CN114281381A - 一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法及设备，管理方法包括步骤：采用自定义通信协议与全任务轮机模拟器硬件板卡进行通信；向全任务轮机模拟器板卡发送数据，根据全任务轮机模拟器板卡的反馈数据，判断全任务轮机模拟器板卡是否出现故障；采用基于HTTP协议的网络远程升级方式对全任务轮机模拟器板卡进行升级。本发明采用自定义通信协议实现通信，实现数据传输稳定，设置有故障诊断机制以及硬件板卡程序自动升级功能，实现了全任务轮机模拟器板卡的智能管理。

Description

一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法及设备

技术领域

本发明属于轮机模拟器技术领域，具体涉及一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法及设备。

背景技术

航运业是目前国际贸易最重要的运输方式，船舶技术发展日新月异，船舶发展呈现大型化和自动化的趋势，轮机模拟器是船舶轮机管理人员重要的培训设备，轮机模拟器具有设备成本低廉、操作便利、节能环保、安全等优势，已成为国内外轮机工程专业人员培训的关键设备，轮机模拟器包括DMS系列轮机模拟器、全任务轮机模拟器。全任务轮机模拟器是按照船舶机舱实际布置，按照等比例实现对船舶机械设备的仿真模拟，由半实物物理盘台、仿真软件和硬件板卡组成。仿真软件在PC机上运行，与硬件板卡之间通信，实现交互。全任务轮机模拟器一般采用两层网络体系结构，服务器层是基于以太网仿真服务器，它实现对各个仿真系统的数据实时处理，与硬件板卡之间进行数据通信，数据处理层实现对半实物仿真平台信号的采集、服务器层信输出信号的执行。全任务轮机模拟器以交换机为中心，采用星型结构，实现各个系统的互联，构成分布式仿真系统。硬件板卡的功能主要有数字量采集、数字量输出、模拟量采集、模拟量输出、数据显示和网络通信。

在现有技术中，中国专利CN109118869A提供的是一种高真实感的船舶轮机设备三维虚拟考试训练系统，主要体现的是模拟器考试评价系统的设计。中国专利CN201364657Y主要对船舶机舱的全虚拟仿真，虽然涉及了物理控制盘台和工控机，但并不涉及对这些设备的管理。对应硬件管理方面的专利，中国专利CN108170760A提供了智能硬件管理系统和设备，主要是实现硬件组合与升级，功能相对单一，并不能体现智能。在论文方面。硕士论文《全任务轮机模拟器智能网管系统的设计》采用SNMP对轮机模拟器中的部分硬件进行监控，但并未真正实现对硬件板卡的监控管理，设计了几个常见的故障性能测试，功能过于简单，但由于全任务轮机模拟器的硬件智能管理涉及的项目非常多，当前的实现方案有限。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法，其能实现对全任务轮机模拟器板卡进行智能管理。

为了解决上述问题，本发明采用以下方案实现：

一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法，包括步骤：

采用自定义通信协议与全任务轮机模拟器硬件板卡进行通信；

向全任务轮机模拟器板卡发送数据，根据全任务轮机模拟器板卡的反馈数据，判断全任务轮机模拟器板卡是否出现故障；

采用基于HTTP协议的网络远程升级方式对全任务轮机模拟器板卡进行升级。

作为本发明的进一步改进，所述采用自定义通信协议与全任务轮机模拟器硬件板卡进行通信的步骤，包括：

在接收到数据时，对数据进行字符校验；

若通过验证通过，若没有通过验证，则将数据进行丢弃处理。

作为本发明的进一步改进，所述字符校验包括：协议头字符校验、数据帧长度校验、功能性字符校验、验证字符校验和结束字符校验。

作为本发明的进一步改进，若数据验证通过，还包括如下步骤：

对数据进行丢包检测，若需要进行丢包处理，则对数据进行丢包处理；若不需要进行丢包处理，则开始进行数据处理。

作为本发明的进一步改进，所述丢包处理的步骤，包括：

通过应答的方式并结合插值法、协议头字符中的发送序号，对丢失的数据进行定位和重发。

作为本发明的进一步改进，所述对数据进行丢包检测，若需要进行丢包处理，则对数据进行丢包处理的步骤，包括：

在预设时间内，若没有收到应答信号，则对反馈数据进行排序，若反馈数据的数列中出现数据缺失，则重新发送数据。

作为本发明的进一步改进，得到向全任务轮机模拟器板卡发送数据，根据全任务轮机模拟器板卡的反馈数据，判断全任务轮机模拟器板卡是否出现故障的步骤，包括：

按照全任务轮机模拟器板卡的数字量输出和模拟量输出顺序，向全任务轮机模拟器板卡发送数据，接收反馈数据，如有数据输出以及反馈数据，则判断出现硬件故障或外部连接设备故障。

作为本发明的进一步改进，所述采用基于HTTP协议的网络远程升级方式对全任务轮机模拟器板卡进行升级的步骤，包括：

对全任务轮机模拟器板卡的信息进行验证；

若通过验证，则将全任务轮机模拟器板卡当前程序版本与待升级程序版本进行对比，判断是否需要升级；

若不需要升级，则全任务轮机模拟器板卡运行原程序；

若需要升级，则将待升级程序写入备份区；

将备份区中的待升级程序与存储在云服务器中的待升级程序进行对比，若两者的数据大小一致，则将待升级程序写入应用程序区；

全任务轮机模拟器板卡复位。

作为本发明的进一步改进，本发明还包括步骤：

对全任务轮机模拟器硬件板卡的数据进行监控。

此外，本发明还提供了一种设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述的管理方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用自定义通信协议实现通信，实现数据传输稳定，设置有故障诊断机制以及硬件板卡程序自动升级功能，实现了全任务轮机模拟器板卡的智能管理。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1为实施例1所述管理方法的流程图；

图2为实施例1所述步骤S1的流程图；

图3为实施例1所述步骤S3的流程图；

图4为实施例2所述设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例公开了一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法，在本实施例中，全任务轮机模拟器板卡包括：数字量通用板卡、模拟量通用板卡、船舶并车保护单元板卡、分油机仿真板卡、油水分离器仿真板卡、船舶辅锅炉仿真板卡、船舶发电机控制板卡，如图1所示，管理方法包括步骤：

S1、采用自定义通信协议与全任务轮机模拟器硬件板卡进行通信；

现有技术中的全任务轮机模拟器采用以太网进行通信，其协议为UDP协议，UDP协议具有传输效率高、资源占用少等优点，但也存在着缺乏保证可靠传输数据的机制，会出现数据的丢包和失序等问题，针对这种现象，本发明采用了一种基于UDP通信协议的一种改进型应用通信协议。协议的具体形式如下：

协议头字符是的作用主要有两种：一是作为UDP传输数据帧的起始标志，用于对接收数据的分割；二是在程序处理过程中，将时间戳和发送序号加入到了协议头字符中，时间精度为毫秒级，接收方在收到数据后，设置了缓存空间，将收到的数据按照时间戳和发送序号进行排序，解决了UDP数据失序问题。

数据帧长度字符，将发送的协议头字符、长度字符、功能性字符、数据信息字符、校验字符和结束字符一共含有的字节数量，用于确定数据帧的长度，防止传输过程中的某些数据丢失。

功能性字符，由于全任务轮机模拟器涉及到的数据信号种类较多，涉及到数字量采集、数字量输出、模拟量采集、模拟量输出、数据显示以及相关参数设置等，通过对数据类型的分类，确定不同的功能性字符。

数据信息字符：传输的数据信息。

验证字符：发送方在发送数据时，采用校验方式生成验证字符，合成一组数据，放在结束字符之前，通过网络发送给接收方。接收方在接收时会对接收到的数据，采用与发送方一样的校验方式产生验证字符，生成的验证字符与接收到的验证字符进行比较，确定接收的数据是否正确。

结束字符：一帧数据的结束标志。

在接收和发送过程中，发送方会把以上数据合成一个整体进行发送，接收方接收到数据以后，会对数据进行检验，首先是对协议头字符的检验，接着是对帧长度的检验、功能性字符的检验、校验字符检验和结束字符检验，只要其中一个检验出现错误，则认为发送的数据是无效的，此无效数据会被记录在接收方中，同时由接收方将数据返回给发送方，发送方通过数据对比，确定错误信息的出处。

具体地，如图2所示，步骤S1包括如下步骤：

S11、在接收到数据时，对数据进行字符校验；字符校验包括：协议头字符校验、数据帧长度校验、功能性字符校验、验证字符校验和结束字符校验。

S12、若通过验证通过，若没有通过验证，则将数据进行丢弃处理。

S13、对数据进行丢包检测，若需要进行丢包处理，则对数据进行丢包处理；若不需要进行丢包处理，则开始进行数据处理。

在UDP传输数过程中，如果数据量较大或者传输速度过快，就会造成数据的丢失，数据丢失则会造成全任务轮机模拟器硬件板卡无法实现与轮机模拟器之间正常的数据交互。在轮机模拟器使用过程中，不能因为数据丢包而减少数据传输量和数据发送速度，因此需要一套合理的丢包处理机制。由于数据传输是基于轮机模拟器数学模型，针对丢失的数据，可采用数据拟合的方式，对接收到的数据进行拟合，并通过时间序列进行插值，同时也采用了数据重传机制，数据丢包可以分为2种情况，一是向硬件板卡发送数据这一过程中的数据丢失，二是硬件板卡采集的数据发送给轮机模拟器软件这个过程中的数据丢失。针对这两种情况，通过应答的方式并结合插值法、协议头字符中的发送序号，实现数据丢失的定位和重发。在发送方发送数据时，接收方如果接收到数据则做出应答，发送方如果没有在规定时间内收到应答信号，则认为接收方没有收到数据，此时对反馈回来的数据进行排序，如果对应数据列中出现数据缺失，则可以认为这个数据时丢失的，由发送方再次进行发送。以上两种机制，同时工作但采用时间优先原则，也就是哪个方法所用时间短，则采用该数据。

S2、向全任务轮机模拟器板卡发送数据，根据全任务轮机模拟器板卡的反馈数据，判断全任务轮机模拟器板卡是否出现故障；

全任务轮机模拟器在使用过程中，有可能发生故障，故障的诊断与故障处理是保证轮机模拟器正常工作的重要机制。故障诊断的方法为：按照板卡的数字量输出和模拟量输出顺序自动发送数据，并接收数据处理情况反馈的数据，对接收的数据与现场现象进行综合分析，如果数据有输出，并有反馈数据，则说明硬件输出通道故障或外部连接设备故障，否则鉴定为软件故障。针对硬件故障，管理软件界面提供了备件更换操作视频，实验室管理人员可在视频指导下进行备件更换与设置。

S3、采用基于HTTP协议的网络远程升级方式对全任务轮机模拟器板卡进行升级。

具体地，如图3所示，步骤S3包括：

S31、对全任务轮机模拟器板卡的信息进行验证；

S32、若通过验证，则将全任务轮机模拟器板卡当前程序版本与待升级程序版本进行对比，判断是否需要升级；

S33、若不需要升级，则全任务轮机模拟器板卡运行原程序；

S34、若需要升级，则将待升级程序写入备份区；

S35、将备份区中的待升级程序与存储在云服务器中的待升级程序进行对比，若两者的数据大小一致，则将待升级程序写入应用程序区；

S36、全任务轮机模拟器板卡复位。

本方案采用了基于HTTP协议的网络远程升级方式，通过IAP编程方式实现对轮机模拟板卡程序的升级。自动升级过程如图3所示。轮机模拟器板卡程序分为启动程序和应用程序，启动程序主要用于对云服务器程序的接收存储和启动引导，启动程序将程序存储区分为三个部分，分别为启动程序存储区、应用程序存储区和备份程序存储区，轮机模拟板卡连接到云服务器以后，云服务器会对轮机模拟器板卡进行信息验证，轮机模拟器板卡通过验证后，会与服务器当前的程序版本信息进行对比，如果服务器上程序版本为最新版，则进行程序升级，程序升级过程中，首先板卡会将接收到的程序放入到备份程序存储区并记录接收到的程序数据大小，在接收完成后将数据与服务器中的程序大小数据进行比较，如果两者一致，则将新接收的程序数据写入到应用程序存储区，并控制板卡进行自复位，从而实现程序的升级。

S4、对全任务轮机模拟器硬件板卡的数据进行监控。监控包括两种不同的工作模式：1、当其运行在全任务轮机模拟器的服务器PC机时，其功能为数据监控，通过模拟器软件数据和模拟器板卡数据之间的通信数据积累，利用大数据分析方法，如故障特征提取、故障现象分析，进行故障诊断。第二种功能是用于实现轮机模拟器系统软件和全任务轮机模拟器板卡之间的数据交互，数据交互信息包括了数字量采集、数字量输出、模拟量采集、模拟量输出、LED灯显示、数码管显示、LCD液晶显示等。

本实施对全任务轮机模拟板卡进行网络化管理，建立全任务轮机模拟器网络拓扑结构。通过自定义应用层协议，定义了协议头字符、数据帧长度字符、功能性字符、数据信息字符、校验字符和结束字符，实现数据稳定传输，在保证通信速率的同时解决了UDP数据丢包和失序，定义不同的功能性字符实现对不同信号的输出与硬件板卡的设置和管理。采用应答与插值法，监控数据丢包状态，远程实现对硬件板卡的故障诊断与处理，程序自动更新升级。通过网络化手段和数据分析实现对硬件板卡的远程管理，减少维护人员的工作量，节省了维护管理成本，实现智能管理。

综上所述，本实施例具有以下有益效果：

1、自定义通信协议设计：轮机模拟器上位机软件与全任务轮机模拟器硬件板卡之间采用基于以太网的UDP通信协议，由于UDP是一种面向无连接的协议，只简单实现了数据的传输，并不保证数据的传输质量，因此能一定程度上提升了数据的传输速度，但却因为没有可靠性机制，容易导致数据的丢失和错乱，本实施例采用了自定义协议方案，实现了在UDP的基础上添加了数据校验、数据排序和数据丢包处理等机制来保证了数据传输的质量和传输效率。自定义通信协议是在以太网UDP协议的基础上进行定义的，主要分为管理类和数据交互协议。管理类协议管理类协议主要有广播、复位、程序下载与升级、在线反馈测试、恢复出厂设置和网络参数设置等方面功能，实现了对物联网板卡的统一管理。数据交互协议主要与轮机模拟器上位机软件进行的数据交互，包括了数字量采集、数字量输出、模拟量采集、模拟量输出、LED灯显示、数码管显示、LCD液晶显示等信息交互数据。

2、网络丢包处理机制：UDP通信中会存在通信数据丢失的情况，使得轮机模拟器软件与硬件板卡之间的通信不通畅，因此本实施例设计了网络丢包机制。网络丢包存在两种可能，一种是轮机模拟器软件发送数据给硬件板卡，数据丢失，另一种是硬件板卡发送数据给轮机模拟器数据丢失，针对这两种情况，本实施例采用一种应答机制，实现数据丢包处理和统计。

3、故障诊断与恢复机制：在轮机模拟器使用过程中，环境因素可能导致硬件板卡、交换机、工控电脑发生故障，对管理工作带来一定的挑战，因此本实施例设计了一种故障诊断和恢复机制。硬件板卡突然断电、硬件板卡功能失效故障检测。

4、硬件板卡程序自动升级更新，采用广域网技术，通过IAP在线应用程序编程的方式，实现远程轮机模拟器板卡硬件程序的升级，从而降低了轮机模拟器的维护管理成本。

5、PC远程监控软件设计，基于广域网的PC软件，实现数据交互测试、远程监控、故障诊断与处理。

实施例2

本实施例提供了一种设备，如图2所示，包括处理器和储存器，储存器中储存有程序代码，处理器执行程序代码以执行实施例1的管理方法。

具体地，设备可以为计算机设备，也可以为手持终端设备，云服务器中存储有升级程序，远程模拟器管理电脑或者远程模拟器管理手机连接云服务器以及全任务轮机模拟器硬件板卡，可以实现对全任务轮机模拟器硬件板卡的远程管理，本地模拟器管理电路与云服务器以及全任务轮机模拟器硬件板卡，可以实现对全任务轮机模拟器硬件板卡的本地管理

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请实施例所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全任务轮机模拟器板卡的管理方法，其特征在于，包括步骤：

采用自定义通信协议与全任务轮机模拟器硬件板卡进行通信；

向全任务轮机模拟器板卡发送数据，根据全任务轮机模拟器板卡的反馈数据，判断全任务轮机模拟器板卡是否出现故障；

采用基于HTTP协议的网络远程升级方式对全任务轮机模拟器板卡进行升级。

2.根据权利要求1所述的全任务轮机模拟器管理方法，其特征在于，所述采用自定义通信协议与全任务轮机模拟器硬件板卡进行通信的步骤，包括：

在接收到数据时，对数据进行字符校验；

若通过验证通过，若没有通过验证，则将数据进行丢弃处理。

3.根据权利要求2所述的管理方法，其特征在于，所述字符校验包括：协议头字符校验、数据帧长度校验、功能性字符校验、验证字符校验和结束字符校验。

4.根据权利要求2所述的管理方法，其特征在于，若数据验证通过，还包括如下步骤：

对数据进行丢包检测，若需要进行丢包处理，则对数据进行丢包处理；若不需要进行丢包处理，则开始进行数据处理。

5.根据权利要求4所述的管理方法，其特征在于，所述丢包处理的步骤，包括：

通过应答的方式并结合插值法、协议头字符中的发送序号，对丢失的数据进行定位和重发。

6.根据权利要求4所述的管理方法，其特征在于，所述对数据进行丢包检测，若需要进行丢包处理，则对数据进行丢包处理的步骤，包括：

在预设时间内，若没有收到应答信号，则对反馈数据进行排序，若反馈数据的数列中出现数据缺失，则重新发送数据。

7.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，得到向全任务轮机模拟器板卡发送数据，根据全任务轮机模拟器板卡的反馈数据，判断全任务轮机模拟器板卡是否出现故障的步骤，包括：

按照全任务轮机模拟器板卡的数字量输出和模拟量输出顺序，向全任务轮机模拟器板卡发送数据，接收反馈数据，如有数据输出以及反馈数据，则判断出现硬件故障或外部连接设备故障。

8.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，所述采用基于HTTP协议的网络远程升级方式对全任务轮机模拟器板卡进行升级的步骤，包括：

对全任务轮机模拟器板卡的信息进行验证；

若通过验证，则将全任务轮机模拟器板卡当前程序版本与待升级程序版本进行对比，判断是否需要升级；

若不需要升级，则全任务轮机模拟器板卡运行原程序；

若需要升级，则将待升级程序写入备份区；

将备份区中的待升级程序与存储在云服务器中的待升级程序进行对比，若两者的数据大小一致，则将待升级程序写入应用程序区；

全任务轮机模拟器板卡复位。

9.根据权利要求1所述的管理方法，其特征在于，还包括步骤：

对全任务轮机模拟器硬件板卡的数据进行监控。

10.一种设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至9任一所述的管理方法。

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