CN110347033A - 一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法，步骤为：S1确定三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据：首先计算三台控制器当前表决周期输出与上一表决周期输出的一致程度，即历史一致程度，若为第一时刻则不进行计算；然后计算各控制器输出数据的一致程度，称之为阈值一致程度；最后结合阈值一致程度值与历史一致程度值，确定三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据；S2由前几个表决周期计算得到的各控制器历史信息可信度，根据历史信息可信度计算获得各表决数据的分配权值；S3由S1和S2获得的数据，计算获得表决输出。本算法解决了两台控制器同时出现同类型的故障导致认为故障数据满足一致性，进而将正确数据剔除的问题。

Description

一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法

技术领域

本发明属于动力定位系统研究领域，涉及三冗余动力定位系统表决算法，具体涉及一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，以及人类对能源和生活资源需求的日益增长，人们愈发重视对深海的探索和开发。但传统的锚泊定位系统无法适应深海水域的作业需求，这使得动力定位系统应运而生。

动力定位系统作为深海作业必备的保障设备之一，它能借助船舶自身配备的推进器抵御海上环境的干扰，安全有效地帮助船舶完成位置移动、位置艏向保持和目标跟踪等任务。

为了更好地面对恶劣复杂的海洋环境，以保证海上作业人员与设备的安全，必须尽可能地提高动力定位系统的可靠性。目前动力定位系统主要依靠冗余技术来提高稳定性与可靠性，其原理就是当系统出现故障时，利用冗余部件来接替故障部件，进而保证系统的正常工作。

三冗余动力定位系统(DP3)是目前动力定位领域的最高冗余等级，系统中设计有三台互为热备份的控制计算机，他们独立执行相同的控制程序，且每台控制计算机都会产生一个控制输出，而执行机构只会接受一个控制指令，因此如何将三个控制输出合而为一则显得尤为重要。

表决算法则是将三台控制计算机的输出按照一定的表决策略和逻辑，最终产生一个正确的输出作为最终的控制指令。因此，表决算法性能的优劣对动力定位的控制性能的好坏起着决定性的作用，一个高效、完善的表决算法能够大大提高动力定位系统容错能力。

公开号为CN105334747A，名称为“一种船舶动力定位三冗余计算机数据表决同步方法”的专利中，在数据满足多数一致的情况下运用历史数据来计算权值进行表决，但其一致程度计算只包含本专利中所提到的阈值一致程度，并没有历史一致程度的计算，因而无法解决两台控制计算机同时故障，其数据满足一致性，进而将正常控制计算机剔除的情况。

公开号为CN102944216A，名称为“基于改进表决算法的三冗余船舶动力定位艏向测量方法”的专利中，采用的改进表决算法只是对表决数据进行加权处理后再进行阈值比较，同样也无法解决两台控制计算机同时故障导致将正常控制计算机剔除的问题。

经现有技术检索，未检索到与本专利相近技术方案。

发明内容

本发明为解决两台控制器同时出现同类型的故障导致认为故障数据满足一致性，进而将正确数据剔除的问题，发明了一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法，其特征在于，包括如下步骤：

S1确定三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据，具体为：首先计算三台控制器当前表决周期输出与上一表决周期输出的一致程度，称之为历史一致程度，若为第一时刻则不进行计算；然后统计三台控制器的历史一致程度值，获得阈值一致程度值计算数据，计算各控制器输出数据的一致程度，称之为阈值一致程度；最后结合阈值一致程度值与历史一致程度值，确定三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据；

S2由前几个表决周期计算得到的各控制器历史信息可信度，根据历史信息可信度计算获得各表决数据的分配权值；

S3由三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据及各表决数据的分配权值，计算获得表决输出。

而且的，S1中用Xv＝[xvote₁,xvote₂,...,xvote_n],其中1≤n≤3代表3台控制在本次表决周期参与数据表决的输出数据，输出数据的计算方法为：

a)用x₁,x₂,x₃代表3台控制计算机在本次表决周期的某一类数据(可以为船舶经纬度数据、艏向数据、纵横摇数据、运动速度数据、推进器转速、方位角指令数据等)的输出，xold₁,xold₂,xold₃代表3台控制器在上一表决周期的该类数据输出。任意一台控制器的历史一致程度值SH_i：

其中i＝1,2,3，代表3台控制器；TH为阈值，其取值与输出数据的类型相关；‘&’符号代表‘条件与’；‘|’符号代表‘条件或’；

b)获得阈值一致程度值计算数据：统计SH_i值，若SH_i＝1，则第i台控制器的本次表决周期的输出作为阈值一致程度值计算数据，即xc_i＝x_i，同时将故障计数标志位count_f_i清零；若SH_i＝0，计算count_f_i＝count_f_i+1，若count_f_i≤3，则取第i台控制器的上一周期的输出数据作为阈值一致程度值计算数据，即xc_i＝xold_i；若count_f_i＞3，则xc_i＝x_i，且记表决使能标志位Vote_enable_i为0。最终得到参与阈值一致程度值计算数据Xc＝[xc₁,xc₂,xc₃]。这里将SH_i＝0，且Vote_enable_i＝0的数据也纳入阈值一致程度计算的原因是，考虑到故障数据恢复后导致突变进而引起历史一致程度不一致的情况；

c)计算各数据的阈值一致程度值ST_i：

其中，i,j＝1,2,3且i≠j，TT为阈值，其取值与输出数据的类型有关；

d)确定各控制器参与本次的表决的数据：统计ST_ij值，当Vote_enable_i＝1，若至少有一个ST_ij为1，j＝1,2,3且i≠j，则记xvote_i＝xc_i，且将count_f_i清零。若ST_ij均为零，则计算count_f_i＝count_f_i+1，若count_f_i≤3，xvote_i＝xold_i；若count_f_i＞3，则记Vote_enable_i＝0；当Vote_enable_i＝0，若至少有一个ST_ij为1，i,j＝1,2,3且i≠j，则记故障恢复标志位count_r_i＝count_r_i+1，若count_r_i＞3，则将Vote_enable_i置1，且xvote_i＝xc_i；若ST_ij均为零，则count_r_i清零。最后得到参与表决的数据Xv＝[xvote₁,xvote₂,…,xvote_n]，1≤n≤3。

而且的，S2中各控制器历史信息可信度用为P_i，各表决数据的分配权值为w_i，P_i与w_i的

计算方法为：

a)计算各控制器的数据有效记录S_i：

式中符号代表“存在”，符号代表“所有”；

b)计算各控制器历史记录H_i：在第n个表决周期，在n个表决周期中若出现Vote_enable_i＝0的情况，则需要将H_i清零，并当Vote_enable_i＝1后重新进行计算；

c)计算各控制器历史可信度P_i：在第n个表决周期，该值代表在以往n次的表决历史中第i台控制器的数据可信度，该值越高，代表可信度越大；

d)计算获得各表决数据的分配权值w_i:

而且的，S3中表决输出为x_o

其中Xv(i)代表向量X中的第i个元素，X(1)即xvote₁。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明针对两台控制计算机同时故障，其数据满足一致性，进而将正常控制计算机剔除的缺陷，引入了历史一致程度，先计算每台控制计算机的历史一致程度值，来判定该数据是否正常，进而再进行之后的表决，改进的表决算法能够对出现两台控制计算机故障的情况进行正确的表决输出。

2、本发明针对常见的数据故障，例如数据冻结、数据丢失、数据突变等都能进行有效地屏蔽，输出正确的表决结果。

3、历史信息能够在很大程度上反映出各控制计算机的状态，并能根据历史信息动态的分配表决权值，提高了表决精度。

4、本发明算法可调参数少，调试方便。

5、本发明算法流程清晰，不涉及特别复杂的运算，适于工程应用。

附图说明

图1为三冗余系统表决结构框图。

图2为改进历史信息的表决算法流程图。

图3为历史可信度计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

结合图1可以了解到三冗余动力定位系统的表决结构，三台控制计算机在运算完成后分别产生一个控制输出，这三个控制输出作为输入参数传给表决算法，最后产生一个表决输出。

结合图2为改进历史信息的表决算法流程图，以推进器转速指令作为输出数据为例，但不限于该类输出数据，主要步骤如下：

1、设x₁,x₂,x₃为3台控制计算机在本次表决周期输出的推进器转速指令，xold₁,xold₂,xold₃代表3台控制计算机在上一表决周期的推进器转速指令。分别计算每台控制器输出的历史一致程度值SH_i：

其中i＝1,2,3，代表3台控制器；TH为阈值，针对推进器转速指令，其取值为15；‘&’

符号代表‘条件与’；‘|’符号代表‘条件或’。

2、统计SH_i值，若SH_i＝1，则第i台控制器的本次表决周期的输出作为阈值一致程度值计算数据，即xc_i＝x_i，同时将故障计数标志位count_f_i清零；若SH_i＝0，计算count_f_i＝count_f_i+1，若count_f_i≤3，则取第i台控制器的上一周期的输出数据作为阈值一致程度值计算数据，即xc_i＝xold_i；若count_f_i＞3，则xc_i＝x_i，且记表决使能标志位Vote_enable_i为0。最终得到参与阈值一致程度值计算数据Xc＝[xc₁,xc₂,xc₃]。

3、计算各数据的阈值一致程度值ST_i：

其中，i,j＝1,2,3且i≠j，TT为阈值，针对推进器转速指令，其取值为5。

4、统计ST_ij值，当Vote_enabl_ie＝1，若至少有一个ST_ij为1，j＝1,2,3且i≠j，则记xvote_i＝xc_i，且将count__if清零。若ST_ij均为零，则计算count_f_i＝count_f_i+1，若count_f_i≤3，xvote_i＝xold_i；若count_f_i＞3，则记Vote_enable_i＝0；当Vote_enable_i＝0，若至少有一个ST_ij为1，i,j＝1,2,3且i≠j，则记故障恢复标志位count_r_i＝count_r_i+1，若count_r_i＞3，则将Vote_enable_i置1，且xvote_i＝xc_i；若ST_ij均为零，则count_r _i清零。最后得到参与表决的数据Xv＝[xvote₁,xvote₂,…,xvote_n]，1≤n≤3；

5、计算各控制器的数据有效记录S_i:

式中符号代表“存在”，符号代表“所有”；

6、计算各控制器历史记录H_i：假设本周期为第n个表决周期，

7、计算各控制器历史可信度P_i：假设本周期为第n个表决周期，

8、计算各表决数据的分配权值w_i：

9、计算本周期的表决输出x_o：

其中Xv(i)代表向量Xv中的第i个元素，Xv(1)即xvote₁

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法，其特征在于，包括如下步骤：

S1 确定三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据，具体为：首先计算三台控制器当前表决周期输出与上一表决周期输出的一致程度，称之为历史一致程度，若为第一时刻则不进行计算；然后统计三台控制器的历史一致程度值，获得阈值一致程度值计算数据，计算各控制器输出数据的一致程度，称之为阈值一致程度；最后结合阈值一致程度值与历史一致程度值，确定三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据；

S2 由前几个表决周期计算得到的各控制器历史信息可信度，根据历史信息可信度计算获得各表决数据的分配权值；

S3 由三台控制器在本次表决周期参与数据表决的输出数据及各表决数据的分配权值，计算获得表决输出。

2.根据权利要求1所述的基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法，其特征在于：S1中用Xv＝[xvote₁,xvote₂,...,xvote_n],其中1≤n≤3代表3台控制在本次表决周期参与数据表决的输出数据，输出数据的计算方法为：

a)用x₁,x₂,x₃代表3台控制计算机在本次表决周期的某一类数据的输出，xold₁,xold₂,xold₃代表3台控制器在上一表决周期的该类数据输出，任意一台控制器的历史一致程度值SH_i：

其中i＝1,2,3，代表3台控制器；TH为阈值，其取值与输出数据的类型相关；‘&’符号代表‘条件与’；‘|’符号代表‘条件或’；

b)获得阈值一致程度值计算数据：统计SH_i值，若SH_i＝1，则第i台控制器的本次表决周期的输出作为阈值一致程度值计算数据，即xc_i＝x_i，同时将故障计数标志位count_f_i清零；若SH_i＝0，计算count_f_i＝count_f_i+1，若count_f_i≤3，则取第i台控制器的上一周期的输出数据作为阈值一致程度值计算数据，即xc_i＝xold_i；若count_f_i＞3，则xc_i＝x_i，且记表决使能标志位Vote_enable_i为0；最终得到参与阈值一致程度值计算数据Xc＝[xc₁,xc₂,xc₃]。这里将SH_i＝0，且Vote_enable_i＝0的数据也纳入阈值一致程度计算的原因是，考虑到故障数据恢复后导致突变进而引起历史一致程度不一致的情况；

c)计算各数据的阈值一致程度值ST_i：

其中，i,j＝1,2,3且i≠j，TT为阈值，其取值与输出数据的类型有关；

d)确定各控制器参与本次的表决的数据：统计ST_ij值，当Vote_enable_i＝1，若至少有一个ST_ij为1，j＝1,2,3且i≠j，则记xvote_i＝xc_i，且将count_f_i清零。若ST_ij均为零，则计算count_f_i＝count_f_i+1，若count_f_i≤3，xvote_i＝xold_i；若count_f_i＞3，则记Vote_enable_i＝0；当Vote_enable_i＝0，若至少有一个ST_ij为1，i,j＝1,2,3且i≠j，则记故障恢复标志位count_r_i＝count_r_i+1，若count_r_i＞3，则将Vote_enable_i置1，且xvote_i＝xc_i；若ST_ij均为零，则count_r_i清零。最后得到参与表决的数据Xv＝[xvote₁,xvote₂,…,xvote_n]，1≤n≤3。

3.根据权利要求2所述的基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法，其特征在于：S2中各控制器历史信息可信度用为P_i，各表决数据的分配权值为w_i，P_i与w_i的计算方法为：

a)计算各控制器的数据有效记录S_i：

式中符号代表“存在”，符号代表“所有”；

b)计算各控制器历史记录H_i：在第n个表决周期，在n个表决周期中若出现Vote_enable_i＝0的情况，则需要将H_i清零，并当Vote_enable_i＝1后重新进行计算；

c)计算各控制器历史可信度P_i：在第n个表决周期，该值代表在以往n次的表决历史中第i台控制器的数据可信度，该值越高，代表可信度越大；

d)计算获得各表决数据的分配权值w_i:

4.根据权利要求3所述的基于改进历史信息的三冗余动力定位系统表决算法，其特征在于：S3中表决输出为x_o

其中Xv(i)代表向量X中的第i个元素，X(1)即xvote₁。