CN102929157B - 一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统 - Google Patents

Abstract

一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统，本发明涉及一种船舶动力定位系统，具体涉及一种冗余设置的船舶动力定位控制计算机系统。它克服了由一个独立的仲裁单元对三个计算机的运行情况进行监控和冗余切换，仲裁单元一旦出现故障就会形成整个船舶动力定位系统故障的缺陷。它包括传感器组（3）和相同的三个控制子系统，其特征在于每个控制子系统包括一台计算机模块（1）和一个与之相连的冗余仲裁模块（2），三个冗余仲裁模块（2）的通信端口之间形成两两互联的结构，传感器组（3）的数据输出端分别连接在每个控制子系统的计算机模块（1）的数据输入端。

Description

一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统

技术领域

本发明涉及一种船舶动力定位系统，具体涉及一种冗余设置的船舶动力定位控制计算机系统。

背景技术

船舶动力定位(Dynamic Positioning，DP)系统是指在风、浪、流干扰的情况下，利用船舶自身的推进器系统抵抗海洋环境力干扰，动态地控制船舶停在某确定位置或沿着一定的预定航迹运行的闭环控制系统。它的优点是定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作方便。船舶动力定位技术除用于船舶或海洋平台的定点作业外还可以进行船舶的航行轨迹控制，因此它还应用于海底电缆和管道的敷设、海洋考察、海上救助、挖泥作业、穿梭油船、平台供应、常规船操纵等。海洋平台的动力定位系统对其可靠性的要求非常高。如果动力定位系统出现故障，将会导致海洋平台定位失去控制，造成严重的经济损失和环境灾难。因此海洋平台的动力定位控制系统要求符合船级社DP-3标志，要求具有三个独立的动力定位自动控制系统，一个控制系统故障的情况下，可以自动切换到另一个控制系统。

三冗余计算机系统是采用计算机冗余的方式达到容错的目的，也就是允许一台计算机故障甚至两台计算机故障时，系统仍然能够保持控制功能不丧失。三模冗余结构是一个高可靠、高安全性的冗余结构，因此在深海石油钻井平台和石油开采平台的动力定位控制中得到了应用。一套完整的DP-3动力定位控制系统包括：冗余传感器系统、三冗余控制计算机系统、三个冗余操纵台、冗余以太网络系统、推进器控制站等。三冗余控制计算机系统是DP-3动力定位控制系统的核心部分，它的主要功能是冗余传感器的数据采集、动力定位控制算法的执行和输出对推进器的推力指令。由于冗余的要求，三冗余控制计算机系统包含了三套完全相同的计算机系统、与传感器相连的串行通讯接口和与操纵台和推进器系统相连的双以太网接口。

DP-3动力定位系统的传感器种类和数目较多，包括：风传感器、电罗经、姿态运动传感器、位置参考系统。这样的传感器有3套，数量一般在12个以上。如果将传感器直接连接到每台计算机上会造成计算机接口电路复杂的状况。

经对现有文献检索发现，专利《DP-3级动力定位的半实物仿真其方法》(申请号：201110149060.6)设计了一个动力定位半实物仿真系统，采用了三台计算机同时进行计算。该系统与本发明的不同之处在于：该系统没有仲裁机构，只依靠计算机内部进行的表决结果来判断计算机是否有故障。

有很多文献提出了三模冗余计算机系统的设计方法，都是在三个计算机外有一个独立的仲裁单元，用于对三个计算机的运行情况进行监控和冗余切换，并且认为仲裁单元是高可靠的，不会出现故障。但仲裁单元一旦出现故障就会形成一个单点故障，整个系统就不能正常运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统，以克服由一个独立的仲裁单元对三个计算机的运行情况进行监控和冗余切换，仲裁单元一旦出现故障就会形成整个船舶动力定位系统故障的缺陷。

它包括传感器组3和相同的三个控制子系统，每个控制子系统包括一台计算机模块1和一个与之相连的冗余仲裁模块2，三个冗余仲裁模块2的通信端口之间形成两两互联的结构，传感器组3的数据输出端分别连接在每个控制子系统的计算机模块1的数据输入端。

本发明提供了一种符合DP-3标志的动力定位系统，每个计算机模块1是一个完整独立的计算机系统，包括独立的电源、CPU、内存、硬盘、总线、接口逻辑等。三个控制子系统采用松散同步方式进行同步，执行相同的控制任务。冗余功能主要由冗余仲裁模块2实现，在计算机模块1执行控制任务的同时它可并行地进行冗余处理。三个冗余仲裁模块2中都有错误判断机制和处理策略。由于具有足够的冗余资源，在冗余机制的保证下，系统在出现故障时仍能不间断运行。冗余计算机系统采用动态可重组结构，利用冗余仲裁模块和通信接口等构成的表决机构和相应算法，对表决点传感器数据、输出推力数据进行表决，同时监控计算机模块1定时发送的心跳信号来检测计算机模块1的故障。系统不但可以在单个控制子系统出现故障时，降级为双冗余系统，保障系统能够正常运行，而且在两个控制子系统先后出现故障的情况下，系统降级为单模系统仍然能够正常保持控制功能。

本发明的系统采用模块化设计，采用三个相同的冗余仲裁模块2分别与三个计算机模块1相连，构成同构的三个控制子系统，实现系统的故障检测、系统降级、系统重构和数据表决。基于高速通信的分布式三模冗余结构，每个计算机模块都是独立的计算机系统，具有独立的电源，通过通信总线相互通信实现任务级同步。本发明的优点：（1）采用模块化设计。三个同构的控制子系统，每个控制子系统包括一个计算机模块和一个冗余仲裁模块。计算机模块和冗余仲裁模块在物理上可以做在一块电路板上，实现小型化和模块化设计，提高系统可靠性和可维修性。发现有模块出故障了，更换该模块即可。（2）三个仲裁模块的设计消除了仲裁模块的单点故障，提高了系统可靠性。三个仲裁模块之间可以互相检测故障。冗余仲裁模块基于FPGA设计，可靠性高。冗余仲裁模块通过互连的通讯接口获取需要进行仲裁的数据，运用仲裁算法来进行数据表决。表决算法配置在FPGA里，可根据需要通过软件进行修改。（3）系统可在三模、双模、单模之间进行冗余状态转换。冗余仲裁模块之间通过互连的线缆来传递与之相连的计算机的状态信息，以判定当前工作的冗余系统状态。当三模冗余时，检测到有计算机出现故障，则由三模冗余切换为双模冗余，当再有计算机出现故障时，切换为单模工作状态。有修复的计算机加入系统后，系统恢复为双模或三模冗余状态。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是冗余设置的传感器组3的结构示意图，图3是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式包括传感器组3和相同的三个控制子系统，每个控制子系统包括一台计算机模块1和一个与之相连的冗余仲裁模块2，三个冗余仲裁模块2的通信端口之间形成两两互联的结构，完成仲裁模块之间的同步信息传递和心跳信号的传递。传感器组3的数据输出端分别连接在每个控制子系统的计算机模块1的数据输入端。三个计算机模块1分别与三个冗余仲裁模块2通过通信总线相连。

冗余仲裁模块2通过监测计算机模块1的心跳信号来判断计算机模块1的故障情况，通过同步信息的传递来保证三台计算机模块1程序的同步运行。三个冗余仲裁模块2通过三者之间的通信总线实现主从关系传递、心跳信号监测、同步信息交换等功能。三个数据采集模块采集6采集三套传感器的数据。每套传感器包括：风传感器、电罗经、姿态运动传感器和位置参考系统各一台，其中位置参考系统有两种：水声定位系统和差分GPS。每个数据采集模块6将采集的数据同时发送给三个计算机模块1。三个计算机模块1中，只有和主仲裁模块相连的计算机模块1可以向推进器系统输出。三个冗余仲裁模块2默认只有一个冗余仲裁模块2处于主控地位，当主控仲裁模块发生故障时，由下一个优先级的冗余仲裁模块2升级为主控模块，完成同步、表决功能。通过拨码开关设定三个冗余仲裁模块2的优先级，在初始上电时，优先级最高的冗余仲裁模块2为主仲裁模块，与之相连的计算机模块1为主控计算机。由主控计算机通过冗余仲裁模块2的通信总线，向另两台计算机模块1发送同步命令帧，实现三台计算机模块1的同步采集数据、同步控制计算。由主控计算机输出控制结果给推进器系统，控制推进器系统产生需要的推力，进行动力定位控制。

三个计算机模块1运行相同的控制程序，控制程序在实时操作系统下运行，采用多进程的方法编程。进程包括：控制进程、数据采集进程、心跳信号进程。控制进程实现控制解算、与仲裁模块2的数据交换、冗余重构等功能；数据采集进程实时接收来自数据采集模块6发送来的三套传感器的数据；心跳信号进程向冗余仲裁模块2定时发送包含了计算机自检信息的心跳信号，三个进程同时运行，保证系统各个功能的实时性。三个进程通过进程间通讯交换数据。

每个数据采集模块6采集四个不同种类的传感器的数据，并将采集的数据打包通过以太网接口分别发送给三个计算机模块1。优点是简化了传感器数据采集接口电路。每个数据采集模块采集四个不同种类的传感器数据，并将数据打包通过三个以太网接口分别发给三个计算机模块1。这样每个计算机模块1只需有三个以太网接口就可以接收三套共12个传感器的数据。

冗余切换原理：三模冗余计算机系统能在三模、双模和单机工作状态中灵活转换状态模式。三台计算机模块1通过自检功能，读取自身的内部状态信息来判断本机的工作状态，将包含本机状态信息的心跳信号发给与之相连的冗余仲裁模块2，冗余仲裁模块2将此心跳信号发送给相邻的两个冗余仲裁模块2。当其中一台计算机模块1发生故障，其他两台控制计算机模块1的冗余仲裁模块2接收到故障信息或在一定时间间隔内接收不到此计算机模块1的心跳信号，则认为此计算机模块1出现故障，从而改变运行模式，进入双模冗余状态。同时主控计算机模块将故障报警信息通过冗余网络发送到动力定位操纵台进行故障报警。

详细的冗余切换流程见如下描述：

1)系统上电后，在三台计算机模块1工作正常的情况下，由拨码开关选择的优先级最高的冗余仲裁模块进入仲裁工作状态，与之相连的计算机模块A为主控计算机；

2)三台计算机模块1通过互联总线各自以相同的频率向其他两台计算机模块1发送自身的自检信息；

3)计算机模块1通过检测另外两台计算机模块1的自检信息或检测一定时间内另外两台计算机模块1有没有发送自检信息，来判断其他两台计算机模块1是否处于正常工作状态；

4)如果计算机模块A故障：

a)如果计算机模块A部分接口故障，计算机模块A本机禁止各接口往外发送数据；

b)如果计算机模块A的CPU故障，计算机模块A不会往外发送数据；

c)计算机模块B接收到计算机模块A故障的自检信息或一定时间内接收不到计算机模块A发送的自检信息，计算机模块B改变模式，接替计算机模块A的工作，成为同步与冗余仲裁的主控计算机；

d)计算机模块C接收到计算机模块A故障的自检信息或一定时间内接收不到计算机模块A发送的自检信息，计算机模块C改变模式，接收计算机模块B发送的同步数据；

e)计算机系统由三模冗余转变为两模冗余状态；

5)如果计算机模块B或C故障：

a)如果计算机模块B或C部分接口故障，计算机模块B或C本机禁止各接口往外发送数据；

b)如果计算机模块B或C的CPU故障，计算机模块B或C瘫痪，不会往外发送数据；

c)计算机模块A接收到计算机模块B或C故障的自检信息或一定时间内接收不到计算机模块B或C发送的自检信息，计算机模块A改变模式，只往工作正常的计算机发送同步数据；

d)计算机系统由三模冗余转变为双模冗余状态。

6）双模冗余时，又有计算机故障

a)双模冗余时，两台计算机模块1中优先级较高的作为主控计算机，由这台计算机模块1发送同步指令；

b)当从控制计算机模块发生故障时，计算机系统由双模冗余转变为单模；

c)当主控计算机模块发生故障时，剩余的从控制计算机模块改变模式，变为主控计算机，计算机系统由双模冗余转变为单模。

7）系统运行在单模状态时，当一台故障计算机模块经过修理排出故障后，重新加入到系统。系统从单模状态转换为双模状态，但主控计算机状态不变。

8）系统运行在双模状态时，当另一台故障计算机模块经过修理排出故障后，重新加入到系统。系统从双模状态转换为三模状态，但主控计算机状态不变。

同步和表决原理：

与主控冗余仲裁模块相连的计算机为主控计算机模块1。在每个控制周期的开始，主控计算机向与之相连的冗余仲裁模块2（也就是主仲裁模块）输出同步命令帧，主仲裁模块收到此帧后，向三台计算机模块1同时输出同步命令帧，当三台计算机模块1接收到同步命令帧，将从数据采集模块6发送来的传感器数据发送至主仲裁模块，由主仲裁模块对这三个数据进行表决处理，再将表决完成后的数据发送至三台计算机模块1。表决数据包括四个不同类的传感器数据。进行表决的三份数据，一份来自主计算机模块，另两份由其他两个仲裁模块通过总线传送而来。上述过程保证了三个计算机模块1用于表决传感数据是在同一时刻采集的数据。三台计算机模块1收到表决后的传感器数据后，用该数据进行控制计算，然后将计算结果发送到主仲裁模块。主仲裁模块对三台计算机模块1的控制计算结果进行三选二表决，并将表决后的结果发送回三台计算机模块。只有主控计算机将控制计算结果输出到推进器控制系统，控制推进器产生相应的推力。主控计算机发送下一周期的同步指令，进入下一个控制周期。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式相对于实施方式一的改进之处是：传感器组3包括相同的三个数据采集模块6和相同的三套传感器；每套传感器的信号输出端分别连接在一个数据采集模块6的信号输入端，每个数据采集模块6的三个数据输出端分别连接在一个控制子系统的计算机模块1的数据输入端上。

冗余传感器数据采集原理：

船舶动力定位系统的传感器有：风传感器，用于测量风速风向；姿态传感器，用于测量船舶姿态，包括纵摇、横摇、升沉；电罗经，用于测量船舶艏向；差分GPS，用于测量船舶绝对位置；水声定位系统，用于测量船舶的相对位置。DP-3级动力定位系统要求有三套独立的传感器系统，其中位置测量要求有两套不同工作原理的位置参考系统。三冗余动力定位系统的传感器数量较多，一般多于12个，控制系统计算机要同时采集这些传感器的数据，接口数量多，造成系统复杂度增加。为了简化数据采集电路，提高系统可靠性。本发明的数据采集系统有三个数据采集模块6。数据采集模块6上有四路RS422串行通信接口用于连接四个不同类的传感器，三路以太网接口用于连接三个计算机模块1。数据采集模块6将四个串口接收的数据打包，转换成以太网网口数据发送给计算机模块1。串口的通讯波特率为2400~115200bps，而以太网带宽为10、100Mbps，所以一个以太网口可以同时传送多路串口数据。数据采集模块6能实现串行链路和以太网链路之间的转换，将来自串行链路一方的四个串口的传感器数据转化为TCP/IP协议数据流后，通过以太网链路的三个网口，分别发送给三台计算机模块1。

综上所述，整个三冗余系统的工作流程如图3所示：

（1）系统上电后，计算机模块1运行初始化程序，三个进程的程序开始运行。心跳信号进程开始定时向与之相连的冗余仲裁模块2发送心跳信号。数据采集进程不断地接收来自数据采集模块6发送来的传感器系统的数据。

（2）每个冗余仲裁模块2读取拨码开关设置，优先级最高的冗余仲裁模块2成为主仲裁模块，主仲裁模块向主计算机模块和相邻的两个冗余仲裁模块2发送主从信息。计算机模块1接收到主从信息后，确定系统的主从关系。并将采集到的传感器数据发送给主仲裁模块。

（3）主仲裁模块对三个计算机模块1采集的四个种类的传感器数据分别进行三选二的表决。表决结果作为判断这些传感器是否正常工作的依据，如果某个传感器与其他两个同类传感器的数据总是不一致，可以认为该传感器故障，系统进行报警处理。

（4）传感器表决的结果发送给三台计算机模块1，计算机模块1将其作为动力定位控制器的传感器数据输入，进行控制计算。

（5）三台计算机模块1将控制计算的结果发送给主仲裁模块，主仲裁模块对三个计算机模块的控制结果进行三选二的表决。表决结果可以作为判断计算机模块1是否正常工作的依据，如果某个计算机模块1输出的控制结果与其他两个计算机模块的输出总是不一致，可以认为该计算机故障，系统进行报警，并进行故障处理和冗余重构。

Claims (1)

1.一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统，它包括传感器组(3)和相同的三个控制子系统，其特征在于每个控制子系统包括一台计算机模块(1)和一个与之相连的冗余仲裁模块(2)，三个冗余仲裁模块(2)的通信端口之间形成两两互联的结构，传感器组(3)的数据输出端分别连接在每个控制子系统的计算机模块(1)的数据输入端；

三个计算机模块(1)分别与各自的冗余仲裁模块(2)通过通信总线相连，实现主从关系传递、心跳信号监测和同步信息交换；

三个冗余仲裁模块(2)之间通过两两互联的结构完成仲裁模块之间的同步信息传递和心跳信号的传递；冗余仲裁模块(2)通过监测计算机(1)的心跳信号来判断计算机(1)的故障情况，通过同步信息的传递来保证三台计算机(1)程序的同步运行；

传感器组(3)包括相同的三个数据采集模块(6)和相同的三套传感器；每套传感器的信号输出端分别连接在一个数据采集模块(6)的信号输入端，每个数据采集模块(6)的三个数据输出端分别连接在三个控制子系统的计算机模块(1)的数据输入端上；

与主控冗余仲裁模块相连的计算机模块为主控计算机，主控计算机输出同步命令帧，主控仲裁模块收到此同步命令帧后，向三台计算机模块(1)同时输出同步命令帧，当三台计算机模块(1)收到同步命令帧，将采集到的传感器数据发送至主控冗余仲裁模块，主控冗余仲裁模块对三套传感器的数据进行表决处理，并将表决完成后的数据发送至三台计算机模块(1)；三台计算机模块(1)收到此数据后，开始控制计算；

根据三台计算机模块(1)的故障状况，在三模、双模和单模状态下进行切换；三台计算机模块(1)通过自检功能，读取自身的内部状态信息来判断本机的工作状态，将包含本机状态信息的心跳信号发给与之相连的冗余仲裁模块(2)，冗余仲裁模块(2)将此心跳信号发送给相邻的两个冗余仲裁模块(2)；当其中一台计算机模块(1)发生故障，其他两台控制计算机模块(1)的冗余仲裁模块(2)接收到故障信息或在一定时间间隔内接收不到此计算机模块的心跳信号，则认为此计算机模块出现故障，从而改变运行模式，进入双模冗余状态；

三个冗余仲裁模块(2)中默认只有一个冗余仲裁模块(2)处于主控地位，当主控冗余仲裁模块发生故障时，由下一个优先级的冗余仲裁模块(2)升级为主控模块，完成同步、表决功能；在三个冗余仲裁模块(2)中，通过拨码开关位置的不同，设定优先级关系，在初始上电时，优先级最高的为主控冗余仲裁模块；

三个计算机模块(1)运行相同的控制程序，控制程序在实时操作系统下运行，采用多进程的方法编程；进程包括：控制进程、数据采集进程、心跳信号进程；控制进程实现控制解算、与冗余仲裁模块(2)的数据交换和冗余重构功能；数据采集进程实时接收来自数据采集模块(6)发送来的三套传感器的数据；心跳信号进程向冗余仲裁模块(2)定时发送包含了计算机自检信息的心跳信号；三个进程同时运行，保证系统各个功能的实时性；

传感器组(3)中的传感器有：风传感器、姿态传感器、电罗经、差分GPS和水声定位系统；

三个控制子系统采用松散同步方式进行同步，执行相同的控制任务；在每个控制周期的开始，主控计算机向与之相连的冗余仲裁模块(2)输出同步命令帧；三台计算机模块(1)收到表决后的传感器数据后，用该数据进行控制计算，然后将计算结果发送到主仲裁模块；主仲裁模块对三台计算机模块(1)的控制计算结果进行三选二表决，并将表决后的结果发送回三台计算机模块；只有主控计算机将控制计算结果输出到推进器控制系统，控制推进器产生相应的推力；主控计算机发送下一周期的同步指令，进入下一个控制周期；

每个数据采集模块(6)采集四个不同种类的传感器的数据，并将采集的数据打包通过以太网接口分别发送给三个计算机模块(1)。