CN101052928A - 动态定位系统的测试方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种海事船舶(0)控制系统(2)的测试方法，所述系统(2)从传感器(8)接收实际测量信号(7)并且提供控制信号(13)给致动器(16，17，18)，其特征在于连接信号修改计算机(80)并且接收一个或多个所述实际测量信号(7)，所述信号修改计算机(80)将所述实际测量信号(7)修改为依赖于所述实际测量信号(7)的实际值的经修改的测量信号(70)；所述信号修改计算机(80)发送所述经修改的测量信号(70)至所述控制系统(2)，所述一个或多个经修改的测量信号(70)输入替代部分或者全部所述实际测量信号(8)输入；所述控制系统(2)对所述一个或多个经修改的测量信号(70)进行作动，并且保持未受影响的实际测量信号(7)；从而测试所述控制系统(2)是否对由所述经修改的测量信号(70)表示的设想为在一个或多个传感器(8)中发生的错误按照所需方式进行作动。
Description
介绍
船舶的动态定位(DP)系统被用于所谓的驻地保持，其中船舶能够自动维持固定位置或者在海中的预定轨迹而不需要使用锚或类似物。测试系统和测试方法对于促进动态定位系统的扩展测试非常重要，以验证动态定位系统能够实现船舶的安全和准确定位。需要扩展测试是由于以下事实：动态定位系统的成功运行对于船舶安全、其它船舶和结构、环境以及在动态定位控制下其任务的完成都至关重要。动态定位系统是一种复杂技术系统，包括计算机系统、计算机网络、大量传感器、推进器以及致动器、机械、电力系统以及海事自动系统。测试覆盖与动态定位系统的主要部件的交互相关的效果非常重要，其包括计算机控制系统、计算机网络、电力系统、机械、电力总线、推进器、位置参考系统以及致动器。现有技术无法对这些效果进行所需的扩展测试，因此促使本发明提出了一种动态定位测试的新的系统和方法。
现有技术
现有技术包括如下论述的国际专利申请WO9214216。此外，若干美国专利描述了船舶定位的方法和设备。1981年的US4301760描述了定位深海井上的钻井船的方法。US5023791涉及一种自动测试设备，其用于测试飞行器的飞行控制系统。1996年的US5523951描述了一种沿着期望的海底轨迹进行自动船舶驾驶的系统。US5260874描述了一种飞行器测试系统，其产生激励以模拟飞行器在飞行中接收到的激励，即飞行器必须着地。US5541863描述了航空电子设备的虚拟集成软件试验台。US6298318涉及一种实时惯性运动信号模拟。US6450112主张了一种船舶自动定位的方法，其包括命令源，以输入期望的船舶位置或者速度至控制规则，从而确定所需的动力或力矩。动态定位系统的部件
动态定位(DP)系统可以包括：
1.动态定位计算机系统，其包括DP计算机、数据输入/输出系统和DP软件；
2.计算机网络；
3.电力系统，包括机械、发电机、电力管理系统(PMS)、电力总线和配电板、不中断电源(UPS)、以及低高压配电、其包括辅助设备，例如海事自动化、燃料泵、制冷和循环泵等等；
4.推进器和船舵形式的推进装置，包括本地推进器控制系统和水压、制冷、海事自动化等等的辅助系统；
5.位置参考系统和传感器形式的测量系统；
6.操作站，其中，信息通过显示器提供给操作员，以及操作员可以通过输入命令(10)设备输入命令至DP系统。
半实物仿真
根据现有技术，DP控制系统通过半实物仿真进行测试，其中DP控制系统连接到模拟器而不是船舶。模拟器从DP计算机系统输入推进器和船舵命令，并且计算通过这种推进器和船舵命令而产生的船舶动作。模拟器返回由测量系统产生的针对由模拟器计算的动作的信号。在DP控制系统看来，其仿佛是连接到安装在船舶上的设备，而实际上其连接到的是模拟器。DP计算机系统可以对该测试配置中的大范围的操作设置和环境条件、故障情形和操作员命令进行测试。这是非常有效并且非常重要的测试方法。
半实物仿真的主要限制在于，只有DP系统的一个孤立部分即DP计算机系统被测试。但测试作为集成DP系统一部分的DP计算机系统，从而测试推进器系统内的计算机控制系统、电力管理系统、海事自动化系统等等也是必要的。使用半实物仿真进行测试的另一个缺陷在于，测试质量依赖于模拟器中使用的数学模型的精度，即模型模仿实际船舶的所有交互部件的逼真度。对于船舶动力，水力，测量系统，推进器和船舵，精度可以非常高，并且在多数测试情况下可以获得可靠结果。然而，电力系统非常复杂，其具有大量输入/输出信号以及非常高频的动力，截至本发明提交时，还不能期望在半实物仿真器中实际使用具有足够精度的数学模型。基于以上背景，需要DP系统的附加测试工具。
FMEA测试
在已有实施中，DP系统根据故障模式和效果分析(FMEA)进行测试。在FMEA测试中，识别了DP系统的大量关键故障模式，并且测试了DP系统如何处理这些故障模式。该测试是通过禁用设备并且让设备出现错误，并且在DP系统正常工作时断开连接并且重新连接DP系统的电缆和连接器而进行的。此外，电子板可以被移除并且重新插入。执行中断测试，其中电力系统的部分被关闭。
以上所述的FMEA测试的测试格式可以认为是强力式的，其中故障是通过“硬方式”进行模拟的。其带来了与电缆、连接器和电子板等损坏风险相关的问题，以及当系统在中断测试之后重新启动时可能出现的问题。而且，这种测试非常耗时。此外，还存在如下问题，即某些期望的测试用例不能被执行，因为它们可能导致过高成本，过长的完成时间，或者对设备或人员构成危险。
与海运控制公司(Marine Cybernetics AS)的先前专利申请的关系
海运控制(Marine Cybernetics)和挪威船级社(Det Norske Veritas)的专利申请NO2002 6284、NO2003 5861和PCT-NO 2003-000445提出了对海事控制系统进行远程测试的方法和系统。
本发明并非基于半实物仿真。作为替代，测试是由DP系统在其正常工作中运行的情况下通过修改来自其它计算机系统(例如海事自动化系统，电力管理系统或者推进器控制系统等)的测量信号或者状态信号而进行的。信号的修改可以在推进器系统、电力系统、传感器系统等内本地进行，或者在海事自动化系统内或在DP计算机系统接口处进行。这样，可以检查整个DP系统上的传感器故障的影响。这些传感器故障可以包括信号丢失、恒定误差，恒定或者变化的信号偏移，一个或多个传感器的不良校准，符号错误等等。
与Edge Electronics公司的专利申请WO9214216的关系
Edge Electronics的专利申请WO9214216在其与本发明相关的主权利要求中描述了具有如下要素的系统：
权利要求1：
一种如下类型的机动车的交互式诊断系统，该类型的机动车具有(i)传感器和致动器网络，用于独立检测并且致动机动车内的大量不同功能，(ii)车载计算机，用于监视所述传感器并且控制所述致动器的运行，以及(iii)多个模块，用于将所述车载计算机电连接到所述传感器和致动器，所述多个连接模块包括：机动车侧连接器，其具有分别与所述传感器和致动器连接的一系列机动车侧插头端子；以及计算机侧连接器，其可脱离地连接到所述机动车侧连接器，并且具有与计算机内适当电路连接的对应的互补计算机侧插头端子，所述诊断系统包括：
(a)第一模块，用于选择性并且暂时性地断开一个或多个所述机动车侧端子与对应计算机侧端子的连接，从而选择性并且暂时性地将一个或多个特定传感器和/或致动器断开与所述计算机的连接；
(b)第二模块，当所述一个或多个特定机动车侧端子断开与其对应计算机侧端子的连接时，所述第二模块暂时性地可连接到所述一个或多个特定机动车侧端子，从而独立于所述车载计算机，而控制所述一个或多个特定致动器的运行；以及
(c)第三模块，当所述一个或多个特定计算机侧端子断开与其对应的机动车侧端子的连接时，所述第三模块暂时性地可连接到所述一个或多个特定计算机侧端子，从而独立于一个或多个特定传感器的实际运行，而模拟所述一个或多个特定传感器的运行。
权利要求23：
一种诊断如下类型机动车的方法，该类型机动车具有(i)传感器和致动器网络，用于独立检测并且致动机动车内的大量不同功能，(ii)车载计算机，用于监视所述传感器并且控制所述致动器的运行，以及(iii)多个模块，用于将所述车载计算机电连接到所述传感器和致动器，所述连接模块包括：机动车侧连接器，其具有分别与所述传感器和致动器连接的一系列机动车侧插头端子；以及计算机侧连接器，其可脱离地连接到所述机动车侧连接器，并且具有与计算机内的适当电路连接的对应的互补计算机侧插头端子，所述方法包括以下步骤：
(a)选择性并且暂时性地断开一个或多个所述机动车侧端子的连接，从而选择性并且暂时性地将一个或多个特定传感器和/或致动器断开与所述计算机的连接；以及
(b)独立于所述车载计算机，而控制所述一个或多个特定断开连接的致动器的运行，和/或独立于这些传感器的实际运行，而模拟所述一个或多个特定断开连接的传感器的运行。
根据专利申请WO9214216的权利要求，机动车侧致动器的致动器信号来自于车载计算机或者来自于独立于所述车载计算机的第二模块；按照相同方式，输入到车载计算机的传感器信号来自于机动车侧传感器，或者来自于独立于这些传感器的实际运行的第三模块。
而且，应当注意，专利申请WO9214216中描述的诊断系统用于针对传感器和致动器通过多条单独信号线路的网络连接到机动车计算机的机动车，其中，各个信号线路将机动车计算机连接到单个传感器或者致动器，并且其中，通过拔出连接器并将所述连接器连接到诊断系统，而将选定信号断开与计算机侧或者机动车侧的连接。
对于专利申请WO9214216可以得出如下结论：
1.其并没有考虑下面的情况：通过向各个信号添加某个附加信号部分，或者通过为各个所述信号以一定偏移和增益来调节一个或多个所述信号，从而修改一个或多个特定传感器或致动器信号。
2.其并不允许出现下面的情况：使用一个或多个传感器信号和/或一个或多个致动器信号，以计算一个或多个经修改的传感器信号，所述经修改的传感器信号待被输入到车载计算机侧传感器信号端子。Edge使用或者拒绝单个传感器的信号。
上述限制在DP系统测试时非常严重，但是在本专利申请中并不存在。
发明内容
上述问题可以使用本发明的实施例来克服，本发明提供了海事船舶控制系统的测试系统，用于从传感器接收实际测量信号，并且输出控制信号至致动器，包括以下新颖特征：
——信号修改计算机用于被连接以接收一个或多个所述实际测量信号，
——所述信号修改计算机用于将所述实际测量信号修改为经修改的测量信号，所述经修改的测量信号依赖于所述实际测量信号的实际值；
——所述信号修改计算机用于发送所述经修改的测量信号至所述控制系统，所述一个或多个经修改的测量信号输入替代部分或者全部所述实际测量信号输入；
——所述控制系统用于对所述一个或多个经修改的测量信号和剩余的未受影响的实际测量信号(7)进行作动；
——从而使所述控制系统实现对由所述经修改的测量信号表示的错误进行测试的功能，所述经修改的测量信号被设想为在一个或多个传感器中出现。
本发明的其它特征定义在所附的从属权利要求中。本发明还包括测试海事船舶控制系统的方法，所述系统从传感器接收实际测量信号并且提供控制信号给致动器，
——连接信号修改计算机，并且接收一个或多个所述实际测量信号，
其特征在于
——所述信号修改计算机将所述实际测量信号修改为经修改的测量信号，所述经修改的测量信号依赖于所述实际测量信号的实际值；
——所述信号修改计算机发送所述经修改的测量信号至所述控制系统，所述一个或多个经修改的测量信号输入替代部分或者全部所述实际测量信号输入；
——所述控制系统对所述一个或多个经修改的测量信号作动，并且保持未受影响的实际测量信号；
从而测试所述控制系统是否对由所述经修改的测量信号表示的错误按照期望的方式进行作动，所述经修改的测量信号被设想为在一个或多个传感器中出现。根据本发明的方法的其它步骤被包括在所述方法权利要求的从属权利要求中。
附图说明
在附图中示出了本发明，这些附图仅应被认为是用于说明本发明，而并不限制本发明的保护范围，本发明的保护范围仅由所附的权利要求书来界定。
图1示出了现有技术的船舶0，其具有传感器8来发送传感器信号7至控制系统2，该控制系统2也从命令控制台10接收命令控制信号，所述控制信号提供命令信号给致动器，例如螺旋桨16，推进器17以及船舵18；
图2示出了根据本发明一个实施例的系统的简化示意图，其中信号修改计算机80插入在控制系统2的前面。其还显示了命令输入控制台10。信号线路可以为多个串行线路；
图3示出了根据本发明可替换实施例的系统的简化示意图，其使用计算机通信网络，以发送来自传感器的传感器信号至信号修改计算机80，并且发送经修改的传感器信号至控制系统2，所述控制系统提供控制信号给船舶的致动器。
根据本发明的DP系统接口的优选实施例的描述
根据本发明的动态定位系统可以具有大量不同的接口配置。根据已有实施，DP系统可以设计为使得DP计算机系统连接到测量网络和致动器网络，其中测量网络和致动器网络为以太网，通常设计为冗余网络。测量网络和/或致动器网络可替换地可以由冗余的现场总线或者控制器局域网络总线(CAN-bus)通信替代，或者由无线电通信系统替代。某些传感器可以通过诸如RS232、RS422或者RS485等的串行线路或者通过模拟和数字信号线路直接连接到DP计算机系统。
DP系统的硬件接口具有输入/输出板，所述输入/输出板包括串行接口、数字模拟转换器、模拟数字转换器、数字接口，以及信号调理，该硬件接口可以集成在DP计算机机柜内或者分布在船舶上。这种分布式硬件接口可以位于专用接口电子单元中或者连接到测量网络的计算机内。这种硬件接口还可以被集成在船舶上的海事自动化系统计算机或者可编程逻辑计算机(PLC)内。
使用串行线路的本发明的第一优选实施例
考虑下面一种DP系统，其中：
1.DP计算机系统通过诸如RS422之类的串行线路连接到位置参考系统，并且其中，所述测量系统的其余传感器通过诸如RS422之类的串行线路或者通过模拟信号线路，连接到DP计算机系统。
2.DP计算机系统通过计算机网络或者通过硬连线的模拟或者数字信号，连接到推进器系统，该计算机网络通常为运行UDP协议的冗余或者非冗余的以太网。
在本发明的第一实施例中，外部信号修改计算机用于测试目的。该信号修改计算机用于运行专门开发的信号修改算法。在测试中，来自位置参考系统和/或测量系统的其它传感器的一个或多个串行线路被断开与DP计算机系统的连接，并且连接到信号修改计算机。各个所述串行线路被从信号修改计算机至DP计算机系统的串行线路所替代，因此输入到DP计算机系统的传感器信号是在信号修改计算机中生成，即经修改的信号。
所述信号修改计算机并不是信号模拟器。所述信号修改计算机接收一个或多个传感器信号，这些传感器信号在正常工作时会被输入到DP计算机系统。信号修改计算机为了测试目的，基于输入到信号修改计算机的一个或多个传感器信号的信号，计算所述传感器信号的新值。所述传感器信号的新值以最小内部延迟方式，经由从信号修改计算机至DP计算机系统的串行线路，传输到DP计算机系统。
随后，对DP系统进行如下测试：
1.DP系统的DP计算机系统、电力系统、测量系统、推进器系统以及操作站运行于其正常工作模式下。
2.信号修改计算机从测量系统连续接收一个或多个传感器信号，产生对应于所述一个或多个传感器信号的一个或多个经修改的传感器信号，其中所述经修改的传感器信号是在信号修改计算机内使用依赖于所述传感器信号的实际值的算法而计算的，信号修改计算机输出所述一个或多个经修改的传感器信号至DP计算机系统。
使用计算机网络的本发明的第二优选实施例
可以将本发明表示为海事船舶控制系统(2)的测试系统，用于从传感器(8)接收实际测量信号(7)，并且输出控制信号(13)至致动器(16，17，18)。
连接信号修改计算机(80)，以接收一个或多个所述实际测量信号(7)。
信号修改计算机(80)用于优选地在相对较短时间内，将实际测量信号(7)修改为经修改的测量信号(70)。实际测量信号的修改不是随机的，而是基于所述实际测量信号的实际值而进行的。例如，两个或者更多GPS传感器中的一个GPS传感器发出的位置信号包括经度和纬度，可以使用恒定或者变化的矢量来对所述位置信号进行修改，所述矢量具有方向和长度，例如75m的长度和相对于北东北(NNE)的30度的方向，表示GPS读取时的偏移误差，给出了相对于北方75m cos 30、以及相对于东方75m sin30的误差。
信号修改计算机(80)用于发送经修改的测量信号(70)至上述控制系统(2)，其中一个或多个所述经修改的测量信号(70)的输入替代部分或者全部所述实际测量信号(8)的输入。
——所述控制系统(2)用于对所述一个或多个经修改的测量信号(70)作动，并且保持不受影响的实际测量信号(7)；
本发明的目的是使所述控制系统(2)实现对由所述经修改的测量信号(70)表示的错误进行测试的功能，所述经修改的测量信号(70)被设想为在一个或多个传感器(8)中出现。举一个引导性的例子，该测试可以表明系统是否能够区分一个传感器(例如第一GPS传感器)的例如突然变化或者不稳定读取，与类似传感器(例如另一个GPS传感器)的较小变化或者稳定读取。该测试还可以表明，系统是否能够区分诸如高精度dGPS信号之类的高优先级位置信号由于某些错误发生而变得不可信任，以及赋予优先级给由水声转发器(hydroacoustic transponder)发出的较不准确但是对于测试情形仍然可以信任的位置信号。这种行为是在一个或者两个dGPS系统发生故障时转发器系统能继续工作的实际情况所需的。
参考附图，在根据本发明的测试系统中，海事控制系统(2)用于从命令输入设备(10)通过命令信号线路(11)接收输入命令信号(9)。而且，在测试系统中，所述传感器(8)使用传感器信号线路(12)连接到所述控制系统。
考虑下面一种DP系统，其中：
a)DP计算机系统通过计算机网络连接到测量系统，所述计算机网络通常为(i)运行UDP协议的冗余或者非冗余以太网，(ii)冗余或者非冗余现场总线或者控制器局域网络总线(CAN-bus)，或者(iii)无线信号传输协议；
b)DP计算机系统通过计算机网络连接到致动器。
在本发明的第二实施例中，出于测试的目的，使用了外部信号修改计算机。该信号修改计算机用于运行专门开发的信号修改算法。在测试中，信号修改计算机连接到计算机网络，该计算机网络将DP计算机系统连接到测量系统。信号修改计算机通过测量系统输入一个或多个传感器信号，并且基于这些输入的传感器信号和计算机算法，信号修改计算机计算所述传感器信号的经修改的值，并且信号修改计算机通过计算机网络输出经修改的传感器信号，经修改的信号被发送给DP计算机。
出于测试目的，可以通过改变DP计算机系统的输入信号列表来改变DP计算机系统的输入，从而使DP计算机系统从信号修改计算机接收所述经修改的传感器信号，而不是由测量系统发送的对应传感器信号。
随后，对DP系统进行如下测试：
1.DP系统的电力系统、测量系统、推进器系统和操作站工作于其正常工作模式下。
2.设置DP计算机系统，以从信号修改计算机读取一个或多个经修改的信号，而不是从测量系统读取对应的传感器信号。
3.信号修改计算机经由计算机网络从测量系统连续地接收一个或多个传感器信号，产生对应于所述一个或多个传感器信号的一个或多个经修改的传感器信号，其中所述经修改的传感器信号是在信号修改计算机中使用依赖于所述传感器信号的真值的算法而计算的，信号修改计算机经由计算机网络输出所述一个或多个经修改的传感器信号至DP计算机系统。
参考附图，根据本发明的测试系统输出控制信号(13)至所述致动器(16，17，18)，例如螺旋桨(16)，推进器(17)，以及船舵(18)。
而且，信号修改计算机(80)在相对较短时间内将所述实际测量信号(7)修改为经修改的测量信号(70)，从而与所述控制系统(2)接收所述实际测量信号(7)的对应接收时间相比，所述控制系统(2)对于所述经修改的测量信号(70)不会经历明显地延迟。根据本发明的测试系统即所述控制系统(2)可以包括电力管理系统，所述电力管理系统包括：电力传感器(8p？)，以检测诸如发电机输出电压(7pV)之类的电力信号；发电机输出电流(7pA)；发电机功率(7pP)；总发电机功率的一部分(7pTf)；发电机状态(7pS)等等。
本发明的应用
位置参考系统测试布置
在DP系统中，船舶位置是基于一个或多个位置参考系统中的测量而确定的。位置参考系统输出(i)固定在船舶中的参考点位置或者(ii)船舶头部。位置参考系统可以为如下各项中的一者：
a)DGPS位置参考系统，其中，测量GPS天线位置的差分GPS系统(DGPS)组合于测量船舶路线的陀螺罗经以及建立垂直线方向的垂直参考单元。可以使用其它卫星导航系统，例如伽利略(Galileo)或者陆基(land-based)导航系统。通过这些测量，DP计算机系统可以通过对GPS天线和船舶参考点之间的距离调节GPS天线的位置，而针对测量的头部和测量的垂直方向来计算船舶参考点的位置。
b)水声位置参考系统，其中水声测量系统结合测量船舶路线的陀螺罗经和建立垂直线方向的垂直参考单元而给出水声转发器的位置。通过这些测量，DP计算机系统可以通过对水声转发器和船舶参考点之间的距离调节水声转发器的位置，而为测量的路线和测量的垂直方向来计算船舶参考点的位置。
c)Tautwire，Fanbeam，DARPS，ARTEMIS，陀螺罗经等等。
正确工作的位置参考系统对于DP系统性能的安全性和有效性是非常重要的。正因为如此，在涉及DP系统的重大安全操作中，通常使用至少三个位置参考系统。一种典型配置是，使用两个DGPS位置参考系统，以及一个水声位置参考系统。这样做的目的是希望，当一个位置参考系统发生故障时，可以通过使用来自余下两个位置参考系统的信息来校正或者消除该故障。在若干记录的案例中，发现即使使用三个位置参考系统，仍然可能出现在一个参考系统发生故障时DP系统无法建立正确位置的情况。因此，对DP系统如何处理一个或多个位置参考系统中的错误或故障以及处理至何种程度进行测试是非常重要的。
本发明的信号修改计算机是一种在位置参考系统中发生故障时对DP系统性能进行测试的新型和有用的工具。这种测试可以使用本发明的第一优选实施例来如下进行。在描述中，假定DP系统具有两个DGPS系统和一个具有海平面上的转发器的水声位置参考系统，并且这三个位置参考系统均通过RS232串行线路连接到DP计算机系统。
1.DP系统的DP计算机系统、电力系统、测量系统、致动器系统和操作站工作于其正常工作模式。
2.优选的三个位置参考系统的相应的RS232串行线路均断开与DP计算机系统的连接，并且连接到信号修改计算机。所述连接到DP计算机系统的RS232串行线路被从信号修改计算机至DP计算机系统的RS232串行线路所替代。
3.由三个位置参考传感器发出的位置参考信号被输入到信号修改计算机。各个位置参考信号包括船舶上点的位置、路线角度以及垂直线的方向。
4.信号修改计算机计算给定故障情形下产生的经修改的位置参考信号，并且将经修改的位置参考信号发送给DP计算机系统。
5.由输出和测试中故障情况的其它状态信号表示的DP系统的性能是通过输入到DP计算机系统的传感器信号、从DP计算机系统输出的致动器信号以及可能的状态信号而被记录的。
为了进一步解释如何实施位置参考测试，下面给出三个示例：
位置参考测试1——降低GPS信号质量
位置参考测试1是，信号修改计算机针对以来自一个GPS卫星的信号质量降低的形式出现的故障，而进行的DP系统性能的测试。这是一种外部错误，即在两个GPS接收器从同一组卫星来接收信号的情况下，可能出现相同的错误位置。目前已知发生过这种错误情形，并且在记录的案例中，这种故障导致DP系统的偏离，这是一种潜在的安全威胁事件，因为DP系统使用推进器，从而船舶在非控制作动中被驱动而偏离其指定位置。假定所考虑的DP系统具有两个DGPS位置参考系统和一个水声位置参考系统。
如上所述，位置参考系统连接到信号修改计算机而不是DP计算机系统，并且信号修改计算机发送经修改的位置参考信号至DP计算机系统。
随后，基于将由两个DGPS位置参考系统所发出的测量天线位置与测试时间时的已知GPS卫星结构相结合，一个卫星为了测试目的而被选择为具有导致降低GPS信号质量的故障条件。接着，计算两个DGPS位置参考系统的测量的GPS天线对于所述卫星的降低质量的GPS信号有何改变。然后信号修改计算机调节位置参考信号，以应对DGPS位置参考系统的天线位置的所述改变，并且发送经修改的位置参考信号至DP计算机系统。这样，可以测试DP系统如何处理不准确的GPS卫星信号。
位置参考测试2——预定位置变化速率信号区分
在基于控制理论教科书的实践的已有方法中，监视传感器信号中的变化速率，如果传感器信号的变化大于可以物理实现的程度，则将传感器信号作为无效而丢弃。该方法在DP系统中使用以消除位置参考系统中的故障。在记录的案例中，DP系统中的两个DGPS位置参考系统由于GPS卫星信号的错误而显示出了测量位置75米的瞬时变化。显然，船舶无法瞬时将其位置改变75米，因此，DGPS系统将由两个DGPS位置参考所发出的信号作为无效而适当丢弃。
然而，事实证明该方法并非没有问题。另一个安哥拉海岸的案例中，一系列巨型波浪所造成的突然影响将船舶从其初始位置迅速地移动了25米。DGPS位置参考系统正确地记录了这种快速的运动变化，但是DP系统却丢弃了非常正确的DGPS位置参考信号，因为位置改变速率大于DP系统设置接受的阈值。所以，DP系统使该船舶的所有位置参考系统均无效。
为了测试DP系统如何处理这种情况，因此使用本发明的信号修改计算机。位置参考信号被输入到信号修改计算机，而不是被输入到如上所述的DP计算机系统。位置参考信号被用于计算船舶参考点的位置。随后，信号修改计算机将位置增量添加到船舶参考点，所述船舶参考点对应于某个预定快速运动，所述预定快速动作可以对应于一系列巨型波浪的突然影响所施加的运动。信号修改计算机连续修改位置参考信号，从而使这些信号对应于船舶参考点的经修改的运动。这些经修改的位置参考信号被连续发送到DP控制系统，并且可以观察DP系统是否能够处理给定的波浪激励而不会丢弃位置参考系统。
位置参考测试3——水声错误
在DP系统中，将水声位置参考系统与DGPS位置参考系统结合使用。水声位置参考系统的性能非常重要，特别是当DGPS位置参考系统存在问题的情况下。
DP操作中，水声位置参考系统的记录的故障情形可以被有效地用于测试使用信号修改计算机的控制系统。为了完成该测试，水声位置参考信号被输入到信号修改计算机中。然后这些信号在信号修改计算机中被计算修改，其中，实施了如下测试：
a)通过添加噪声信号至来自水声位置参考的位置信号，并且通过发送经修改的信号至DP计算机系统，来研究噪声对水声位置参考信号的改变方差的影响。还可以通过添加噪声信号至DGPS位置参考信号，来扩展该测试，以研究噪声对水声和DGPS位置参考系统的组合影响。
b)对于因水声信号反射、海平面上的转发器之间的不良通信、转发器故障或者转发器断电而产生的DP系统的声学通信错误的影响，可以通过使用水声信号传输的数学模型以及产生的位置信号变化，修改水声位置参考信号，来测试。
c)声音数据的降采样速率的影响可以通过修改来自水声位置参考的信号使得采样速率从例如1Hz降低至例如0.5Hz而被测试。
位置参考测试4——垂直参考误差
在DP系统中使用垂直参考单元，作为输入位置参考信号以计算船舶参考点的位置。垂直参考单元中的故障将在船舶参考点的位置计算中给出错误值，并且如果垂直参考单元中的错误大于90度，则计算甚至会由于依赖于计算实施的算法中可能的除零运算而崩溃。
位置参考系统中故障的影响是通过在信号修改计算机中修改垂直参考系统信号并且发送经修改的信号至DP计算机系统而完成的，从而测试控制系统对垂直参考单元测量中这种误差的容错性。
风传感器测试
DP系统通常具有一个或多个风传感器，以测量作用在船舶上的风速。随后，根据海事工程教科书中的公知技术，可以计算风力对船舶造成的作用力和转矩。然后可以在DP计算机的算法中使用这些计算，以在风力强劲时在DP系统中实现改善精度。可以预见的是，风传感器可能变得有缺陷，或者可能由于故障或者直升机靠近于风传感器的位置逗留而显示出不正确值。
为了测试DP系统如何处理一个风传感器中的故障，信号修改计算机可以如下使用：可以为模拟信号线路或者数字RS232串行线路的风传感器信号线路，被断开与DP计算机系统的连接，并且该信号被连接到信号修改计算机。风传感器信号线路被相同类型的另一条连接到DP计算机系统的信号线路所替代，从而该信号线路将经修改的风传感器信号从信号修改计算机传输到DP计算机系统。然后信号修改计算机根据以下一种可替换方法修改风传感器信号：
*以设定的时间间隔添加具有高噪声方差的信号。
*添加漂移信号，从而使经修改的信号以设定的时间间隔脱离传感器信号。
*以设定时间间隔添加恒定信号偏移。
*应用信号冻结，从而使经修改的信号在设定的时间间隔内为恒定值。
经修改的风传感器信号被发送到DP计算机系统以替代风传感器信号。
电力管理系统的中断防止测试
通过柴油机-电动系统驱动的推进器和螺旋桨在船舶和浮油(floating oil)安装中被广泛使用。在这些系统中，柴油机引擎被用于驱动发电机，从而提供电力给船舶上的电力系统。推进器和螺旋桨通过由电力系统供电的电动机而被驱动。并且，电力系统被用于驱动船舶的其它功能，例如起重机、波浪补偿(heave compesation)、钻孔、制冷以及空调等等。这种类型系统的公知问题是，如果船舶其它功能使用的电力很高，则与通过DP系统指示的实现推进所需的电力相比，推进器和螺旋桨可用的电力可能不足。对于手动控制的船舶也是相同情况，其中操作员可能需要对应于超过可用电力的电力功耗的推进。在可用电力不足的情况下，作为集成在电力系统中的控制系统，电力管理系统降低分配给消耗电力的不同系统的电力，并且它甚至可以关闭这些耗电设备。
如果电力管理系统不能适当处理用于推进的电力不足的问题，则船舶可能经历部分电力断电的危险，其中一个或多个配电板和电力总线被关断，并且甚至可能发生船舶上电力完全停止而使得船舶中断的情况，这种情况可能导致船舶事故和损失。
因此，应当理解的是，结合船舶的所有安装单元，特别是结合DP系统，对电力管理系统的功能进行扩展测试是非常重要的。
a)考虑具有DP系统的船舶，其信号表示通过发电机产生的电力被发送给正常工作中的DP计算机系统，当船舶的其它功能消耗的电力很高时，该DP系统适当降低推进器的功耗。通过在海上正常工作的DP系统来对DP系统的电力降低功能可以测试，除非从发电机至DP系统的电力表示信号被信号修改计算机修改，从而经修改的信号表示从发电机至船舶其它功能的电力为例如90％的可用电力。然后可以对DP系统是否能够令人满意地处理这种情形进行测试。
b)考虑另一种具有DP系统的船舶，其信号表示通过发电机产生的电力被发送给电力管理系统而不是正常工作下的DP计算机系统，并且当船舶的其它功能消耗的电力很高时，该电力管理系统而不是DP系统适当降低推进器的功耗。然后可以通过在海上正常工作的DP系统，对电力管理系统的电力降低功能进行测试，除非从发电机至电力管理系统的电力表示信号被信号修改计算机修改，从而经修改的信号表示从发电机至船舶其它功能的电力接近总电力容量例如为90％的可用电力。然后可以对电力管理系统是否能够结合DP系统令人满意的处理这种情形进行测试。
推进系统测试
推进系统是DP船舶中的关键因素。推进器的控制系统、电力管理系统以及DP系统之间的相互影响可能造成问题，并且对这些系统进行组合测试非常重要。这种连接中的推进系统包括螺旋桨，驱动螺旋桨的电推进器电机，控制螺旋桨叶片的螺距的驱动器，在利用方位角推进器的情况下的控制方位角的驱动器，以及推进器控制系统，所述推进器控制系统测量螺旋桨的轴速度和轴功率并且控制推进器电机从而实现指示的轴功率和轴速度。
在推进系统测试中，关注的是在一个或多个推进器螺距信号、RPM或者电力信号反馈信号、或者推进器状态信号存在错误的情况下对系统进行测试。这是通过如下方式实现的：将系统运行于其正常工作模式下，除非信号修改计算机修改一个或多个推进器信号。
Claims (16)
1、一种海事船舶(0)控制系统(2)的测试系统，从传感器(8)接收实际测量信号(7)并且输出控制信号(13)至致动器(16，17，18)，
其特征在于
——信号修改计算机(80)被连接以接收一个或多个所述实际测量信号(7)，
——所述信号修改计算机(80)将所述实际测量信号(7)修改为经修改的测量信号(70)，所述经修改的测量信号(70)依赖于所述实际测量信号的实际值；
——所述信号修改计算机(80)发送所述经修改的测量信号(70)至所述控制系统(2)，所述一个或多个经修改的测量信号(70)的输入替代部分或者全部所述实际测量信号(8)的输入；
——所述控制系统(2)对所述一个或多个经修改的测量信号(70)和剩余的未受影响的实际测量信号(7)进行作动；
——从而使所述控制系统(2)实现对由所述经修改的测量信号(70)表示的错误进行测试的功能，所述经修改的测量信号(70)被设想为出现在一个或多个传感器(8)中。
2、根据权利要求1所述的测试系统，所述海事控制系统(2)通过命令信号线路(11)从命令输入设备(10)接收输入的命令信号(9)。
3、根据权利要求1所述的测试系统，所述传感器(8)使用传感器信号线路(12)来连接到所述控制系统。
4、根据权利要求3所述的测试系统，所述传感器信号线路(12)包括模拟线路、串行线路、或者数字以太网线路、现场总线或者控制器局域网络总线(CAN-bus)、或者局域无线电通信系统。
5、根据权利要求1所述的测试系统，输出控制信号(13)至诸如螺旋桨(16)、推进器(17)和船舵(18)之类的所述致动器(16，17，18)。
6、根据权利要求1所述的测试系统，所述信号修改计算机(80)在相对较短时间内将所述实际测量信号(7)修改为经修改的测量信号(70)，从而与所述控制系统(2)应该接收所述实际测量信号(7)的对应接收时间相比，所述控制系统(2)不会经历所述经修改的测量信号(70)的明显延迟。
7、根据权利要求1所述的测试系统，所述控制系统(2)包括电力管理系统，所述电力管理系统包括：电力传感器(8p)，用于检测诸如发电机输出电压(7pV)之类的电力信号；发电机输出电流(7pA)；发电机功率(7pP)；总发电机功率的一部分(7pTf)；发电机状态(7pS)等等。
8、根据权利要求1所述的测试系统，所述海事控制系统(2)通过命令信号线路(11)从命令输入设备(10)接收输入的命令信号(9)。
9、一种测试海事船舶(0)控制系统(2)的方法，所述系统(2)从传感器(8)接收实际测量信号(7)，并且提供控制信号(13)给致动器(16，17，18)，
其特征在于
——连接信号修改计算机(80)并且接收一个或多个所述实际测量信号(7)，
——所述信号修改计算机(80)将所述实际测量信号(7)修改为经修改的测量信号(70)，所述经修改的测量信号(70)依赖于所述实际测量信号(7)的实际值；
——所述信号修改计算机(80)发送所述经修改的测量信号(70)至所述控制系统(2)，所述一个或多个经修改的测量信号(70)的输入替代部分或者全部所述实际测量信号(8)的输入；
——所述控制系统(2)对所述一个或多个经修改的测量信号(70)和剩余的未受影响的实际测量信号(7)进行作动；
从而测试所述控制系统(2)是否按照所需方式对由所述经修改的测量信号(70)表示的错误进行作动，所述经修改的测量信号(70)被设想为出现在一个或多个传感器(8)中。
10、根据权利要求8所述的方法，所述控制系统发送控制信号(13)至诸如螺旋桨(16)、推进器(17)和船舵(18)之类的所述致动器(16，17，18)。
11、根据权利要求9所述的方法，所述信号修改计算机(80)在相对较短时间内将所述实际测量信号(7)修改为经修改的测量信号(70)，从而与所述控制系统(2)应该接收所述实际测量信号(7)的对应接收时间相比，所述控制系统(2)不会经历所述经修改的测量信号(70)的明显延迟。
12、根据权利要求9所述的方法，所述信号修改计算机(80)将一个或多个所述实际测量信号(7)修改为一个或多个经修改的测量信号(70)，所述经修改的测量信号(70)依赖于所述一个或多个实际测量信号(7)的实际值，所述经修改的测量信号(70)为所述一个或多个所述测量信号(7)的实际值的函数，所述函数包括添加恒定或者变化值至所述实际测量信号(7)，将所述实际测量信号(7)与恒定或者变化值相乘，或者使用依赖于所述实际测量信号的线性函数以修改所述实际测量信号(7)。
13、根据权利要求9所述的方法，使用一个或多个传感器信号线路(12)将一个或多个所述传感器(8)连接到所述控制系统，并且通过所述传感器信号线路(12)来连接所述传感器模拟器(80)，以接收所述一个或多个实际传感器信号(8)，并且将所述传感器模拟器(80)中的所述一个或多个实际传感器信号修改为所述一个或多个经修改的传感器信号(70)，并且沿着所述传感器信号线路(12)将所述一个或多个经修改的传感器信号(70)从所述传感器模拟器(80)发送到所述控制系统(2)。
14、根据权利要求9所述的方法，使用诸如RS232、RS422之类的一个或多个串行线路作为所述传感器信号线路(12)。
15、根据权利要求9所述的方法，使用一个或多个计算机网络总线线路，例如使用UDP协议的冗余或者非冗余的以太网、现场总线或者控制器局域网络总线(CAN-bus)、或者无线电信号传输系统。
16、根据权利要求9所述的方法，使用一个或多个以太网通信线路、现场总线或者控制器局域网络总线(CAN-bus)、或者局域无线电通信系统。
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