CN114217519A - 一种可自主重构的船用网络控制系统架构和自主重构方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可自主重构的船用网络控制系统架构，该架构分为应用层、控制层和现场层，应用层与控制层通过双冗余船域信息网连接；控制层与现场层通过双冗余现场控制网连接。所述架构的典型设备组成为：工作站、数据与决策中心、智能控制器、传感器、执行器、通用I/O单元、本地控制箱等。在单个功能域内，正常情况下，备用智能控制器不参与控制，仅通过现场控制网对由其监管的主用智能控制器进行后备监管，当判别某一主用智能控制器处于预警或故障状态时，按约定策略对其进行输出闭塞并快速接管其功能，实现单个功能域内控制系统自主重构。本发明兼顾分布式与独立式架构，同时具备硬件通用冗余、软件定义功能、控制系统自主重构等特点。
Description
技术领域
本发明属于船舶控制技术领域，特别涉及一种可自主重构的船用网络控制系统架构和自主重构方法。
背景技术
一般地，船舶控制系统从范围上讲，包含电力控制系统、推进控制系统、舵控制系统、消防控制系统、安保控制系统、任务控制系统、机舱监测系统等若干组成部分。目前，随着信息技术的发展，船舶的各控制系统已经从早期相互独立的模式，逐步在信息融合、互联互通方面实现了信息集成与数据综合利用，发展出了全船综合监测、智能集成平台、综合平台管理系统等信息应用系统，方便了船员的船舶操纵与运行维护，减轻了船员的工作负荷。
然而，由于各控制系统仍然是相对独立的单一系统，缺少相关联的功能控制系统之间的协调综合控制，同时只能在每一控制系统内开展冗余设计，这会导致全船控制系统结构复杂、资源占用较多等问题。尤其在面向智能船舶、无人船舶等人员编制较少的新技术场景时，传统的相对独立的全船控制系统已难以适应高可靠、一体化、易维护等高要求
经过对现有技术的检索，中国专利申请号CN202011312112.2，公开日2021.2.9，记载了一种水下无人航行器容错控制系统，提出了系统余度结构配置方案以及管理策略，但该专利侧重单个控制系统的双冗余控制器之间的余度管理。中国专利CN202010898637.2，公开日2021.1.29，记载了一种船舶网络控制系统，由主控制系统、子控制系统组成，可实现子控制系统异常时，摒弃异常网络实现重构，但主要涉及网络拓扑的重构。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是通过对船舶控制系统集成优化设计，提供一种可自主重构的船用网络控制系统架构，实现功能域内的控制系统功能自主重构，满足智能船舶、无人船舶对控制系统高可靠、强生命力、易维护的迫切需求。
本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：
一种可自主重构的船用网络控制系统架构，分为应用层、控制层和现场层，应用层与控制层通过双冗余船域信息网连接；控制层与现场层通过双冗余现场控制网连接，所述控制层、现场层按照全船控制系统功能类别或重要程度，同时考虑系统复杂程度，统筹划分多个不同的功能域。在每个功能域内，控制层与现场层共同实现相应功能的网络控制；不同的功能域通过船域信息管理实现数据交互，同时，确保不同的功能域间网络控制系统相对独立。
优选地，双冗余船域信息网采用快速交换式环形双冗余工业以太网形式；双冗余现场控制网采用双冗余CAN、Modbus-TCP、。
优选地，全船控制系统分为4大功能域：航行控制功能域、全船保障功能域、消防安保功能域、任务系统功能域。
所述网络控制系统架构的典型的设备组成为：(1)应用层设备包括工作站、数据与决策中心，用于实现船舶航行状态感知、船舶操纵控制、船载设备状态管控等人机交互、设备管理、数据集中存储与处理以及面向应用的集中决策解算；(2)控制层设备包括智能控制器，用于根据应用层下发的人机交互、集中决策等指令，对现场设备进行自动控制，同时兼具船域信息网与现场控制网间的网关功能；(3)现场层设备包括服务于电力、推进、舵、消防、信号设备、通信设备等船舶平台设备相关的传感器、执行器、通用I/O单元、本地控制箱等，实现对现场设备的不同类型信号的采集、本地处理和设备控制执行。
所述智能控制器的应用方式如下：结合全船功能域划分，针对每一功能域分别考虑相应的智能控制器的设置；在同一个功能域内，根据接入现场层设备规模及其在全船分布情况，按照区域化、分布式原则布置和设置智能控制器数量；除满足各功能域功能实现需求外，以1备1或者多备1的方式，额外设置一定数量(如10备1)的智能控制器作为备用；所有智能控制器在硬件上统一状态，采用通用化、互换性、标准化设计。
所述智能控制器，由双冗余主控单元、双冗余控制总线接口、双冗余船域信息网接口、两电源转换单元组成，两电源转换单元给双冗余主控单元供电；双冗余主控单元通过双冗余控制总线接口和双冗余现场控制实现数据交互；双冗余主控单元通过双冗余船域信息网接口实现与双冗余船域信息网的信息交互；各冗余部件之间可自动切换。所述主控单元，运行嵌入式操作系统环境，实现后备监管、核心运算、资源管理、数据通信4个功能模块，其中，后备监管模块，在用作备用智能控制器时，根据监管模型智能判别本功能域内控制网络上的其他智能控制器工作状态，并将分析结果发送给资源管理模块；资源管理模块，用于管理主控单元内部的计算、存储资源，以及诊断自身状态，且在用作备用智能控制器时，还可接受后备监管模块分析的监管对象工作状态，按需对其进行自动接管；核心运算模块，用于执行预设的核心控制算法，并生成相应的控制指令发送给现场层设备；数据通信模块实现与其它智能控制器之间，以及与现场层、应用层设备之间的可靠通信。
优选的，所述监管模型输入参数包括：各智能控制器的心跳信息、CPU负载率、主控单元温度、电源故障信息、通信接口故障信息等；监管模型输出参数为智能控制器健康度：良好、一般、预警、故障；监管模型算法为基于人工神经网络的智能分类算法。
所述自主重构的方式如下：在单个功能域内，事先由工作站向每一主用智能控制器分发控制算法以动态定义其功能，向备用智能控制器分发由其监管的其他主用智能控制器的控制算法。正常情况下，备用智能控制器不参与控制，仅通过现场控制网对由其监管的主用智能控制器进行后备监管，当判别某一主用智能控制器处于预警或故障状态时，按约定策略对其进行输出闭塞并快速接管其功能，并及时向应用层发出报警提示，实现单个功能域内控制系统自主重构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明兼顾分布式与独立式架构，同时具备硬件通用冗余、软件定义功能、控制系统自主重构等特点，可支撑实现智能船舶、无人船舶等对高可靠、强生命力、易维护、一体化的全船控制系统的迫切需求。
附图说明
图1本发明一实施例可自主重构的船用网络控制系统架构示意图；
图2本发明一实施例智能控制器示意图；
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行进一步阐述。
本实施例面向1艘典型的智能化少人编制的船舶，对船舶海上自持力、全船控制系统可靠性要求较高，采用一种可自主重构的船用网络控制系统架构，见图1，将全船控制系统分为应用层、控制层和现场层，应用层与控制层通过双冗余船域信息网连接；控制层与现场层通过双冗余现场控制网连接，所述控制层、现场层按照全船控制系统功能类别或重要程度，同时考虑系统复杂程度，统筹划分多个不同的功能域。在每个功能域内，控制层与现场层共同实现相应功能的网络控制；不同的功能域通过船域信息管理实现数据交互，同时，确保不同的功能域间网络控制系统相对独立。
双冗余船域信息网采用快速交换式环形双冗余工业以太网形式；双冗余现场控制网采用双冗余CAN。全船控制系统分为4大功能域：航行控制功能域、全船保障功能域、消防安保功能域、任务系统功能域。
所述网络控制系统架构的设备组成为：(1)应用层设备包括5台工作站、1套数据与决策中心，用于实现船舶航行状态感知、船舶操纵控制、船载设备状态管控等人机交互、设备管理、数据集中存储与处理以及面向应用的集中决策解算；(2)控制层设备包括共72台智能控制器，用于根据应用层下发的人机交互、集中决策等指令，对现场设备进行自动控制，同时兼具船域信息网与现场控制网间的网关功能；(3)现场层设备包括服务于电力、推进、舵、消防、信号设备、通信设备等船舶平台设备相关的传感器、执行器、通用I/O单元、本地控制箱等1套，实现对各类现场设备的不同类型信号的采集、本地处理，以及对船舶设备的控制执行。
所述智能控制器的应用方式如下：结合全船功能域划分，针对每一功能域分别考虑相应的智能控制器的设置；在同一个功能域内，根据接入现场层设备规模及其在全船分布情况，按照区域化、分布式原则布置和设置智能控制器数量；除满足各功能域功能实现需求外，以5备1的方式，额外设置智能控制器作为备用；所有智能控制器在硬件上统一状态，采用通用化、互换性、标准化设计。
所述智能控制器，见图2，由双冗余主控单元、双冗余控制总线接口、双冗余船域信息网接口、两电源转换单元组成，各冗余部件之间可自动切换。所述主控单元，运行嵌入式操作系统环境，实现后备监管、核心运算、资源管理、数据通信4个功能模块，其中，后备监管模块，在用作备用智能控制器时，根据监管模型智能判别本功能域内控制网络上的其他智能控制器工作状态，并将分析结果发送给资源调度模块；资源管理模块，用于管理主控单元内部的计算、存储资源，以及诊断自身状态，且在用作备用智能控制器时，还可接受后备监管模块分析的监管对象工作状态，按需对其进行自动接管；核心运算模块，用于执行预设的核心控制算法，并生成相应的控制指令；数据通信模块实现与其它智能控制器之间，以及与现场层、应用层设备之间的可靠通信。
所述监管模型输入参数包括：各智能控制器的心跳信息、CPU负载率、主控单元温度、电源故障信息、通信接口故障信息等；监管模型输出参数为智能控制器健康度：良好、一般、预警、故障；监管模型算法为基于人工神经网络的智能分类算法。
所述自主重构的方式如下：在单个功能域内，事先由工作站向每一主用智能控制器分发控制算法以动态定义其功能，向备用智能控制器分发由其监管的其他主用智能控制器的控制算法。正常情况下，备用智能控制器不参与控制，仅通过现场控制网对由其监管的主用智能控制器进行后备监管，当判别某一主用智能控制器预警或故障状态时，按约定策略对其进行输出闭塞并快速接管其功能，并及时向应用层发出报警提示，实现单个功能域内控制系统自主重构。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述船用网络控制系统架构包括应用层、控制层和现场层；所述应用层与控制层通过双冗余船域信息网连接；所述控制层与现场层通过双冗余现场控制网连接。
2.如权利要求1所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述控制层、现场层划分为不同的功能域，不同的功能域间网络控制系统相对独立；在每个功能域内，控制层与现场层共同实现相应功能的网络控制；不同的功能域通过双冗余船域信息网实现数据交互。
3.如权利要求2所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述应用层包括工作站、数据与决策中心。
4.如权利要求3所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述控制层设备包括智能控制器，智能控制器根据应用层下发的指令，对现场层的设备进行自动控制。
5.如权利要求4所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述智能控制器同时兼具双冗余船域信息网与双冗余现场控制网间的网关功能。
6.如权利要求4所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述现场层的设备包括与船舶平台设备相关的传感器、执行器、通用I/O单元、本地控制箱，所述传感器、执行器、通用I/O单元、本地控制箱用于实现对各类船舶平台设备的不同类型信号的采集、本地处理和设备控制执行。
7.如权利要求6所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述船舶平台设备包括电力、推进、舵、消防、信号设备、通信设备其中一种及以上。
8.如权利要求4所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述智能控制器结合全船功能域划分，针对每一功能域分别考虑相应的智能控制器的设置；在同一个功能域内，根据接入现场层设备规模及其在全船分布情况，按照区域化、分布式原则布置和设置智能控制器数量；除满足各功能域功能实现需求外，以1备1或者多备1的方式，设置额外的智能控制器作为备用；所有智能控制器在硬件上统一状态，采用通用化、互换性、标准化设计。
9.如权利要求4所述的一种可自主重构的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述智能控制器包括双冗余主控单元、双冗余控制总线接口、双冗余船域信息网接口、两电源转换单元；两电源转换单元给双冗余主控单元供电；双冗余主控单元通过双冗余控制总线接口和双冗余现场控制实现数据交互；双冗余主控单元通过双冗余船域信息网接口实现与双冗余船域信息网的信息交互；
所述双冗余主控单元包括后备监管模块、核心运算模块、资源管理模块、数据通信模块；所述后备监管模块在用作备用智能控制器时，根据内置监管模型智能判别本功能域内控制网络上的其他智能控制器工作状态，并将分析结果发送给资源管理模块；资源管理模块用于管理双冗余主控单元内部的计算、存储资源，以及诊断自身状态，且在用作备用智能控制器时，还可接受后备监管模块分析的监管对象工作状态，按需对其进行自动接管；核心运算模块用于执行预设的核心控制算法，并生成相应的控制指令发送给现场层设备；数据通信模块实现与其它智能控制器之间，以及与现场层、应用层设备之间的通信。
10.一种船用网络控制系统架构的自主重构方法，采用如权利要求8或9所述的船用网络控制系统架构，其特征在于，所述自主重构方法包括以下步骤：
在单个功能域内，事先由工作站向每一主用智能控制器分发控制算法以动态定义其功能，向备用智能控制器分发由其监管的其他主用智能控制器的控制算法；
正常情况下，备用智能控制器不参与控制，仅通过现场控制网对由其监管的主用智能控制器进行后备监管，当判别某一主用智能控制器处于预警或故障状态时，按约定策略对其进行输出闭塞并快速接管其功能，并及时向应用层发出报警提示，实现单个功能域内控制系统自主重构。
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| CN116819943A (zh) * | 2023-08-30 | 2023-09-29 | 浙江大学 | 一种可实现任务迁移柔性功能重构的控制系统及方法 |
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