(nèi)、在停錨處或在遠海。
當對控制系統(tǒng)的測試完成時，將船舶與遠程實驗室之間的通信線路斷開連接，到控制系統(tǒng)的常規(guī)傳感器信號和常規(guī)命令信號重新連接，從控制系統(tǒng)到致動器的控制信號重新連接，以使船舶控制系統(tǒng)正常操作。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，傳感器信號(7)包括來自傳感器(8)的下列傳感器參數(shù)中的一個或多個-來自諸如GPS接收機(8a)、水底傳音位置傳感器(8h)、集成加速度傳感器等之類的位置傳感器(8a)的所述船舶(4)的位置(7a)-來自諸如回轉(zhuǎn)羅盤或其它羅盤之類的航線傳感器(8b)的航線(7b)；-來自速度傳感器(8c)或集成加速度傳感器的速度(7c)；-來自風速計(8d，8e)的風速(7d)和風向(7e)；-來自滾轉(zhuǎn)角傳感器(8f)的滾轉(zhuǎn)角(7f)；-來自俯仰角傳感器(8g)的俯仰角(7g)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，控制信號包括用于一個或多個螺旋槳(16)或推進器(17)的軸速形式的或用于方向舵(18)或推進器(17)以及其他可能控制裝置的角度(13c)形式的信號(13a，13b，13c)，以獲得一個或多個預(yù)期位置(9a)、航線(9b)、速度(9c)。
該方法可用于計算發(fā)給一個或多個螺旋槳(16a，16b，16c，…)的控制信號，控制裝置(18)可以包括一個或多個方向舵(18a，18b)，并且它可以包括一個或多個推進器(17)。
命令輸入裝置(10)至少包括一個位置指定裝置(10a)、一個方向盤輪(10b)、一個速度指定裝置(10c)、或一個用于指定預(yù)期滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、升降補償?shù)鹊难b置(10x)，它們提供一個或多個預(yù)期位置(9a)、航線(9b)、速度(9c)或諸如預(yù)期滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、升降補償?shù)绕渌A(yù)期狀態(tài)(9x)的一個命令信號(9)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，該方法包括遠程測試實驗室(40)用于根據(jù)測試中的模擬傳感器信號(7′)和可能剩余的真實傳感器信號(7)、模擬命令信號(9′)和可能剩余的真實命令信號(9)，驗證控制系統(tǒng)提供將導(dǎo)致船舶預(yù)期狀態(tài)的控制信號(13，13′)，并基于該測試，證明控制系統(tǒng)合格。
船舶的動力參數(shù)(5)包括船舶的質(zhì)量(m)、慣性軸力矩、質(zhì)量分布、描述船體幾何形狀的船體參數(shù)，下面還將對此進行描述?？梢酝ㄟ^信號線(12)上的開關(guān)(15a)，將從傳感器(8)到控制系統(tǒng)(2)的傳感器信號(7)斷開連接?？梢酝ㄟ^信號線(11)上的開關(guān)(15b)，將從命令輸入裝置(10)到控制系統(tǒng)(2)的命令信號(9)斷開連接。
根據(jù)本發(fā)明方法的根據(jù)實施例，可以在模擬部件損壞時，通過將一個或多個選中的傳感器信號(7)或命令信號(9)斷開連接，測試故障情形，并且，將控制系統(tǒng)(2)的響應(yīng)以控制信號(13，13′)和狀態(tài)信號(19，19′)的形式，記錄在測試實驗室(40)的記錄器(15)內(nèi)。
也可以通過改變測量結(jié)果或在選中的傳感器信號(7′)中產(chǎn)生干擾、或者對從遠程測試實驗室(40)發(fā)送到船(4)內(nèi)控制系統(tǒng)(2)的測量結(jié)果產(chǎn)生諸如氣候、風、電噪聲之類的外部干擾，測試故障情形，并且，將控制系統(tǒng)(2)的響應(yīng)以控制信號(13，13′)和狀態(tài)信號(19，19′)的形式，記錄在測試實驗室(40)的記錄器(15)中。
根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實施例，可在通信線路(6)上從測試實驗室(40)發(fā)送用于船舶(4)控制系統(tǒng)(2)的新軟件。
執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法后，測試實驗室(4)可以證明控制系統(tǒng)(2)用于船舶(4)的常規(guī)操作合格，其中，根據(jù)對控制系統(tǒng)(2)的測試與測試結(jié)果，測試實驗室(4)可以驗收控制系統(tǒng)(2)。
根據(jù)本發(fā)明提出的遠程測試方法的優(yōu)點之一在于，測試軟件具有更大的靈活性，并且，控制系統(tǒng)(2)完全處于模擬故障情形和模擬更廣氣候下，而不是傳統(tǒng)的測試和驗證的情況。同時，避免了以前測試船舶控制系統(tǒng)所使用方法的缺點和局限性，即旅行距離、耗時的旅行、旅行的高成本、測試裝置的裝配時間等。使用所提出的本發(fā)明，可以較以前用更少的操作人員來測試和驗證更多的船舶。
鉆探船舶上控制系統(tǒng)的測試例子本發(fā)明可用于測試上述控制系統(tǒng)是否確實以安全和可靠的方式工作?？梢韵胂笙旅娴睦酉Ｍ麥y試圖7所示的鉆探船舶(4)中的控制系統(tǒng)?？稍跍y試前結(jié)束鉆探，從而使得測試環(huán)境下由于模擬動態(tài)定位鉆探的潛在位置錯誤不會產(chǎn)生負面影響。鉆探船舶(4)包括與圖4a、b和c所述對應(yīng)的控制系統(tǒng)(2)，并且如圖所示，該控制系統(tǒng)同樣通過實時接口(6b)、通信線路(6)、實時接口(6a)連接到遠程測試實驗室(4)。該控制系統(tǒng)(2)包括用諸如螺旋槳(16a，16b，16c，…)或推進器(17)之類的推進裝置、諸如方向舵之類(18)的控制裝置、形式為隧道推進器和方位推進器的推進器(17)，對鉆探船舶(4)進行控制和監(jiān)視。該推進器(17)既可作為推進裝置(16)，也可作為控制裝置(18)。在模擬的鉆探下，希望鉆探船舶(4)處于一個靜止位置(9a)，位置偏差盡可能地小，航線(7b)和速度(7c)只補償對風、浪和水流有影響的形式的天氣。與公知方法一致的動態(tài)定位方法包括以下順序執(zhí)行的步驟*控制系統(tǒng)(2)實時地獲取來自一個或多個傳感器參數(shù)的傳感器數(shù)據(jù)(7)，例如來自諸如DGPS接收機之類的位置傳感器(8a)的船舶測量位置，以及來自諸如回轉(zhuǎn)羅盤之類的航線傳感器(8b)的航線等；*控制系統(tǒng)(2)接收來自諸如所謂游戲桿操縱臺之類的命令輸入裝置(10)的命令信號，該命令輸入裝置至少包括一個位置指定裝置(10a)、一個船輪(10b)、一個速度指定裝置(10c)；它們給出圖7所示的一個或多個預(yù)期位置(9a)、以方向舵或推進器角度形式的預(yù)期路線(9b)、以螺旋槳(16)和推進器(17)軸速形式的預(yù)期速度(9c)的信號；*傳感器(8)通過第一傳感器信號線(12)，將傳感器信號(7)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)；*命令輸入裝置(10)通過第二信號線或命令信號線(11)，將命令信號(9)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)；*然后，控制系統(tǒng)(2)根據(jù)一個或多個所獲取的傳感器信號(7a，7b，7c，…)和命令信號(9a，9b，9c，…)以及可能諸如質(zhì)量(m)、船舶慣性軸力距(M1，M2，…)之類的所需動力參數(shù)的集合，順序地計算螺旋槳所需(16)的軸速(13c)以及方向舵(18)和可能其他控制裝置所需的角度，以維持和恢復(fù)一個或多個預(yù)期位置(9a)、航線(9b)、速度(9c)等；*然后，控制系統(tǒng)通過第三信號線(14)，從控制系統(tǒng)(2)發(fā)送包括所需軸速(13b)的控制信號，以控制螺旋槳(16)和/或推進器(17)的軸速(13a)以及控制方向舵(18)和/或推進器(17)的角度(13c)。
本發(fā)明的新穎之處可通過以下步驟實現(xiàn)*使用信號線(12)上的旋鈕或開關(guān)(15a)，將來自一個或多個傳感器(8)的一個或多個傳感器信號(7)從控制系統(tǒng)(2)斷開連接；以及/或者，使用信號線(11)上的開關(guān)(15b)，將來自控制輸入裝置(10)的一個或多個命令信號(9)從控制系統(tǒng)(2)斷開連接；*通過隔斷一條或多條信號線(12，14)，用諸如模擬的測量位置(7a′)或航線(7b′)之類的相應(yīng)模擬傳感器信號(7′)或諸如模擬的預(yù)期位置(9a′)或航線(9b′)之類的相應(yīng)模擬命令信號(9′)替代諸如測量位置(7a)或航線(7b)之類的一個或多個斷開連接的傳感器信號(9)或諸如預(yù)期位置(9a)或路線(9b)之類的一個或多個斷開連接的命令信號(9)；其中，在相對于船舶(4)的遠程測試實驗室(40)中產(chǎn)生模擬傳感器和命令信號(7，9)，并通過通信線路(6)、開關(guān)(15a，15b)中一個或兩個、一條或多條信號線(12，14)進行發(fā)送，這種情況下，可以隔斷來自DGPS接收器(8a)的傳感器信號(7a)，將其替換為一個與船舶(4)實際所處位置相距特定距離的新的、錯誤的、偏離的位置；*然后，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的和/或模擬的傳感器信號(7a或7a′，7b或7b′，7c或7c′，…)和命令信號或模擬的命令信號(9a或9a′，9b或9b′，9c或9c′，…)以及所需船舶參數(shù)(5)，順序地繼續(xù)計算螺旋槳(16)所需的軸速(13b)以及方向舵(18)和其他控制裝置所需的角度(13)，從而獲得預(yù)期位置、航線、速度等中至少之一?？梢酝ㄟ^第三開關(guān)(15c)斷開或隔斷所計算出的響應(yīng)，即從控制系統(tǒng)(2)到致動器(3)的所謂控制信號，例如用于控制螺旋槳(16)和方向舵(18)的角度(13c)的控制信號(13a)，以使得在測試過程中控制信號(13)不能控制螺旋槳(16)或方向舵(18)，而是經(jīng)由通信線路(16)發(fā)送到遠程實驗室(40)。
因此，可以將控制系統(tǒng)(2)視為一個“黑盒子”(2)，其中，在發(fā)給“黑盒子”(2)的至少一個傳感器信號(7)中模擬變化，并且，“黑盒子”(2)用控制信號(13)作出響應(yīng)。對于引言中提到的鉆探船舶(4)的情況，其中DGPS信號中有錯誤，將要經(jīng)歷的情況是5分鐘后，該控制系統(tǒng)將突然試圖控制船螺旋槳、推進器與方向舵，以將船舶移動到該控制系統(tǒng)突然認為正確的一個新位置，因為該錯誤已被認為穩(wěn)定并錯誤了5分鐘。
船舶運動以及對該運動的模擬如圖5所示，對于在滑脫、搖擺和偏航中的船舶速度，用質(zhì)量中心位置以及滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角度來表示船舶(4)的運動。船舶將受到影響該船舶運動的力和力矩的作用。這些力和力矩是由于來自以下的激勵所導(dǎo)致的風、水流和浪；使用諸如螺旋槳(16)、推進器(17)和方向舵(18)之類的致動器；滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和升降位置導(dǎo)致的彈力運動對應(yīng)的流體靜力；與船舶速度和加速度相關(guān)的流體動力。作用在船舶(4)上的力和力矩取決于船舶的運動，而船舶運動可視為力和力矩作用在該船舶上的結(jié)果。對于一個船舶或船只，船體的幾何形狀、質(zhì)量和質(zhì)量分布是已知的。此外，船只的水力參數(shù)的估計值是可知的。當給定船舶運動時，作用在船只上力和力矩可在模擬器(30)內(nèi)計算出來，例如使用算法(32)。然后，可以根據(jù)牛頓和歐拉定律，從船舶運動方程中計算出船舶的加速度和角加速度。這樣的運動方程在教科書中有描述。在運動方程中，出現(xiàn)以下參數(shù)-船舶質(zhì)量；-質(zhì)量中心位置；-浮力中心位置；-船舶的慣性力矩；-船體的幾何形狀，包括長度、橫梁和吃水深度(draft)；-水力增加的質(zhì)量；-水力潛在阻尼(damping)；-粘滯阻尼；-由于俯仰、滾轉(zhuǎn)和升降運動造成的船體上的恢復(fù)力和力矩的相關(guān)參數(shù)；-與船體合力和合力矩相關(guān)的波浪分量(components)的幅度、頻率和方向參數(shù)；-此外，運動方程包括以下數(shù)學(xué)模型來自螺旋槳(16)的致動力是螺旋槳速度和俯仰的函數(shù)；來自方向舵(18)的致動力是方向舵角度和船舶速度的函數(shù)；來自推進器(17)的致動力是推進器速度和方向的函數(shù)。
下列過程可用于計算船舶(4，4′)在時間段T0到TN內(nèi)的運動
假設(shè)在初始時間點T0給定船舶運動，并在該時間點計算力和力矩。那么，時間T0的船舶加速度和角加速度可通過船舶(4，4′)的運動方程計算。然后，用數(shù)值積分算法計算在時間T1＝T0+h的船舶運動，其中，h是該積分算法中的時間步長。對于船舶來說，時間步長h通常在0.1-1秒范圍內(nèi)。當計算出在時間T1時船(4，4′)的運動時，可以計算出時間T1時的力和力矩，并且，根據(jù)運動方程，得到T1時的加速度和角加速度。使用數(shù)值積分，再次計算在時間T2＝T1+h時的船舶運動。可以在每個時間點TK＝T0+h*K重復(fù)該過程，直至到達時間TN為止。
作用在船舶上的波浪被描述為波浪分量的總和，其中，一個波浪分量是具有給定頻率、幅度和方向的正弦長峰(long-crested)波。對于海洋上特定的位置，波浪分量的幅度和頻率的主要(prevalent)分布可通過諸如JONSWAP或ITTC譜的給定波譜得到，其中，波譜的強度用有效波高來表示。船舶上的合力和合力矩是波浪幅度、頻率和方向以及船舶速度和航線的函數(shù)。來自風的力和力矩用風速、風向、船舶速度和船高出海面的投影面積表示，作為船舶航線相對于風向的函數(shù)。來自水流的力和力矩用水流速度、水流方向、船體在海面下的投影面積以及船舶速度和航線相對于水流方向表示。
動態(tài)定位-DP在動態(tài)定位(所謂的DP)中，船舶(4)在三個自由度(DOF)中是受控的。在X、Y和航線中的預(yù)期位置由操作員使用操作臺(10)上的鍵盤、滾球、鼠標或游戲桿的輸入給出?？刂葡到y(tǒng)(2)用于計算在滑脫和擺動方向的致動力以及關(guān)于偏航軸的致動力矩，以使得船舶獲得預(yù)期位置和航線。控制系統(tǒng)(2)也包括致動器分配，其涉及計算所命令的致動器力和力矩對應(yīng)的螺旋槳力、方向舵力和推進器力。通過運行船舶(4)上的計算機上的算法，實現(xiàn)控制系統(tǒng)(2)。該算法(31)將預(yù)期位置(9a)和航線(9b)與測量的位置和航線(7a，7b)進行比較，并且，基于此，該該算法使用教科書中的控制論，計算所需的力和力矩。此外，該算法包括一個分配模塊，其中，計算螺旋槳力、方向舵力和推進器力。用其中將轉(zhuǎn)發(fā)器系在海底的DGPS傳感器、回轉(zhuǎn)羅盤、水底傳音傳感器系統(tǒng)和其中測量固定在海底張緊線的傾斜程度的張緊線測量位置和航線。
部件1-2控制系統(tǒng)3致動器(螺旋槳16、推進器17、方向舵18)4船舶、船只、鉆探船、鉆探平臺、生產(chǎn)平臺或越海船舶4′模擬器(30)或模擬器算法(32)中的模擬船舶、船舶模型5船舶動力參數(shù)；5a質(zhì)量m；5b、5c質(zhì)量中心位置；5c、5d、5e關(guān)于船軸的慣性力矩、質(zhì)量分布、船體參數(shù)等6通信線路，包括遠程測試實驗室中的第一實時接口(6a)、第一船舶4a上的第二實時接口(6b)、第二船舶(4b)上的第二實時接口(6c)等7來自傳感器(8)的傳感器信號；7a位置；7b航線；7c速度；7d風速(相對的)；7e風向(相對的)；7f俯仰角；7g滾轉(zhuǎn)角；7h相對于海底收發(fā)器的水底傳音(相對)位置；8iGPS/慣性位置和航線8傳感器；8a位置傳感器；8b(回轉(zhuǎn))羅盤；8c速度傳感器；8d風速傳感器；8e風向傳感器；8f俯仰傳感器；8g滾轉(zhuǎn)傳感器；8h水底傳音位置傳感器；8i“Seapath 200”GPS/慣性位置和航線
9來自命令輸入裝置(10)的命令信號；9a預(yù)期位置；9b預(yù)期航線；9c預(yù)期速度；等等10命令輸入裝置，用于指定預(yù)期位置9a的位置指定裝置10a，用于指定預(yù)期路線9b的船輪10b，用于指定預(yù)期速度的速度指定裝置10c，等等11用于將命令信號(9)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)的一條或多條命令信號線或一條通信總線12用于將傳感器信號(7)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)的一條或多條傳感器信號線或一條通信總線13控制信號，包括用于螺旋槳(16)和推進器(17)的軸速(13a，13b)以及用于方向舵(18)或推進器(17)的角度(13c)13′發(fā)送給遠程測試實驗室(40)的控制信號14從控制系統(tǒng)(2)到致動器(3)(16，17，18)的一條或多條第三信號線路或一條通信總線15數(shù)據(jù)記錄器16螺旋槳(16)17推進器(17)18方向舵(18)(合稱為“致動器”(3))19狀態(tài)信號30遠程測試實驗室(40)中的船舶模擬器31控制算法(31)，用于根據(jù)傳感器信號(7)、命令信號(9)和船舶(4)動力參數(shù)(5)，計算發(fā)給船舶致動器(16，17，18)的控制信號(13)，并通過信號線路(14)將控制信號發(fā)送到諸如螺旋槳(16)、推進器(17)或方向舵(18)之類的致動器(3)32船舶模擬器(30)中的算法，用于根據(jù)模擬的傳感器信號(7)、船舶參數(shù)(5)、模擬的風速和風向、模擬的波浪高度和方向、模擬的水流速度和方向等以及船上致動器(3)的力，計算船舶動態(tài)運動40遠程測試實驗室
權(quán)利要求
1.一種用于測試船舶(4)中的控制系統(tǒng)(2)的方法，其中，所述控制系統(tǒng)(2)包括用發(fā)給一個或多個致動器(3)的控制信號(13)來控制和監(jiān)視所述船舶(4)，所述方法包括以下順序步驟*通過到所述控制系統(tǒng)(2)的第一傳感器信號線(12)，實時地獲取從一個或多個傳感器(8)到所述控制系統(tǒng)(2)的傳感器信號(7)；*通過到所述控制系統(tǒng)(2)的第二信號線或命令信號線(11)，獲取從命令輸入裝置(10)到所述控制系統(tǒng)(2)的命令信號(9)；*在所述控制系統(tǒng)(2)內(nèi)的控制算法(31)中，根據(jù)一個或多個所述傳感器信號(7)和所述命令信號(9)，計算所述控制信號(13)，并通過第三信號線(14)，將所述控制信號(13)發(fā)送給所述致動器(3)；其特征在于*將來自一個或多個所述傳感器(8)的一個或多個所述傳感器信號(7)或來自所述控制輸入裝置(10)的所述命令信號(9)斷開連接，以使得所選擇的傳感器信號(7)或命令信號(9)不流向所述控制系統(tǒng)(2)，并且，用相應(yīng)的模擬傳感器信號(7′)或模擬命令信號(9′)取代一個或多個所述斷開連接的傳感器信號(7)或所述命令信號(9)，所述模擬傳感器信號(7′)或模擬命令信號(9′)是在相對于所述船舶(4)的遠程測試實驗室(40)內(nèi)產(chǎn)生的并通過一條或多條所述信號線(12，14)、通過通信線路(6)被發(fā)送給所述控制系統(tǒng)(2)；*在所述控制系統(tǒng)(2)中，根據(jù)所述真實和/或所述模擬傳感器信號(7a或7a′，7b或7b′，7c或7c′，…)或所述真實和/或所述命令信號(9a或9a′，9b或9b′，9c或9c′，…)，繼續(xù)計算控制信號(13′)；以及*通過所述通信線路(6)，將所述控制信號(13′)發(fā)送給所述遠程測試實驗室(40)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括在所述測試實驗室(40)內(nèi)的模擬器(30)中，使用算法(32)，根據(jù)所述控制信號(13′)，模擬船舶模型(4′)的新動力狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述傳感器信號(7)包括一個或多個來自所述傳感器(8)的下列傳感器參數(shù)-來自諸如GPS接收機(8a)、水底傳音位置傳感器(8h)、集成加速度傳感器等之類的位置傳感器(8a)的所述船舶(4)的位置(7a)；-來自諸如回轉(zhuǎn)羅盤或其它羅盤之類的航線傳感器(8b)的航線(7b)；-來自速度傳感器(8c)或集成加速度傳感器的速度(7c)；-來自風速計(8d，8e)的風速(7d)和風向(7e)；-來自滾轉(zhuǎn)角傳感器(8f)的滾轉(zhuǎn)角(7f)；-來自俯仰角傳感器(8g)的俯仰角(7g)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述控制信號(13)包含用于一個或多個螺旋槳(16)或推進器(17)的軸速(13a，13b)形式的或用于方向舵(18)或推進器(17)以及可能其他控制裝置的角度(13c)形式的信號(13a，13b，13c)，以獲得一個或多個預(yù)期位置(9a)、航線(9b)、速度(9c)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述螺旋槳(16)包括一個或多個螺旋槳(16a，16b，16c，…)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述控制裝置(18)包括一個或多個方向舵(18a，18b)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述控制裝置(18)包括一個或多個推進器(17)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述命令輸入裝置(10)至少包括一個位置指定裝置(10a)、一個舵輪(10b)、一個速度指定裝置(10c)或一個用來指定預(yù)期滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、升降補償?shù)鹊难b置(10x)，所述命令輸入裝置(10)給出一個或多個預(yù)期位置(9a)、預(yù)期航線(9b)和預(yù)期速度(9c)或諸如預(yù)期滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、升降補償?shù)戎惖钠渌A(yù)期變量(9x)的命令信號。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述遠程測試實驗室(40)用于驗證來自所述控制系統(tǒng)中(2)的、基于測試中所述模擬傳感器信號(7′)和所述模擬命令信號(9′)以及可能的剩余真實傳感器信號(7)和剩余真實命令信號(9)的所述控制信號(13，13′)使得所述控制信號(13，13)將導(dǎo)致所述船舶(4)的預(yù)期狀態(tài)，并且基于此證明所述控制系統(tǒng)(2)合格。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述控制系統(tǒng)(2)的所述控制算法(31)中的計算使用該船舶的動力參數(shù)(5)，包括該船舶的質(zhì)量(m)、慣性軸力矩、該船舶的質(zhì)量分布以及確定該船體幾何結(jié)構(gòu)的船體幾何參數(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過所述信號線(12)上的開關(guān)(15a)，斷開從所述傳感器(8)到所述控制系統(tǒng)(2)的所述傳感器信號(7)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過所述信號線(11)上的開關(guān)(15b)，斷開從所述命令輸入裝置(10)到所述控制系統(tǒng)(2)的所述命令信號(8)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述遠程測試實驗室(40)位于陸地上，并且，所述被測試船舶(4a，4b，4c，…)位于與所述測試實驗室(40)通常1到20000公里的很遠距離，并且，所測試船舶停泊在港口、船塢或院子中，或在遠海。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在模擬部件損壞時，通過斷開所述傳感器信號(7)或所述命令信號(9)的一個或多個所選擇信號，測試故障情形，并且，將所述控制系統(tǒng)的響應(yīng)以所述控制信號(13，13′)和狀態(tài)信號(19，19′)的形式，記錄在所述遠程測試實驗室(40)中的記錄器(15)上。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過改變或產(chǎn)生所選擇的所述模擬傳感器信號(7′)中的干擾，或通過對從所述遠程測試實驗室(40)發(fā)送到所述船舶(4)中的所述控制系統(tǒng)(2)的所述模擬傳感器信號(7′)產(chǎn)生諸如天氣、風、電噪音之類的外部干擾，測試故障情形，并且，將所述控制系統(tǒng)(2)的響應(yīng)以所述控制信號(13，13′)和所述狀態(tài)信號(19，19′)的形式，記錄在所述遠程測試實驗室(40)的記錄器(15)上。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，從所述遠程測試實驗室(40)通過所述通信線路(6)發(fā)送用于所述船舶(4)上的所述控制系統(tǒng)(2)的新軟件。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，根據(jù)對所述控制系統(tǒng)(2)的測試和測試結(jié)果，所述遠程測試實驗室(40)用于驗收所述控制系統(tǒng)(2)并證明所述控制系統(tǒng)(2)在所述船舶(4)中的常規(guī)使用合格。
18.一種用于測試船舶(4)中的控制系統(tǒng)(2)的系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)(2)用于控制和監(jiān)視所述船舶(4)，包括以下特征*所述船舶(4)上的一個或多個傳感器(8)通過信號線(12)向所述控制系統(tǒng)(2)發(fā)送一個或多個傳感器信號(7)；*所述船舶(4)上的命令輸入裝置(10)通過命令信號線(11)向所述控制系統(tǒng)(2)發(fā)送一個或多個預(yù)期位置、路線、速度(9)等；*所述控制系統(tǒng)(2)中的算法(31)根據(jù)所述傳感器信號(7)、所述命令信號(9)，計算發(fā)送給船舶致動器(3)的控制信號(13)，并通過信號線(14)向所述致動器(3)發(fā)送所述控制信號(13)；其特征在于*一條或多條通信線路(6)，用于從遠程測試實驗室(40)向所述控制系統(tǒng)(2)發(fā)送一個或多個模擬傳感器信號(7′)和/或模擬命令信號(9′)；*包括算法(32)的模擬器(30)，用于根據(jù)所述船舶(4′)的以前狀態(tài)(7，7′)、所述控制信號(13，13′)和動力參數(shù)(5)，模擬船舶模型(4′)的新傳感器信號(7′)；*其中，所述通信線路(6)將所述船舶模型(4′)的所述新模擬傳感器信號(7′)回送給所述控制系統(tǒng)(2)，并且，在所述控制系統(tǒng)(2)中，根據(jù)所述傳感器信號(7，7′)的真實和/或模擬值或所述命令信號(9，9′)的真實和/或模擬值，繼續(xù)計算所述控制信號(13)，以獲得所述預(yù)期位置、航線、速度等中至少之一；以及*其中，所述通信線路(6)將來自所述控制系統(tǒng)(2)的響應(yīng)以所述控制信號(13)的形式，作為控制信號(13′)，發(fā)送到所述遠程測試實驗室(40)。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，包括開關(guān)(15a)，用于斷開從所述信號線(12)到所述控制系統(tǒng)(2)的一個或多個所述傳感器信號(7)。
20.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，包括第二開關(guān)(15b)，用于斷開從所述命令信號線(11)到所述控制系統(tǒng)(2)的一個或多個所述命令信號(10)。
21.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，包括第三開關(guān)(15c)，用于斷開從所述信號線(14)到所述控制系統(tǒng)(2)的一個或多個所述控制信號(13)。
22.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述船舶(4)的所述動力參數(shù)(5)輸入所述控制系統(tǒng)(2)的所述算法(31)中，以計算發(fā)給所述致動器(3)的所述控制信號(13)。
23.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述遠程測試實驗室(40)具有模擬器(30)。
24.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，用于發(fā)送來自所述遠程測試實驗室(40)的一個或多個所述模擬傳感器信號(7′)的所述通信線路(6)連接到所述遠程測試實驗室(40)上的第一實時接口(6a)以及從所述遠程測試實驗室(40)上的第一實時接口(6a)斷開連接。
25.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述通信線路(6)連接所述船舶(4)上的第二實時接口(6b)以及從所述船舶(4)上的第二實時接口(6b)斷開連接，并且，所述第二實時接口(6b)通過所述開關(guān)(15a)連接所述信號線(11)到所述控制系統(tǒng)(2)。
26.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，包括模擬命令輸入裝置(10′)，用于將所述模擬命令信號(9′)從所述遠程測試實驗室(40)，通過所述實時接口(6a)和所述通信線路(6)以及所述實時接口(6b)，發(fā)送到所述控制系統(tǒng)(2)。
27.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，從所述遠程測試實驗室(40)通過所述通信線路(6)修改、校準或替換所述控制系統(tǒng)(2)中的所述算法的全部或部分。
28.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述控制信號(13)包括以用于一個或多個螺旋槳(16)或推進器(17)的軸速(13a，13b)形式的或用于方向舵(18)或推進器(17)或其他可能控制裝置的角度(13c)形式的信號(13a，13b，13c)。
29.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器(8)包括以下中的一個或多個-位置傳感器(8a)，用于確定所述船舶(4)的位置(7a)，如GPS接收機(8a)、水底傳音位置傳感器(8h)、集成加速傳感器等；-航線傳感器(8b)，用于確定所述船舶(4)的航線，例如回轉(zhuǎn)羅盤或其他羅盤；-速度傳感器(8c)或集成加速傳感器，用于確定所述船舶(4)的速度(7c)；-風速計(8d，8e)，用于提供(相對的)風速(7d)和風向(7e)；-滾轉(zhuǎn)角傳感器(8f)，用于提供滾轉(zhuǎn)角(7f)；-俯仰角傳感器(8g)，用于提供俯仰角(7g)。
30.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述遠程測試實驗室(40)包括數(shù)據(jù)記錄器(15)，用于將來自所述控制系統(tǒng)(2)、對所述傳感器信號(7，7′)的響應(yīng)，以所述控制信號和狀態(tài)信號(13′，19′)形式進行記錄。
全文摘要
一種用于測試船舶(4)中的控制系統(tǒng)(2)的系統(tǒng)，其中，該控制系統(tǒng)用于控制和監(jiān)視該船舶(4)，該系統(tǒng)包括以下特征該船舶(4)上的一個或多個傳感器(8)通過信號線(12)，向該控制系統(tǒng)(2)發(fā)送一個或多個傳感器信號(7)；該船舶(4)上的命令輸入裝置(10)通過命令信號線(11)，向該控制系統(tǒng)(2)發(fā)送一個或多個預(yù)期位置、路線、速度(9)等；該控制系統(tǒng)(2)中的算法(31)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)(7)、命令信號(9)，計算發(fā)給船舶制動器(3)的控制信號(13)，并通過信號線(14)，將控制信號(13)發(fā)送給致動器(3)；一條或多條通信線路(6)，用于將一個或多個模擬信號(7′)和/或模擬命令信號(9′)從遠程測試實驗室(4)發(fā)送到控制系統(tǒng)(2)的；包括算法(32)的模擬器(30)根據(jù)該船舶(4)的以前狀態(tài)(7，7′)、控制信號(13，13′)和動力參數(shù)(5)，模擬船舶模型(4′)的新動力狀態(tài)(7′)；其中，通信線路(6)將該船舶模型(4′)的新模擬狀態(tài)以模擬傳感器信號(7′)的形式回送給該控制系統(tǒng)(2)，并且，在該控制系統(tǒng)(2)中，根據(jù)真實和/或模擬傳感器信號(7，7′)或真實和/或模擬命令信號(9，9′)，繼續(xù)計算控制信號(13)，以獲得預(yù)期位置、路線、速度等中的至少一個；以及，通信線路(6)將來自該控制系統(tǒng)(2)的響應(yīng)以控制信號(13)和控制信號(13′)的形式，發(fā)送給該遠程測試實驗室(4)。
文檔編號B63H25/00GK1732417SQ200380108057
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月30日
發(fā)明者托爾·英厄·福森, 奧斯吉爾·約翰·瑟倫森, 奧拉夫·埃格蘭, 托爾·阿爾內(nèi)·約翰森, 約恩·雷斯特, 托爾·E·斯文森 申請人:海運控制公司