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算機控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

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

對文獻檢索發(fā)現(xiàn)，專利(201110149060.6)《dp-3級動力定位的半實物仿真其方法》中所述的控制計算與冗余管理在同一臺計算機中，只依靠計算機內(nèi)部進行的軟件表決來判斷計算機是否有故障。專利(201210458941.0)《一種三冗余的船舶動力定位控制計算機系統(tǒng)》中所述的三冗余控制計算機系統(tǒng)，其仲裁單元和與之相連的獨立控制計算機中任何一個出現(xiàn)故障時，由該仲裁單元和控制計算機組成的控制子系統(tǒng)就會失去控制功能。

此外，較多文獻提出由一個獨立的仲裁單元對三個控制計算機的運行情況進行監(jiān)控和冗余切換，一旦獨立的仲裁單元出現(xiàn)故障就會造成整個動力定位控制系統(tǒng)的故障。

技術(shù)實現(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力定位控制系統(tǒng)，其能解決動力定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性的技術(shù)問題。

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

本發(fā)明的目的之一采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種多冗余仲裁的動力定位系統(tǒng)，包括控制計算機群和傳感器系統(tǒng)，所述控制計算機群包括多個控制計算機，所述傳感器系統(tǒng)包括多個數(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，所述仲裁單元之間電性連接，所述控制計算機群中各個控制計算機均與仲裁單元電性連接，所述傳感器系統(tǒng)中的各個數(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。

本發(fā)明的目的之二采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

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

s1：設(shè)定主仲裁單元，并對主仲裁單元和從仲裁單元進行同步；

s2：通過主仲裁單元對控制計算機群實施同步，同步完成后設(shè)定主控制計算機；

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)，并對傳感器數(shù)據(jù)進行輸入仲裁以得到控制輸入信號，主仲裁單元將該控制輸入信號發(fā)送至各控制計算機；

s4：各控制計算機按照同一控制步長，對主仲裁單元發(fā)送的控制輸入信號進行控制解算，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)送給各臺控制計算機以得到控制指令，并由主控計算機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：通過主仲裁單元判斷該主控計算機是否為故障控制計算機，如果是，則將主控計算機的主控權(quán)需要被切換至其他任意的控制計算機。

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)通過設(shè)置兩個獨立仲裁單元，并且分別與所有控制計算機相連接，從而提高了該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明的多冗余仲裁的動力定位控制方法的流程圖。

具體實施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實施方式，對本發(fā)明做進一步描述：

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種多冗余仲裁的動力定位控制系統(tǒng)，包括控制計算機群和傳感器系統(tǒng)，所述控制計算機群包括多個控制計算機，所述傳感器系統(tǒng)包括多個數(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，所述仲裁單元之間電性連接，所述控制計算機群中各個控制計算機均與仲裁單元電性連接，所述傳感器系統(tǒng)中的各個數(shù)據(jù)采集單元均與仲裁單元電性連接。其中任何一個控制計算機、仲裁單元以及數(shù)據(jù)采集單元即可構(gòu)成一個完整的動力定位控制系統(tǒng)，而對控制計算機、仲裁單元以及數(shù)據(jù)采集單元的冗余設(shè)計可以保證該控制系統(tǒng)的多次故障-運行能力；每個控制計算機分別與雙冗余的仲裁單元相連，每個數(shù)據(jù)采集單元分別與雙冗余的仲裁單元相連，仲裁單元之間通過特定的仲裁算法進行控制切換。

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

如果本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，沒有設(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附加標志，但是通過相應(yīng)的按照規(guī)范進行擴展設(shè)置，則可以獲得dp-3的附加標志。

本發(fā)明的優(yōu)點：它克服了由一個獨立的仲裁單元對三個控制計算機的運行情況進行監(jiān)控和冗余切換，仲裁單元一旦出現(xiàn)故障就會形成整個船舶動力定位系統(tǒng)故障的缺陷；也克服了一個獨立仲裁單元對應(yīng)一臺獨立控制計算機形成一個控制子系統(tǒng)，多個控制子系統(tǒng)之間通過仲裁單元進行運行情況的監(jiān)控和冗余切換，當仲裁單元和與之相連的獨立控制計算機中任何一個出現(xiàn)故障時，由該仲裁單元和控制計算機組成的控制子系統(tǒng)就失去控制功能的缺陷。

多重冗余控制計算機群的工作方式，冗余控制計算機群中的每臺控制計算機功能相同，在系統(tǒng)硬件配置以及軟件可實現(xiàn)功能上完全相同。在硬件上，每臺控制計算機采用工業(yè)級設(shè)計標準，包括電源模塊、cpu、內(nèi)存、硬盤、總線、接口等模塊，控制計算機之間通過以太網(wǎng)進行通信。多重冗余控制計算機須保持并行運行，同步執(zhí)行動力定位控制解算的軟件任務(wù)。控制計算機群的同步由雙冗余仲裁單元中的主仲裁單元負責，經(jīng)同步后，多重冗余控制計算機會以一定時間頻率互相持續(xù)發(fā)送自己的心跳信號并接收其他計算機的心跳信號，以監(jiān)督同伴是否始終保持同步執(zhí)行控制解算任務(wù)。接收來自主仲裁單元的輸入仲裁結(jié)果后，各臺同步的控制計算機進行各自解算，并將最終的解算結(jié)果發(fā)送給主、備仲裁單元進行仲裁，最終由主仲裁單元負責將仲裁后的控制結(jié)果發(fā)送給控制計算機群。

冗余控制計算機群中有且只有一臺控制計算機具有主控權(quán)，即主控計算機，只有主控計算機具備向執(zhí)行機構(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)啟動時進行指定，當主控計算機出現(xiàn)故障時，主控權(quán)可自動切換至另外一臺控制計算機，以保證實時的推力器系統(tǒng)輸出。

雙冗余仲裁單元負責對控制計算機群的控制輸入與控制輸出進行仲裁，并實時診斷控制計算機以及傳感器的故障。每個仲裁單元的軟、硬件系統(tǒng)與可實現(xiàn)功能完全相同，均采用高性能處理器設(shè)計，包括fpga、arm、powerpc等。雙冗余仲裁機構(gòu)有主、備之分，只有主仲裁單元具備將仲裁結(jié)果發(fā)送給控制計算機群的權(quán)利，系統(tǒng)在任何時間有且只有一個主仲裁單元。系統(tǒng)上電后，仲裁單元的主控權(quán)由上位機進行最初設(shè)定，如果在系統(tǒng)運行過程中，主仲裁單元發(fā)生故障，則主仲裁權(quán)可自動切換至備用的仲裁單元，備用仲裁單元即可開始實施主仲裁單元的職責。主、備仲裁單元之間通過現(xiàn)場總線進行通信，實現(xiàn)同步后，主、備仲裁單元并行實施相應(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，主要負責實時采集動力定位解算所需的各類傳感器信息。每個數(shù)據(jù)采集單元配備功能與數(shù)量相同的、可擴展的數(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。因為根據(jù)動力定位不同附加標志的要求，傳感器的冗余配置情況會不同，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志dp-2或dp-3的要求，如果傳感器種類與數(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)，即至少滿足動力定位控制解算所需傳感器的種類要求。

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

s1：設(shè)定主仲裁單元，并對主仲裁單元和從仲裁單元進行同步；在步驟s1與步驟s2之間還包括步驟s11：通過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；當從仲裁單元通過對控制計算機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)異常或故障時，可將仲裁權(quán)切換至原從仲裁單元，隔離原主仲裁單元；

s2：通過主仲裁單元對控制計算機群實施同步，同步完成后設(shè)定主控制計算機；

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)，并對傳感器數(shù)據(jù)進行輸入仲裁以得到控制輸入信號，主仲裁單元將該控制輸入信號發(fā)送至各控制計算機；仲裁單元的輸入仲裁是仲裁單元對各數(shù)據(jù)采集單元所采集的各類傳感器信息進行裁決，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)量進行相應(yīng)仲裁機制或算法的選擇，最終裁決出進入動力定位解算的控制輸入數(shù)據(jù)，對故障傳感器進行報警；對于傳感器輸入的裁決算法，須結(jié)合實際控制系統(tǒng)所配備的測量同種數(shù)據(jù)的傳感器的種類與數(shù)量來決定。例如，對于測量動力定位船舶的艏向信息，假如配備了3個相同的傳感器，則可以采用三選二的投票機制進行裁決，以決定最終的傳感器輸入數(shù)據(jù)；假如配備的是不同測量原理的3個不同的傳感器，則可以根據(jù)一定信任權(quán)值，根據(jù)施工經(jīng)驗賦予每種傳感器不同的信任權(quán)值，最后通過加權(quán)平均來獲取最終的裁決值。

在步驟s2步驟s3之間還包括步驟s21：通過主仲裁單元判斷該主控計算機是否為故障控制計算機，如果是，則將主控計算機的主控權(quán)需要被切換至其他任意的控制計算機，如果當前的主控計算機不是故障控制計算機，而其他的控制計算機存在故障計算機，則對該故障計算機進行隔離；

s4：各控制計算機按照同一控制步長，對主仲裁單元發(fā)送的控制輸入信號進行控制解算，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各控制計算機所解算出的控制輸出進行裁決，需要結(jié)合冗余控制計算機的具體數(shù)量進行相應(yīng)裁決機制或算法的選擇，最終裁決出輸出給推力器系統(tǒng)的控制指令，對故障控制計算機進行報警。對于控制器輸出的裁決算法，須結(jié)合實際控制系統(tǒng)的冗余程度進行裁決機制設(shè)計。例如，當控制計算機是n模冗余時，則至少(n+1)/2臺計算機達成一致結(jié)果時，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臺計算機未達成一致結(jié)果的次數(shù)超過限定值，則對相應(yīng)的控制計算機啟動相應(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)送給各臺控制計算機以得到控制指令，并由主控計算機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，控制計算機、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，由主仲裁單元對控制計算機群實施同步，同步完成后設(shè)定主控計算機。

主、從仲裁單元開始同步接收數(shù)據(jù)采集單元上傳的數(shù)據(jù)，并對傳感器數(shù)據(jù)進行輸入仲裁，經(jīng)裁決后的控制輸入數(shù)據(jù)經(jīng)主仲裁單元發(fā)送給各控制計算機。同時，各控制計算機按照同一控制步長，結(jié)合主仲裁單元發(fā)送的輸入數(shù)據(jù)，進行控制解算，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)送給各臺控制計算機，最終由主控計算機負責將控制指令傳送給推力器系統(tǒng)。

當主、從仲裁單元均工作正常時，通過輸入仲裁與輸出仲裁可以分別診斷出故障控制計算機與故障傳感器，如果故障控制計算機剛好是主控計算機，則主控計算機的控制權(quán)需要被切換，可將控制權(quán)切換至系統(tǒng)軟件默認設(shè)定的計算機上，主控權(quán)的設(shè)定可以由最初的時候，設(shè)定一個優(yōu)先級，從而為主控計算機的切換提供一種依據(jù)；使得其不影響整個系統(tǒng)的運行；如果故障計算機不是主控計算機，則隔離當前故障計算機，不影響整個系統(tǒng)的運行。

雙冗余仲裁單元同時監(jiān)控并診斷控制計算機群以及數(shù)據(jù)采集單元的工作情況，同時主、從仲裁單元互相診斷。當從仲裁單元通過對控制計算機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，可將仲裁權(quán)切換至原從仲裁單元，隔離原主仲裁單元。

對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，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)利要求的保護范圍之內(nèi)。