本發(fā)明屬于船舶與海洋工程領(lǐng)域，尤其涉及一種多冗余仲裁的多冗余計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

動(dòng)力定位(dynamicpositioning)是船舶或海上浮式結(jié)構(gòu)物借助閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)海上作業(yè)位置精確保持的一項(xiàng)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井船舶以及各類(lèi)輔助作業(yè)船舶。在系統(tǒng)組成上，動(dòng)力定位系統(tǒng)包括四大部分：傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)以及動(dòng)力系統(tǒng)。近年來(lái)，隨著海上油氣勘探不斷向深海區(qū)域拓展，國(guó)際海事組織(imo)與各國(guó)船級(jí)社對(duì)海上動(dòng)力定位作業(yè)的安全性與可靠性提出了很高的要求，動(dòng)力定位系統(tǒng)單一的控制器結(jié)構(gòu)已不能滿足海上油氣平臺(tái)常年不間斷的作業(yè)要求。

對(duì)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，專(zhuān)利(201110149060.6)《dp-3級(jí)動(dòng)力定位的半實(shí)物仿真其方法》中所述的控制計(jì)算與冗余管理在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，只依靠計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行的軟件表決來(lái)判斷計(jì)算機(jī)是否有故障。專(zhuān)利(201210458941.0)《一種三冗余的船舶動(dòng)力定位控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》中所述的三冗余控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其仲裁單元和與之相連的獨(dú)立控制計(jì)算機(jī)中任何一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，由該仲裁單元和控制計(jì)算機(jī)組成的控制子系統(tǒng)就會(huì)失去控制功能。

此外，較多文獻(xiàn)提出由一個(gè)獨(dú)立的仲裁單元對(duì)三個(gè)控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和冗余切換，一旦獨(dú)立的仲裁單元出現(xiàn)故障就會(huì)造成整個(gè)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種多冗余仲裁的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，其能解決動(dòng)力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種多冗余仲裁的動(dòng)力定位控制方法，其能解決動(dòng)力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明的目的之一采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種多冗余仲裁的動(dòng)力定位系統(tǒng)，包括控制計(jì)算機(jī)群和傳感器系統(tǒng)，所述控制計(jì)算機(jī)群包括多個(gè)控制計(jì)算機(jī)，所述傳感器系統(tǒng)包括多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元；

還包括仲裁單元，所述仲裁單元的數(shù)量至少為兩個(gè)，所述仲裁單元之間電性連接，所述控制計(jì)算機(jī)群中各個(gè)控制計(jì)算機(jī)均與仲裁單元電性連接，所述傳感器系統(tǒng)中的各個(gè)數(shù)據(jù)采集單元均與仲裁單元電性連接。

優(yōu)選的，所述傳感器系統(tǒng)包括位置傳感器、航向傳感器、姿態(tài)傳感器、風(fēng)傳感器和海流傳感器。

優(yōu)選的，所述仲裁單元的數(shù)量為兩個(gè)。

本發(fā)明的目的之二采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種多冗余仲裁的動(dòng)力定位方法，該方法應(yīng)用于如上述任意一項(xiàng)所述的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，包括以下步驟：

s1：設(shè)定主仲裁單元，并對(duì)主仲裁單元和從仲裁單元進(jìn)行同步；

s2：通過(guò)主仲裁單元對(duì)控制計(jì)算機(jī)群實(shí)施同步，同步完成后設(shè)定主控制計(jì)算機(jī)；

s3：主、從仲裁單元同步接收數(shù)據(jù)采集單元上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入仲裁以得到控制輸入信號(hào)，主仲裁單元將該控制輸入信號(hào)發(fā)送至各控制計(jì)算機(jī)；

s4：各控制計(jì)算機(jī)按照同一控制步長(zhǎng)，對(duì)主仲裁單元發(fā)送的控制輸入信號(hào)進(jìn)行控制解算，并將得到的解算輸出結(jié)果發(fā)送給主從仲裁單元進(jìn)行輸出仲裁，以獲取主仲裁單元輸出仲裁的控制輸出結(jié)果；

s5：將主仲裁單元的控制輸出結(jié)果發(fā)送給各臺(tái)控制計(jì)算機(jī)以得到控制指令，并由主控計(jì)算機(jī)將控制指令傳送給推力器系統(tǒng)。

優(yōu)選的，在步驟s1與步驟s2之間還包括步驟s11：通過(guò)從仲裁單元判斷該主仲裁單元是否存在故障，如果是，則將從仲裁單元作為主仲裁單元，如果否，則執(zhí)行步驟s2。

優(yōu)選的，在步驟s2步驟s3之間還包括步驟s21：通過(guò)主仲裁單元判斷該主控計(jì)算機(jī)是否為故障控制計(jì)算機(jī)，如果是，則將主控計(jì)算機(jī)的主控權(quán)需要被切換至其他任意的控制計(jì)算機(jī)。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明的系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立仲裁單元，并且分別與所有控制計(jì)算機(jī)相連接，從而提高了該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的多冗余仲裁的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的多冗余仲裁的動(dòng)力定位控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種多冗余仲裁的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，包括控制計(jì)算機(jī)群和傳感器系統(tǒng)，所述控制計(jì)算機(jī)群包括多個(gè)控制計(jì)算機(jī)，所述傳感器系統(tǒng)包括多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元；還包括仲裁單元，所述仲裁單元的數(shù)量至少有兩個(gè)，所述仲裁單元之間電性連接，所述控制計(jì)算機(jī)群中各個(gè)控制計(jì)算機(jī)均與仲裁單元電性連接，所述傳感器系統(tǒng)中的各個(gè)數(shù)據(jù)采集單元均與仲裁單元電性連接。其中任何一個(gè)控制計(jì)算機(jī)、仲裁單元以及數(shù)據(jù)采集單元即可構(gòu)成一個(gè)完整的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，而對(duì)控制計(jì)算機(jī)、仲裁單元以及數(shù)據(jù)采集單元的冗余設(shè)計(jì)可以保證該控制系統(tǒng)的多次故障-運(yùn)行能力；每個(gè)控制計(jì)算機(jī)分別與雙冗余的仲裁單元相連，每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元分別與雙冗余的仲裁單元相連，仲裁單元之間通過(guò)特定的仲裁算法進(jìn)行控制切換。

本發(fā)明中的控制計(jì)算機(jī)、仲裁單元、數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)動(dòng)力定位附加標(biāo)志進(jìn)行配置；以中國(guó)船級(jí)社的附加標(biāo)志dp-2、dp-3為例，dp-2要求單個(gè)活動(dòng)部件或系統(tǒng)故障條件下，動(dòng)力定位系統(tǒng)仍能自動(dòng)保持船位與艏向；dp-3要求在一艙失火或浸水情況下，動(dòng)力定位系統(tǒng)仍能自動(dòng)保持船位與艏向，所以符合dp-3附加標(biāo)志的動(dòng)力定位系統(tǒng)主、備控制站必須是帶有物理隔離，中國(guó)船級(jí)社(ccs)規(guī)范要求動(dòng)力定位主、備控制站的隔離標(biāo)準(zhǔn)是a60防火標(biāo)準(zhǔn)。所以，不管主控制站的控制計(jì)算機(jī)是雙重、三重甚至四重冗余，如果沒(méi)有設(shè)置帶物理隔離的備用控制站，該系統(tǒng)只符合dp-2附加標(biāo)志。

如果本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有設(shè)置物理隔離的備用控制站，故而使得該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只符合dp-2附加標(biāo)志，但是通過(guò)相應(yīng)的按照規(guī)范進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)置，則可以獲得dp-3的附加標(biāo)志。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：它克服了由一個(gè)獨(dú)立的仲裁單元對(duì)三個(gè)控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控和冗余切換，仲裁單元一旦出現(xiàn)故障就會(huì)形成整個(gè)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)故障的缺陷；也克服了一個(gè)獨(dú)立仲裁單元對(duì)應(yīng)一臺(tái)獨(dú)立控制計(jì)算機(jī)形成一個(gè)控制子系統(tǒng)，多個(gè)控制子系統(tǒng)之間通過(guò)仲裁單元進(jìn)行運(yùn)行情況的監(jiān)控和冗余切換，當(dāng)仲裁單元和與之相連的獨(dú)立控制計(jì)算機(jī)中任何一個(gè)出現(xiàn)故障時(shí)，由該仲裁單元和控制計(jì)算機(jī)組成的控制子系統(tǒng)就失去控制功能的缺陷。

多重冗余控制計(jì)算機(jī)群的工作方式，冗余控制計(jì)算機(jī)群中的每臺(tái)控制計(jì)算機(jī)功能相同，在系統(tǒng)硬件配置以及軟件可實(shí)現(xiàn)功能上完全相同。在硬件上，每臺(tái)控制計(jì)算機(jī)采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括電源模塊、cpu、內(nèi)存、硬盤(pán)、總線、接口等模塊，控制計(jì)算機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。多重冗余控制計(jì)算機(jī)須保持并行運(yùn)行，同步執(zhí)行動(dòng)力定位控制解算的軟件任務(wù)?？刂朴?jì)算機(jī)群的同步由雙冗余仲裁單元中的主仲裁單元負(fù)責(zé)，經(jīng)同步后，多重冗余控制計(jì)算機(jī)會(huì)以一定時(shí)間頻率互相持續(xù)發(fā)送自己的心跳信號(hào)并接收其他計(jì)算機(jī)的心跳信號(hào)，以監(jiān)督同伴是否始終保持同步執(zhí)行控制解算任務(wù)。接收來(lái)自主仲裁單元的輸入仲裁結(jié)果后，各臺(tái)同步的控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行各自解算，并將最終的解算結(jié)果發(fā)送給主、備仲裁單元進(jìn)行仲裁，最終由主仲裁單元負(fù)責(zé)將仲裁后的控制結(jié)果發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)群。

冗余控制計(jì)算機(jī)群中有且只有一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)具有主控權(quán)，即主控計(jì)算機(jī)，只有主控計(jì)算機(jī)具備向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制指令的權(quán)利。主控權(quán)由主仲裁單元在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行指定，當(dāng)主控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，主控權(quán)可自動(dòng)切換至另外一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，以保證實(shí)時(shí)的推力器系統(tǒng)輸出。

雙冗余仲裁單元負(fù)責(zé)對(duì)控制計(jì)算機(jī)群的控制輸入與控制輸出進(jìn)行仲裁，并實(shí)時(shí)診斷控制計(jì)算機(jī)以及傳感器的故障。每個(gè)仲裁單元的軟、硬件系統(tǒng)與可實(shí)現(xiàn)功能完全相同，均采用高性能處理器設(shè)計(jì)，包括fpga、arm、powerpc等。雙冗余仲裁機(jī)構(gòu)有主、備之分，只有主仲裁單元具備將仲裁結(jié)果發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)群的權(quán)利，系統(tǒng)在任何時(shí)間有且只有一個(gè)主仲裁單元。系統(tǒng)上電后，仲裁單元的主控權(quán)由上位機(jī)進(jìn)行最初設(shè)定，如果在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主仲裁單元發(fā)生故障，則主仲裁權(quán)可自動(dòng)切換至備用的仲裁單元，備用仲裁單元即可開(kāi)始實(shí)施主仲裁單元的職責(zé)。主、備仲裁單元之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)同步后，主、備仲裁單元并行實(shí)施相應(yīng)的仲裁功能。

數(shù)據(jù)采集單元群由功能相同的數(shù)據(jù)采集單元組成，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集動(dòng)力定位解算所需的各類(lèi)傳感器信息。每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元配備功能與數(shù)量相同的、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)接口，包括：di/do接口、ai/ao接口、rs232串行接口、rs485接口、can接口、以太網(wǎng)接口等。因?yàn)楦鶕?jù)動(dòng)力定位不同附加標(biāo)志的要求，傳感器的冗余配置情況會(huì)不同，但本發(fā)明所描述的控制系統(tǒng)所連的傳感器不限于附加標(biāo)志dp-2或dp-3的要求，如果傳感器種類(lèi)與數(shù)量增加，則可以相應(yīng)增加數(shù)據(jù)采集單元。只要保證每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元至少采集1套位置傳感器、1套航向傳感器、1套姿態(tài)傳感器、1套風(fēng)速傳感器和1套海流傳感器的數(shù)據(jù)，即至少滿足動(dòng)力定位控制解算所需傳感器的種類(lèi)要求。

如圖2所示，本發(fā)明提供了一種多冗余仲裁的動(dòng)力定位控制方法，該方法應(yīng)用于如上述所描述的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)，其包括以下步驟：

s1：設(shè)定主仲裁單元，并對(duì)主仲裁單元和從仲裁單元進(jìn)行同步；在步驟s1與步驟s2之間還包括步驟s11：通過(guò)從仲裁單元判斷該主仲裁單元是否存在故障，如果是，則將從仲裁單元作為主仲裁單元，如果否，則執(zhí)行步驟s2；當(dāng)從仲裁單元通過(guò)對(duì)控制計(jì)算機(jī)群以及主仲裁單元的聯(lián)合監(jiān)控與診斷，發(fā)現(xiàn)主仲裁單元持續(xù)異?；蚬收蠒r(shí)，可將仲裁權(quán)切換至原從仲裁單元，隔離原主仲裁單元；

s2：通過(guò)主仲裁單元對(duì)控制計(jì)算機(jī)群實(shí)施同步，同步完成后設(shè)定主控制計(jì)算機(jī)；

s3：主、從仲裁單元同步接收數(shù)據(jù)采集單元上傳的傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入仲裁以得到控制輸入信號(hào)，主仲裁單元將該控制輸入信號(hào)發(fā)送至各控制計(jì)算機(jī)；仲裁單元的輸入仲裁是仲裁單元對(duì)各數(shù)據(jù)采集單元所采集的各類(lèi)傳感器信息進(jìn)行裁決，正確的傳感器輸入是解算出正確控制輸出的前提。根據(jù)每種傳感器配備的數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)仲裁機(jī)制或算法的選擇，最終裁決出進(jìn)入動(dòng)力定位解算的控制輸入數(shù)據(jù)，對(duì)故障傳感器進(jìn)行報(bào)警；對(duì)于傳感器輸入的裁決算法，須結(jié)合實(shí)際控制系統(tǒng)所配備的測(cè)量同種數(shù)據(jù)的傳感器的種類(lèi)與數(shù)量來(lái)決定。例如，對(duì)于測(cè)量動(dòng)力定位船舶的艏向信息，假如配備了3個(gè)相同的傳感器，則可以采用三選二的投票機(jī)制進(jìn)行裁決，以決定最終的傳感器輸入數(shù)據(jù)；假如配備的是不同測(cè)量原理的3個(gè)不同的傳感器，則可以根據(jù)一定信任權(quán)值，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)賦予每種傳感器不同的信任權(quán)值，最后通過(guò)加權(quán)平均來(lái)獲取最終的裁決值。

在步驟s2步驟s3之間還包括步驟s21：通過(guò)主仲裁單元判斷該主控計(jì)算機(jī)是否為故障控制計(jì)算機(jī)，如果是，則將主控計(jì)算機(jī)的主控權(quán)需要被切換至其他任意的控制計(jì)算機(jī)，如果當(dāng)前的主控計(jì)算機(jī)不是故障控制計(jì)算機(jī)，而其他的控制計(jì)算機(jī)存在故障計(jì)算機(jī)，則對(duì)該故障計(jì)算機(jī)進(jìn)行隔離；

s4：各控制計(jì)算機(jī)按照同一控制步長(zhǎng)，對(duì)主仲裁單元發(fā)送的控制輸入信號(hào)進(jìn)行控制解算，并將得到的解算輸出結(jié)果發(fā)送給主從仲裁單元進(jìn)行輸出仲裁，以獲取主仲裁單元輸出仲裁的控制輸出結(jié)果；仲裁單元的輸出仲裁是仲裁單元對(duì)各控制計(jì)算機(jī)所解算出的控制輸出進(jìn)行裁決，需要結(jié)合冗余控制計(jì)算機(jī)的具體數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)裁決機(jī)制或算法的選擇，最終裁決出輸出給推力器系統(tǒng)的控制指令，對(duì)故障控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行報(bào)警。對(duì)于控制器輸出的裁決算法，須結(jié)合實(shí)際控制系統(tǒng)的冗余程度進(jìn)行裁決機(jī)制設(shè)計(jì)。例如，當(dāng)控制計(jì)算機(jī)是n模冗余時(shí)，則至少(n+1)/2臺(tái)計(jì)算機(jī)達(dá)成一致結(jié)果時(shí)，才輸出控制結(jié)果，否則輸出上一次的控制結(jié)果；如果(n+1)/2臺(tái)計(jì)算機(jī)未達(dá)成一致結(jié)果的次數(shù)超過(guò)限定值，則對(duì)相應(yīng)的控制計(jì)算機(jī)啟動(dòng)相應(yīng)的故障診斷程序，找到可能的原因。

s5：將主仲裁單元的控制輸出結(jié)果發(fā)送給各臺(tái)控制計(jì)算機(jī)以得到控制指令，并由主控計(jì)算機(jī)將控制指令傳送給推力器系統(tǒng)。

本發(fā)明方法的具體工作流程：

系統(tǒng)上電，控制計(jì)算機(jī)、仲裁單元、數(shù)據(jù)采集單元各自完成相應(yīng)的初始化程序與自檢程序。正常啟動(dòng)后，設(shè)定主仲裁單元，主、從仲裁單元完成同步后，由主仲裁單元對(duì)控制計(jì)算機(jī)群實(shí)施同步，同步完成后設(shè)定主控計(jì)算機(jī)。

主、從仲裁單元開(kāi)始同步接收數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)，并對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入仲裁，經(jīng)裁決后的控制輸入數(shù)據(jù)經(jīng)主仲裁單元發(fā)送給各控制計(jì)算機(jī)。同時(shí)，各控制計(jì)算機(jī)按照同一控制步長(zhǎng)，結(jié)合主仲裁單元發(fā)送的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制解算，并將解算完成的控制結(jié)果發(fā)送給主、從仲裁單元進(jìn)行仲裁。經(jīng)主仲裁單元裁決的控制輸出結(jié)果將發(fā)送給各臺(tái)控制計(jì)算機(jī)，最終由主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將控制指令傳送給推力器系統(tǒng)。

當(dāng)主、從仲裁單元均工作正常時(shí)，通過(guò)輸入仲裁與輸出仲裁可以分別診斷出故障控制計(jì)算機(jī)與故障傳感器，如果故障控制計(jì)算機(jī)剛好是主控計(jì)算機(jī)，則主控計(jì)算機(jī)的控制權(quán)需要被切換，可將控制權(quán)切換至系統(tǒng)軟件默認(rèn)設(shè)定的計(jì)算機(jī)上，主控權(quán)的設(shè)定可以由最初的時(shí)候，設(shè)定一個(gè)優(yōu)先級(jí)，從而為主控計(jì)算機(jī)的切換提供一種依據(jù)；使得其不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；如果故障計(jì)算機(jī)不是主控計(jì)算機(jī)，則隔離當(dāng)前故障計(jì)算機(jī)，不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

雙冗余仲裁單元同時(shí)監(jiān)控并診斷控制計(jì)算機(jī)群以及數(shù)據(jù)采集單元的工作情況，同時(shí)主、從仲裁單元互相診斷。當(dāng)從仲裁單元通過(guò)對(duì)控制計(jì)算機(jī)群以及主仲裁單元的聯(lián)合監(jiān)控與診斷，發(fā)現(xiàn)主仲裁單元持續(xù)異?；蚬收蠒r(shí)，可將仲裁權(quán)切換至原從仲裁單元，隔離原主仲裁單元。

對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。