CN105005232A - 可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，由三套传感器系统、三台数据采集器、三台控制计算机和两台同步表决器组成，所述传感器系统将传感器数据发送给对应的数据采集器，所述数据采集器将传感器数据打包后发送给对应的控制计算机，所述控制计算机与所述同步表决器相连，实现传感器数据、控制率解算数据和指令消息的传递，所述两个同步表决器通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监测。本发明的控制计算机协同同步表决器完成数据同步、传感器数据和控制率解算数据的表决、故障检测和系统重组等功能。

Description

可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及了一种可降级的三冗余船舶动力定位控制系统。

背景技术

动力定位系统(Dynamic Positioning System)是一种借助传感器和自身动力使船尽可能的保持在目标位置上或保持航向的闭环控制系统。其主要由计算机系统、传感器系统、显示系统、位置参考系统和推进器系统等组成。由于海洋环境复杂多变，动力定位系统的工作环境十分恶劣，这对船舶动力定位系统的稳定性、可靠性和安全性提出了严峻的考验。而目前的船舶动力定位系统仅有一个同步表决系统，一旦同步表决系统出现故障会造成整个控制系统故障的缺陷。

发明内容

本申请的发明目的在于解决目前的三冗余船舶计算机控制系统存在的上述技术问题，而提供一种稳定可靠且安全性高的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，大大提高了动力定位系统实时任务的容错能力。

为了完成本申请的发明目的，本申请采样以下技术方案：

本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，由三套传感器系统、三台数据采集器、三台控制计算机和两台同步表决器组成，所述传感器系统将传感器数据发送给对应的数据采集器，所述数据采集器将传感器数据打包后发送给对应的控制计算机，所述控制计算机与所述同步表决器相连，实现传感器数据、控制率解算数据和指令消息的传递，所述两个同步表决器通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监测；

所述三套传感器系统与三台数据采集器一一对应相连，所述传感器系统通过 串口通信将传感器数据发送给对应的数据采集器，所述三台数据采集器与三台控制计算机一一对应相连，所述数据采集器将接收到的传感器数据打包后通过以太网方式发送给对应的控制计算机；

每个所述控制计算机都通过通信串口和监测串口分别与两个同步表决器互联，所述控制计算机与同步表决器通过通信串口完成传感器数据、控制率解算数据及指令信息的交互，所述控制计算机与同步表决器通过监测串口完成心跳检测消息的交互。

本发明的两个所述同步表决器中的一个为在线状态，另外一个为离线状态，在线状态的同步表决器和离线状态的同步表决器通过串口互联实现状态信息的交换及相互监测，当在线状态的同步表决器故障时，其降级为离线状态，所述离线状态的同步表决器升级为在线状态使系统继续工作。

本发明所述同步表决器通过通信串口的数据超时、数据丢失、数据错误以及数据表决结果实时检测三台控制计算机的故障，所述同步表决器通过监测串口的计算机自检信息定位控制计算机内部故障并结合通信数据定位故障源。

本发明所述同步表决器通过数据缓存器将数据发往所述通信串口和监测串口，所述数据缓存器对故障的控制计算机进行软隔离。

本发明所述同步表决器采用基于历史记录的带权重值的表决算法，该算法包含建立历史记录和数据表决两个过程。

本发明还提供一种可降级的三冗余同步表决计算机控制方法，使用上述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：所述三台控制计算机中的一台为主控制计算机，其余为从控制计算机，控制计算机的主从关系由同步表决器决定，计算机控制系统的三冗余切换由同步表决器控制，控制方法为：

(1)系统上电后由在线状态的同步表决器发送包含有主从关系的握手消息给控制计算机，若握手成功，则三台控制计算机根据该握手消息确认主从状态，并向所述同步表决器发送握手响应消息，否则在线状态的同步表决器报警，重新上电并按照上述方法重新确定控制计算机的主从关系；

(2)系统的每个数据表决周期由主控制计算机发起，在线状态的同步表决器收到同步消息后同时向三台控制计算机发送同步回馈消息；

(3)三台控制计算机在收到该同步回馈消息后同时向同步表决器发送传感 器数据，在线状态的同步表决器收到三路传感器数据进行表决后同时向三台控制计算机发送传感器表决结果；

(4)三台控制计算机同时收到该结果，并通过控制率解算进程进行数据解算，并将解算结果发送给在线状态的同步表决器；

(5)在线状态的同步表决器收到三台控制计算机解算结果进行表决，将表决结果回送给三台控制计算机，由主控制计算机进行表决结果的输出控制动力定位系统；

(6)在线状态的同步表决器对所述计算机控制系统协调进行三机冗余、双机冗余和单机工作模式切换：系统初始状态为三机冗余模式，当所述同步表决器检测到其中一个或两个从控制计算机故障时，所述同步表决器通过所述数据缓存器将所述故障的从控制计算机软隔离，使系统工作切换为双机冗余模式或单机工作模式；

(7)若所述同步表决器检测到主控制计算机故障时，则将该主控制计算机软隔离，重新发送一次握手消息，按照所述步骤(1)的方法重新确定主控制计算机，然后按照所述步骤(2)-(5)控制动力定位系统。

本发明所述计算机控制系统由同步表决器切换到三机冗余的系统重组方法为：

(1)当系统工作在单机模式时，若在线状态的同步表决器检测到某故障的从控制计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复正常的从控制计算机加入到控制计算机系统中，使控制计算机系统升级为双机冗余模式；

(2)当系统工作在双机冗余模式时，若在线状态的同步表决器检测到故障的从控制计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复的从控制计算机加入到控制计算机系统中，使控制计算机系统升级为三机冗余模式。

本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法与现有技术相比区别在于：本发明提供一种应用于船舶动力定位中的三冗余同步表决计算机控制系统，它克服了由一个同步表决单元出现故障造成整个控制系统故障的缺陷，该系统由三台结构相同的控制计算机、两个结构相同的同步表决器、三套传感器系统和三个数据采集器组成，三套传感器系统分别通过数据采集器与三台控制计算机相连，传感器数据通过串口通信方式发送到数据采集器后由数据采集器按设定 格式打包并通过以太网发送给控制计算机，每台控制计算机均通过串口通信和监测串口分别与两个同步表决器相连以实现传感器数据、控制率解算数据和各种指令消息的传递，两同步表决器通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监测，控制计算机协同同步表决器完成数据同步、传感器数据和控制率解算数据的表决、故障检测和系统重组等功能。

三冗余计算机系统是以资源冗余为前提，根据不同的表决策略对系统中三台控制计算机的数据进行表决，并以该结果作为系统的输出，当系统中某控制计算机发生故障时，系统可进行降级运行，即在双机或单机模式下运行，当故障控制计算机修复后仍可加入表决系统进行系统重组，该控制计算机系统提高了动力定位系统对实时任务的容错能力。

附图说明

图1是本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法包含三台结构相同的控制计算机3、两个结构相同的同步表决器4、三套传感器系统1和三个数据采集器2，三套传感器系统1分别通过数据采集器2与三台控制计算机3相连，为控制计算机3提供传感器数据，每台控制计算机3均通过通信串口5、监测串口6分别与两个同步表决器4相连以完成数据信息和监测信息的传递，两同步表决器4通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监测，控制计算机3协同同步表决器4完成数据同步、传感器数据和控制率解算数据的表决、故障检测和系统重组等功能。

具体地，传感器系统1通过串口通信将各传感器信息发送给数据采集器2，完成传感器信息的采集，数据采集器2将接收到的各种传感器数据打包后，通过以太网方式将传感器数据发送给三台控制计算机3。系统中每台控制计算机3都包含控制率解算进程、传感器数据采集进程、同步表决进程、心跳进程和自检测进程，传感器数据采集进程将采集器中的数据进行打包处理并发送给同步表决器 4，控制率解算进程根据传感器信息进行控制率的计算，同步表决进程协同同步表决器4完成数据的同步表决，心跳进程将自检测进程的检测结果实时发送给同步表决器4，作为故障检测的依据。

如图1所示，同步表决器4包括通信串口5、管理串口、监测串口6、隔离电路及主控单元，选择FPGA作为主控芯片，在FPGA内部实现同步表决器4的初始配置、表决算法、故障检测、故障隔离、系统重组等功能，参见图1，两个同步表决器4中的一个为在线状态则另一个为离线状态，同步表决器4初始的在、离线状态由配置开关决定，在线状态的同步表决器能够与控制计算机进行数据传输，离线状态的同步表决器禁止与控制计算机进行数据传输，在线状态的同步表决器和离线状态的表决器通过串口互联实现状态信息的交换及相互监测，当在线状态的同步表决器故障时，其降级为离线状态，离线状态的同步表决器升级为在线状态使系统继续工作，状态切换只执行一次。在线状态的同步表决器4通过FIFO(即数据缓存器)将队列数据发往通信串口、管理串口或监测串口，并以是否读取或写入FIFO队列数据决定是否对控制计算机进行软隔离。

两同步表决器4在线状态和离线状态切换流程见如下：

两同步表决器4上电后，由初始配置决定同步表决器4的在线状态或离线状态，在线状态的同步表决器使能向控制计算机输出，离线状态的同步表决器禁止向控制计算机输出，离线状态的同步表决器与在线状态的同步表决器同时都进行同步表决、故障检测等。

离线状态的同步表决器定时向在线状态的同步表决器发送状态信息，在线状态的同步表决器结合心跳信息和该状态信息定位是自身故障还是计算机故障。

在线状态的同步表决器定时向离线状态的同步表决器发送状态信息，若在线状态的同步表决器发生故障则不能正常向离线状态的同步表决器发送状态信息，离线状态的同步表决器检测到状态信息故障时，自动升级为在线状态的同步表决器使能输出，并将原在线状态的同步表决器进行隔离，实现表决器的切换。这样便可以提高系统的整体稳定性，提高动力定位系统实时任务的容错能力。

如图1所示，上述可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法的数据同步的详细实现过程见如下描述：

三台控制计算机3和两同步表决器4依次上电，其中在线状态的同步表决 器向三台控制计算机同时发送包含有主从关系的握手消息，若握手成功，则三台控制计算机根据该握手消息确认自身的主从状态，并向表决器发送握手响应消息，否则表决器报警需重新上电，按照上述步骤重新确定主从关系。

控制计算机3在每个控制周期内向同步表决器发送一次同步消息，同步表决器4接收到该消息后同时向三台控制计算机3发送同步回馈消息，若该同步消息接收超时，则同步表决器4对其进行超时处理。三台控制计算机3同时接收到同步回馈消息后，从传感器系统1采集进程读取传感器数据并发送给同步表决器4进行表决，此时实现了传感器数据的同步。

同步表决器4接收到传感器数据后进行表决，并同时将表决结果发送给三台控制计算机，若某传感器数据接收超时，则同步表决器对其进行超时处理。

三台控制计算机3同时接收到传感器的表决结果，通过控制率解算进程进行控制率的解算，并将解算结果发送给同步表决器4。同步表决器4接收到控制率解算结果后进行表决，并同时将表决结果发送给三台控制计算机3，由主控制计算机完成表决结果的输出，控制动力定位系统，若某控制率解算结果接收超时，则表决器对其进行超时处理。

该系统的表决算法包含历史记录的建立和数据表决两个部分，详细的实现过程见如下描述：

历史记录的建立过程如下：

建立一个有n个元素的集合{x₁，x₂，x₃，…，x_n}，其中x_i代表第i路控制计算机的输出。当某控制计算机的输出满足阈值条件，则其对应的x_i值置1，表示该控制计算机的输出有效或正确；否则置0，表示该控制计算机的输出无效或错误。

在每个表决周期中对该值进行累积，求得的值，该值表示i路控制计算机在m次表决中通过表决的次数。该值越大代表该模块历史表决中输出数据的可靠性和可信度越高，否则说明其可靠性越低，从而对历史记录进行标准化处理。

数据表决过程如下：

在每个表决周期中首先根据历史记录计算的值，然后计算 的值，其中表示每台控制计算机的输出所占的权重值，最后得到表决结果 $x_o=\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{x}_i.$

若某控制计算机数据失效，则将上个表决周期的结果作为该控制计算机的数据加入数据表决中。

若某控制计算机数据连续失效三次，则该控制计算机被隔离掉，其数据置非法值，系统降级进入双机冗余工作模式。

若某控制计算机数据不满足阈值条件，则将上个表决周期中该控制计算机的数据作为本次该控制计算机的数据加入数据表决中。

若三台控制计算机均不满足阈值条件，则将历史记录最高的控制计算机的输出作为同步表决器结果，并同时进行系统报警。

系统工作在双机冗余模式时，若两控制计算机满足阈值条件，则取两控制计算机数据的平均值作为同步表决器的结果，否则取三机中历史记录高的输出作为同步表决器结果。

若某故障控制计算机连续三次数据有效且满足阈值条件，则将其加入冗余表决，系统升级为三机冗余模式。系统进行升级重组时，历史记录清零，重新进行记录。

如图1所示，本实施例还提供一种可降级的三冗余同步表决计算机控制方法，使用上述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，三台控制计算机中的一台为主控制计算机，其余为从控制计算机，为了便于叙述将三个结构相同的控制计算机分别标记为控制计算机3A、控制计算机3B、控制计算机3C，控制计算机的主从关系由同步表决器决定，计算机控制系统的三冗余切换由同步表决器控制，控制方法为：

(1)系统上电后由在线状态的同步表决器发送包含有主从关系的握手消息给控制计算机，若握手成功，则三台控制计算机根据该握手消息确认主从状态，并向同步表决器发送握手响应消息，否则在线状态的同步表决器报警，重新上电并按照上述方法重新确定控制计算机的主从关系；

系统上电握手成功后，根据同步表决器4上拨码开关的初始配置确定系统中 控制计算机3A为主控制计算机。

(2)系统的每个数据表决周期由主控制计算机发起，在线状态的同步表决器收到同步消息后同时向三台控制计算机发送同步回馈消息；

(3)三台控制计算机在收到该同步回馈消息后同时向同步表决器发送传感器数据，在线状态的同步表决器收到三路传感器数据进行表决后同时向三台控制计算机发送传感器表决结果；

(4)三台控制计算机同时收到该结果，并通过控制率解算进程进行数据解算，并将解算结果发送给在线状态的同步表决器；

(5)在线状态的同步表决器收到三台控制计算机解算结果进行表决，将表决结果回送给三台控制计算机，由主控制计算机进行表决结果的输出控制动力定位系统；

(6)在线状态的同步表决器对计算机控制系统协调进行三机冗余、双机冗余和单机工作模式切换：系统初始状态为三机冗余模式，当同步表决器检测到其中一个或两个从控制计算机故障时，同步表决器通过数据缓存器将故障的从控制计算机软隔离，使系统工作切换为双机冗余模式或单机工作模式；具体地，三台控制计算机3以相同的频率向同步表决器4发送心跳消息，协助在线状态的同步表决器进行故障检测，离线状态的同步表决器定时向在线状态的同步表决器发送状态信息，协助在线状态的同步表决器确认是自身故障还是计算机故障，若同步表决器4检测到从控制计算机数据超时或数据连续三次错误，则将该从控制计算机数据置为非法值，将其软隔离，使其永不参与表决，系统降级为双机冗余模式或单机工作模式。

(7)若同步表决器检测到主控制计算机故障时，则将该主控制计算机软隔离，重新发送一次握手消息，按照步骤(1)的方法重新确定主控制计算机，然后按照步骤(2)-(5)控制动力定位系统。具体地，若同步表决器4检测到主控制计算机3A同步消息发送超时或数据连续三次错误，则认为主控制计算机3A故障，重新向三台控制计算机3发送握手消息，根据同步表决器4上主控制计算机优先级配置将次优先级计算机置为主控制计算机，实现主控权切换。

本实施例的计算机控制系统由同步表决器切换到三机冗余的系统重组方法为：

(1)当系统工作在单机模式时，若在线状态的同步表决器检测到某故障的从控制计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复正常的从控制计算机加入到控制计算机系统中，使控制计算机系统升级为双机冗余模式；

(2)当系统工作在双机冗余模式时，若在线状态的同步表决器检测到故障的从控制计算机恢复正常，即同步表决器4检测到故障的从控制计算机数据连续三次正确，则取消非法值操作，使其参与表，即通过与其相连的数据缓存器将该恢复的从控制计算机加入到控制计算机系统中，使控制计算机系统升级为三机冗余模式。

当系统工作在双机冗余模式时，若发生主控制计算机故障或从控制计算机故障，运行规律仍如上描述。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：由三套传感器系统、三台数据采集器、三台控制计算机和两台同步表决器组成，所述传感器系统将传感器数据发送给对应的数据采集器，所述数据采集器将传感器数据打包后发送给对应的控制计算机，所述控制计算机与所述同步表决器相连，实现传感器数据、控制率解算数据和指令消息的传递，所述两个同步表决器通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监测；

所述三套传感器系统与三台数据采集器一一对应相连，所述传感器系统通过串口通信将传感器数据发送给对应的数据采集器，所述三台数据采集器与三台控制计算机一一对应相连，所述数据采集器将接收到的传感器数据打包后通过以太网方式发送给对应的控制计算机；

每个所述控制计算机都通过通信串口和监测串口分别与两个同步表决器互联，所述控制计算机与同步表决器通过通信串口完成传感器数据、控制率解算数据及指令信息的交互，所述控制计算机与同步表决器通过监测串口完成心跳检测消息的交互，所述同步表决器选择FPGA芯片作为主控芯片。

2.根据权利要求1所述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：两个所述同步表决器中的一个为在线状态，另外一个为离线状态，在线状态的同步表决器和离线状态的同步表决器通过串口互联实现状态信息的交换及相互监测，当在线状态的同步表决器故障时，其降级为离线状态，所述离线状态的同步表决器升级为在线状态使系统继续工作。

3.根据权利要求2所述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：所述同步表决器通过通信串口的数据超时、数据丢失、数据错误以及数据表决结果实时检测三台控制计算机的故障，所述同步表决器通过监测串口的计算机自检信息定位控制计算机内部故障并结合通信数据定位故障源。

4.根据权利要求3所述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：所述同步表决器通过数据缓存器将数据发往所述通信串口和监测串口，所述数据缓存器可对故障的控制计算机进行软隔离。

5.根据权利要求4所述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：所述同步表决器采用基于历史记录的带权重值的表决算法，该算法包含建立历史记录和数据表决两个过程。

6.一种可降级的三冗余同步表决计算机控制方法，使用如权利要求5所述的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法，其特征在于：所述三台控制计算机中的一台为主控制计算机，其余为从控制计算机，控制计算机的主从关系由同步表决器决定，计算机控制系统的三冗余切换由同步表决器控制，控制方法为：

(1)系统上电后由在线状态的同步表决器发送包含有主从关系的握手消息给控制计算机，若握手成功，则三台控制计算机根据该握手消息确认主从状态，并向所述同步表决器发送握手响应消息，否则在线状态的同步表决器报警，重新上电并按照上述方法重新确定控制计算机的主从关系；

(2)系统的每个数据表决周期由主控制计算机发起，在线状态的同步表决器收到同步消息后同时向三台控制计算机发送同步回馈消息；

(3)三台控制计算机在收到该同步回馈消息后同时向同步表决器发送传感器数据，在线状态的同步表决器收到三路传感器数据进行表决后同时向三台控制计算机发送传感器表决结果；

(4)三台控制计算机同时收到该结果，并通过控制率解算进程进行数据解算，并将解算结果发送给在线状态的同步表决器；

(5)在线状态的同步表决器收到三台控制计算机解算结果进行表决，将表决结果回送给三台控制计算机，由主控制计算机进行表决结果的输出控制动力定位系统；

(6)在线状态的同步表决器对所述计算机控制系统协调进行三机冗余、双机冗余和单机工作模式切换：系统初始状态为三机冗余模式，当所述同步表决器检测到其中一个或两个从控制计算机故障时，所述同步表决器通过所述数据缓存器将所述故障的从控制计算机软隔离，使系统工作切换为双机冗余模式或单机工作模式；

(7)若所述同步表决器检测到主控制计算机故障时，则将该主控制计算机软隔离，重新发送一次握手消息，按照所述步骤(1)的方法重新确定主控制计算机，然后按照所述步骤(2)-(5)控制动力定位系统。

7.根据权利要求6所述的可降级的三冗余同步表决计算机控制方法，其特征在于：所述计算机控制系统由同步表决器切换到三机冗余的系统重组方法为：

(1)当系统工作在单机模式时，若在线状态的同步表决器检测到某故障的从控制计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复正常的从控制计算机加入到控制计算机系统中，使控制计算机系统升级为双机冗余模式；

(2)当系统工作在双机冗余模式时，若在线状态的同步表决器检测到故障的从控制计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复的从控制计算机加入到控制计算机系统中，使控制计算机系统升级为三机冗余模式。