CN1732417A - 用于测试海洋船舶控制系统的系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测试船舶(4)中的控制系统(2)的系统，其中，该控制系统用于控制和监视该船舶(4)，该系统包括以下特征：该船舶(4)上的一个或多个传感器(8)通过信号线(12)，向该控制系统(2)发送一个或多个传感器信号(7)；该船舶(4)上的命令输入装置(10)通过命令信号线(11)，向该控制系统(2)发送一个或多个预期位置、路线、速度(9)等；该控制系统(2)中的算法(31)根据传感器数据(7)、命令信号(9)，计算发给船舶制动器(3)的控制信号(13)，并通过信号线(14)，将控制信号(13)发送给致动器(3)；一条或多条通信线路(6)，用于将一个或多个模拟信号(7′)和/或模拟命令信号(9′)从远程测试实验室(4)发送到控制系统(2)的；包括算法(32)的模拟器(30)根据该船舶(4)的以前状态(7，7′)、控制信号(13，13′)和动力参数(5)，模拟船舶模型(4′)的新动力状态(7′)；其中，通信线路(6)将该船舶模型(4′)的新模拟状态以模拟传感器信号(7′)的形式回送给该控制系统(2)，并且，在该控制系统(2)中，根据真实和/或模拟传感器信号(7，7′)或真实和/或模拟命令信号(9，9′)，继续计算控制信号(13)，以获得预期位置、路线、速度等中的至少一个；以及，通信线路(6)将来自该控制系统(2)的响应以控制信号(13)和控制信号(13′)的形式，发送给该远程测试实验室(4)。
Description
引言
控制系统通常被认为是一种向某一物理过程发送控制信号并从某一装置或某一物理过程或可能从其他物理过程接收测量结果的系统。这些测量结果和一个算法用于计算控制信号，以使该物理过程如同所期望的那样运行。如果该物理过程是一只电动船，那么该控制系统可以收到形式为船舶位置、航线和速度的测量数据，并可以因此计算发送给螺旋桨和方向舵的控制信号，从而获得船舶位置、航线和速度中一个或多个。
问题描述
在这种情况下形式为船舶的物理过程会受到诸如风、浪和水流变化之类的外部事件或诸如一个或多个螺旋桨的发动机功率损失或方向舵功能失灵之类的意外事件的影响。人们所期望或希望的是，船舶的控制系统能处理外部影响和外部事件，从而使船舶保持安全状态。例如，安全状态为：船舶保持预期位置或速度、它避免非期望的位置(为了避免碰撞或搁浅)、它避免失控漂流情形或它保持预期航线等。此外，人们所希望的是，在传感器信号损失或传感器出错的情况下，控制系统不应当做出非期望和不合宜的补偿，例如，为响应滚转或俯仰传感器真实信号损失而突然改变压载泵作用(ballastpumping)或对明显位置错误的突然校正。
控制系统的测量
图1和3示出了一种船舶控制系统，输入来自提供测量结果的装置，输出被发送到提供控制信号的致动器、推进装置和控制装置。此类控制系统能够从多种信源接收形式为传感器信号的测量结果：
-滚转(roll)/俯仰(pitch)/升降(heave)传感器；
-用于测量相对风速和方向的风速计；
-回转罗盘；
-GPS传感器或GPS定位系统；
-惯性导航系统，基于加速度测量值，在时间上进行一次积分计
算出速度，以及，基于加速度测量值，在时间上进行两次积分
计算出位置；
-与海底固定点相关的水底传音位置传感器；
-张紧线(taut-wire)系统，观察从船舶到海底多点的该系统的一根或多根张紧线的长度和方向；
-命令信号，用于改变船舶航线或预期航线、预期位置或预期速度；
-螺旋桨和发动机上的轴或/和负荷；
-方向舵角度传感器；
-用于装载油罐的液位传感器；
-压载位置传感器；
-料位传感器；
-引擎状态、冷却水温度、油压等。
控制系统向诸如推进器和控制装置之类的致动器提供控制信号。推进器可以是普通的螺旋桨、隧道推进器或方位推进器，但在某些情况下也可以是用于将船舶拖拉到正确位置的锚锭系统。也可将控制信号提供给压载泵和相关的阀，以纠正滚转角度或俯仰角度。
动态定位(DP)控制的相关问题
如果该船舶是石油钻探船或石油生产船，例如钻探船或钻探平台、石油生产船或石油生产平台，那么，控制系统也可以接收来自升降加速计的升降运动测量值，并将控制信号输出到用于升降器、钻柱、起重机等的主动升降补偿系统，其中，机械装置可连接到海底并且对补偿船舶运动尤其是升降运动非常重要。海洋石油活动控制系统的常规用途是船舶的动态定位，也就是说，该船舶使用诸如方位推进器之类的致动器在钻探或石油生产过程中保持预期的位置。停泊并且可能会绕着连到海底的缆绳旋转的船舶也可以具有这样的控制系统：由于风向或水流变化而导致船舶旋转时，向螺旋桨或推进器提供变化的控制信号，以辅助船舶保持预期的位置，从而使推进器提供动力，以补偿力变化时缆绳张力的变化。同样，可以设想的是，该控制系统可以提供控制信号，以增加或减少相同原因所引起的缆绳的张力。
测试船舶控制系统的相关问题
船只检查员可以检查船舶并在船上对控制系统进行测试。船上测试可通过断开或连接传感器系统来实现，并监视不同故障情形下的系统响应。然而，要对可预料情形做出真实的船舶测试，需要等待或寻找不常发生或可能危险的气候状况和海况(sea state)。为了检测控制系统是否提供用于纠错补偿的控制信号，考虑将船置于诸如压载分布错误不寻常大之类的极端环境几乎是不可能的选择。此类测试通常无法实现。
可以模拟发送给船上控制系统的传感器数据并监测控制系统发送给诸如螺旋桨、方向舵和推进器之类的致动器的控制信号，但是，这需要控制系统与测试系统局部内连接，就申请人所知，目前还不能完成。检查待测试船舶的缺点通常关于船只检查员的长途跋涉，船只检查员必须携带内连接到控制系统输入、用于测量的装置和内连接到控制系统输出、用于将控制信号形式的响应发送到船舶致动器的装置，此外，还有一个至少包括待测试实际船舶配置的数据库。并且，如果没有测试和验证的船不能投入使用，那么，从待测试和验证的船舶到下一只船舶的旅行时间使得检查员很难足够快速地执行检查，因此下一只船舶将不得不等待更长的时间，而等待将造成经济损失。使用由于缺乏控制系统测试而没能暴露可能错误的船舶也可能导致隐蔽的自然危险。
这意味着对船舶控制系统需要更高效的测试，尤其因为船舶可能地理上相互距离甚远并且实际上不容易找到检查员。
在控制系统的生产工厂内，通常对控制系统(包括硬件和软件)执行一种被称为工厂验收试验(FAT)的测试，其中，生产商向控制系统输入模拟传感器数据并监视控制系统响应地给出的控制信号。此种类型的FAT只能显示出生产商已预见存在的来自信号源的测量结果中的错误以及控制信号仅用于生产商已经预见的装置中的错误。因此，不能确切地知道控制系统如何对控制系统生产商不能预知的装置、系统、配置或情形做出反应。此外，在FAT中，无法在船舶上安装和连接使用控制系统的实际地点(constellation)中测试该控制系统。
动态定位中的实际问题示例
对于保持在螺旋桨、方向舵、隧道或方位类型推进器的预期位置的船舶(4)的动态定位，操作的关键是船舶保持其位置。但很多事件可能是非预期的。人们可能会经历一个或多个螺旋桨或推进器的发动机功率损失，然后不得不增加剩余螺旋桨和/或推进器上的发动机功率以及可能旋转剩余的方向舵或推进器。人们也可能遭遇控制系统失去来自所连接传感器的一些信号以至于发生意外事件的严重错误。发明人知道这样一个例子：在这种情况下，该船舶为一个钻探平台，其位于远海(open sea)中的一个固定位置，并正在海底钻一口石油井的钻孔，其中，钻探平台通过所谓的动态定位或“DP”的方法来保持预期的位置，也就是说，通过位置测量和发动机功率、而不是使用连到海底的缆绳，将控制系统调整到预期的位置。该钻探平台装配有两套DGPS接收器，其基于从多个导航卫星接收到的无线信号，计算船舶的地理位置。此外，该钻探平台还装配有两套水底传音位置传感器，其测量该船舶相对于海底固定点处的发射机应答器的位置。在钻探过程中的一个给定时间，由于升管(riser)连接到钻孔并积极钻井，此时，发生了一个事件，使得DGPS接收器显示约75米位置有一个突变，虽然实际上没有发生这样的位置变化。水底传音传感器显示在钻孔上方预期位置处有一个稳定位置。基于该信号，该控制系统继续控制螺旋桨和方向舵，并且钻探平台没有中断地保持在正确的动态位置。然而，事实证明，5分钟后，钻探平台根据当时错误的DGPS信号突然开始向预期位置移动。这时需要使用相关紧急事件程序来中断钻井，这涉及断开升管连接、切断钻柱等。这类情形涉及气和油的喷出危险或喷洒钻出液体的污染。这类情形也可能给船舶和船员带来危险。因此，重新启动这种类型的中断DP钻井非常昂贵。申请人认为由DGPS接收机计算出的初始位置突变可能是从GPS卫星传输到接收机的信号干扰所造成的，或者是由可用卫星数量不足情况所造成的。控制系统可能已经忽略此类DGPS信号损失，由于控制系统的软件中的质量情况要求这样的计算位置必须在前5分钟内保持稳定以被视为真实。这样，避免由于错误信号导致的位置突变。但是，从DGPS接收机计算出的新的、变化的、但不稳定的位置可以在5分钟后被认为是稳定的，并因此被控制系统认为是可靠的，并且给予比来自水底转发器的测量值高的优先级。这可能是控制系统试图将钻探平台控制到其已明确解释为预期位置的新位置的原因，虽然钻井仍在进行，并且水底传音测量的位置表明该位置应当保持不变。
关于改变船船中配置的问题：控制系统的再编程
在控制系统投入船舶使用之后，有很多情况需要对控制系统中的软件进行重新编程或修改。这样做的目的可能是需要在程序算法中改变警报极限和传感器信号的可接受变化的数值，或者是需要在控制系统中引入新的测试和功能。当对软件重新编程和修改完成时，需要测试控制系统，以了解变化是否产生了预期效果，以及检查修改是否导致出现新的未预料错误。目前，对于测试此类改变后船上控制系统，还没有另人满意的测试装置和方法。
现有控制系统中的修改，例如替换起重机时
具有用于在海底上安装和替换模块的起重机的船舶完成石油和液化汽勘探与生产相关的海洋作业。此类起重机具有补偿船舶垂直运动的控制系统。起重机在安全性关键情形中的操作模式和功能很大程度上取决于控制系统的软件的细节设计，这随起重机不同而不同。对于测试此类起重机机械设计，已有确定的程序。与此相反，对于测试起重机控制系统的软件，还没有确定的系统或方法。其原因在于，起重机的响应取决于海况和船舶运动以及起重机的机械设计和控制系统。因此，对船舶上起重机系统所需要的详细测试应当既涉及包含船舶相关控制系统的船舶动力，还应当涉及包含起重机控制系统的起重机动力。
控制系统传感器的维修/替换
当替换或修改控制系统传感器时，需要调整用于限制传感器信号中可接受变化的警报极限。通常情况下，控制系统具有冗余的传感器系统，从而用多个传感器测量相同的物理量。这种情况的一个例子是：用惯性传感器、两个或更多个GPS接收机和两个水底传音传感器系统，来测量船舶的位置。根据这些测量数据，通过控制系统中的算法确定船舶位置。该算法取决于各传感器的关于精确度的属性和诸如快速位置变化下的长期稳定性与精确度之类的属性。传感器的替换和修改需要测试整个传感器系统，以调查所得的传感器组合是否提供了控制系统所用的可接受位置测量值。
维修/修改/替换致动器
替换或修改致动器后，控制系统可能发出非常不同的船舶响应。原因在于：新的或修改后的致动器向船舶发出的控制动作可能不同于控制系统开发期间所设想的情况。一个这样的例子是，使用推进器进行动态定位，其中，当调整控制系统时，推进器轴速与推力之间的关系必须是已知的。如果推进器发生变化，那么，推进器轴速与推力之间的关系可能会发生变化，这就需要测试具有该控制系统的船舶，以检查系统是否仍令人满意地运行。
因此，在修改船舶原配置以及以前没有组合船舶的新旧部件并不得不在新组合中进行测试的情况下，需要对船舶控制系统进行更有效的测试。
本领域公知技术
美国专利6298318“Real-time IMU method for test of guidancenavigation and control systems”描述了一种用于测试飞机的模拟方法，其使用所谓的6自由度(6 DOF)飞行模拟器来模拟运动，其中，通过模拟，产生从所谓的惯性导航模块到飞行器上“引导、导航与控制”系统的信号。该美国专利没有讨论钻探作业或其他形式静态作业中船舶动态定位的相关问题，也没有提及使用起重机、已连接的水下装置的导航、水底传音定位装置的集成和压载相关问题，也没有考虑海浪。当存在升降/滚转/俯仰运动中的恢复动作时，船只通常没有6个DOF，而是只有3个DOF。
美国专利5023791“Automated test apparatus for aircraft flightcontrols”描述了一种自动测试装置，用于测试飞行器的飞行控制系统，作为用于测试多个飞行控制系统的集成系统的一部分。该自动测试装置包括一个系统控制器，其具有的存储器用于存储控制该自动测试装置操作的编程指令以及存储所得的飞行控制系统测试数据。该自动测试装置包括一个键盘、一个触摸屏和一个磁带驱动器，用于将编程指令和其他信息输入到该自动测试装置中以及从系统控制器输出测试数据。该自动测试装置内包括的、由系统控制器控制的装置产生输入到飞行器控制系统的测试信号，并监测由飞行控制系统产生的所得测试数据信号。该自动测试装置通过接口电缆连接到飞行器内的车载中央维护计算机。该中央维护计算机包括一个非挥发性存储器，其被编程为运行飞行控制系统车载测试，并在测试过程中由系统控制器根据运行车载测试的编程指令来控制。
美国专利5541863“Virtual integrated software testbed for avionics”描述了一种用于航空电子设备的虚拟集成软件实验台，该实验台允许在主机上使用多个计算机程序来开发航空电子软件，这些计算机程序作为进程同时运行并由一个中央进程来控制。所公开的软件实验台使用分离的同步进程，允许通过运行主机上的模拟程序或从实际装置产生信号，并允许数据总线信号来往于实际的航空电子硬件，所述航空电子硬件在实时的基础上连接到主机中的虚拟总线对等方。
美国专利5260874“Aircraft flight emulation test system”描述了一种飞行器测试系统，其产生的激励模拟飞行器飞行过程中收到的激励。该飞行器测试系统包括多个用于产生处理器可控装置的数量的装置，用于产生飞行器飞行过程中收到的激励。该系统还包括多个监控多个飞行器部件对该飞行器接收到的激励的响应的装置。响应飞行器部件的输出信号的处理器指示激励产生装置产生激励，以模拟飞行器在空中穿行时收到的激励。因此，系统产生的初始激励集合类似于飞行器飞行过程中所接收的激励；该系统监控该飞行器收到的激励的响应；并且，该系统响应地向飞行器产生最新的激励集合。该系统也记录飞行器部件的输出响应的响应，使得它们能够被人工监控，从而保证飞行器的正常运行。由于该系统可以在飞行模拟过程中将飞行器置入“环路(in the loop)”，所以也可用于训练飞行人员。
美国专利6505574“A vertical motion compensation for a crane’sload”描述了一种用于降低海况诱导船上起重机负载垂直运动的系统与方法，其使用绞盘(winch)编码器、动臂倾角(boom angle)传感器、转动角传感器和运动传感器，它们都将测量结果输入一个中央处理器中，该中央处理器根据测量数值和起重机操作员的命令控制起重机。
问题的解决方案、发明的简短总结
根据本发明，对于上述测试船只控制系统的问题的一种解决方案是一种用于测试船舶控制系统的方法，其中，该控制系统包括用发给一个或多个致动器的控制信号来控制和监控该船舶，其中，该方法包括以下步骤：
*通过到该控制系统的第一传感器信号线，实时地获取从一个或多个传感器到该控制系统的传感器数据；
*通过到该控制系统的第二信号线或命令信号线，获取从命令输入装置到该控制系统的命令信号；
*在该控制系统内的控制算法中，根据一个或多个所获取的传感器数据和命令信号，计算控制信号，并通过第三信号线将控制信号发送给致动器；
本发明的新颖之处包括以下步骤：
*将来自一个或多个传感器的一个或多个传感器信号或者来自一个或多个命令输入装置的命令信号断开连接，以使得不将选中的传感器信号或命令信号发送到该控制系统；并且，用相应的模拟传感器信号或命令信号替换一个或多个断开连接的传感器信号或命令信号，所述相应的模拟传感器信号或命令信号是在相对于该船舶的远程测试实验室内产生的，并通过一条或多条信号线、经由通信线路被发送到该控制系统；
*根据真实和/或模拟传感器信号或命令信号，在控制系统内继续计算控制信号；以及
*经由通信线路，将该控制信号发送到该远程测试实验室。
在本发明优选实施例中，该方法包括：在该远程测试实验室内的模拟器中，根据所述控制信号，通过算法，模拟船舶的新动力状态。
可以在从属专利权利要求中找到本发明方法的其他步骤。
当控制系统测试完成后，断开该船舶与该远程测试实验室之间的通信线路；以常规方法，将所述传感器和命令输入装置连接到该控制系统；将该控制系统的控制信号输出连接到所述致动器，以使该船舶内的控制系统正常操作。
本发明也包括用于测试船舶中控制系统的系统，其中，该控制系统控制和监视该船舶，包括以下步骤：
*该船舶上的一个或多个传感器，通过信号线，将一个或多个传感器信号发送到该控制系统；
*该船舶上的命令输入装置，通过命令信号线，将预期位置、路线、速度等发送给该控制系统；
*该控制系统内的一个算法，根据传感器信号、命令信号，计算发给船舶致动器的控制信号，并通过信号线将控制信号发送到给所述致动器；
其中，该系统的新颖之处包括以下步骤：
*一条或多条通信线路，用于将一个或多个模拟传感器信号和/或模拟命令信号从远程测试实验室传输到该控制系统的；
*包括一个算法的模拟器，根据该船舶的以前状态、控制信号和动态参数，模拟船舶模型的新动力状态；
*其中，该通信线路将船舶模型的新模拟状态以模拟传感器信号的形式，回送给该控制系统，在该控制系统中，根据真实的和/或模拟的传感器信号或者真实的和/或模拟的命令信号，继续计算控制信号，以获得至少一个预期位置、路线、速度等；以及
*其中，该通信线路将该控制系统的响应，以控制信号的形式，作为控制信号，发送给该远程测试实验室。
附图说明
附图1到7描述了本发明。附图只用于描述本发明、而不用来限制本发明，本发明由所附的权利要求进行限定。
图1示出了具有控制系统的船舶。该控制系统接收来自导航装置的位置、航线和速度测量结果，并接收来自位置指定装置、控制系统的控制面板、速度指定装置、用于螺旋桨或可能用于推进器的速度或轴速指定装置的命令。该控制系统还可接收来自风速计的相对风向和相对风速的测量结果，并且它也可以接收或计算关于海况的信息，即浪高、滚转周期、俯仰程度等。可以将该控制系统设计成连续输出轴速给螺旋桨和角度给方向舵，从而获得预期的位置、航线和速度。
图2示出了船舶控制系统的FAT，其中，控制系统连接到模拟传感器信号的接口，并且，控制系统向(没有连接的)致动器以控制信号提供响应。
图3示出了公知的船只控制系统，具有连接的传感器、命令输入装置和控制系统的致动器。
图4a描述了本发明的基本思想，其中，船舶模拟器位于远方模拟器位置，还有记录器，两者经由位于模拟器位置的第一实时接口，通过一个或多个用于实时控制、模拟和记录的通信通道，连接到一个或多个实时控制、模拟和记录的实时接口，该实时接口进一步连接到控制系统，例如，至少一只船舶上的控制和监视系统。模拟器位置可以处于例如陆地上所谓的阶级社会(class society)。
图4b示出了具有控制系统的船舶，其中，用来往测试实验室的通信线路上的模拟传感器信号替换一个或多个真实传感器信号，并且，将从控制系统到船舶致动器的一个或多个控制信号经由通信线路回送给测试实验室，优选情况下不将其发送到船舶的致动器。
图4c示出了一只船舶，其中，用于俯仰、滚转、风速、风向的传感器集合、GPS位置传感器、DGPS位置传感器、水底传音位置传感器等通常向船舶控制系统提供测量结果，用经由一条或多条通信线路、来自远程测试系统的模拟测量值取代该测量结果，并且，控制系统对该模拟测量值做出响应，该响应通常提供控制信号给船舶致动器，例如螺旋桨、方向舵、隧道推进器、方位推进器，并且，经由通信线路，将该响应发送到远程测试实验室，那里的船舶模拟器，例如形式为算法，计算模拟船舶的动力行为，以响应来自船舶远程控制系统的控制信号，并将船舶新状态回送到该远程系统，以得到以新控制信号形式的新响应。
图5描述了滚转、俯仰及升降(heave)形式的船舶运动的示意图。
图6描述了滑脱(surge)、摇摆(sway)及偏航(yaw)中的船舶运动的示意图，这些运动对于动态定位是很重要的，例如，对于没有泊位(或者有些情况下有泊位)的石油钻探。
图7示出了使用本发明的相关问题概要图，其中，控制系统用于控制钻探时动态定位下的钻探平台，实际位置和预期位置用黑体“X”标记。
具体实施方式
如图4a中的概述图及图4b和4c中的详细图所示，本发明包括一种经由通信信道(6)实时地测试诸如船只、钻探平台、石油生产平台之类的船舶(4)上的控制系统(2)的系统和方法。该控制系统(2)包括对船的控制和监视。对控制系统(2)的测试包括：对船舶的常规状态、极端状态以及这些常规和极端状态的常规变化的模拟，例如，在模拟的平静海况(H1)下的平常运动。此外，可以模拟在模拟的极端海况(H2)下的平常运动，模拟例如船舶只有单螺旋桨(16)时单螺旋桨(16)发动机功率损失的故障情形，模拟旋转偏离预期路线(7b)及从预期位置(7a)漂离的后续动态模拟的故障情形。也可模拟船舶具有一个或多个仍工作的螺旋桨(16b，16c，…)时一个或更多螺旋桨(16a，16b，…)的损失，并研究船舶如何对一个或多个螺旋桨的损失做出反应。
下面将简单描述该系统，作为图4a、b和c中描述的具体设备，用于从远程实验室(40)到一个或多个船舶(4a，4b，4c，…)的控制系统(2)的干预(intervention)。
根据本发明的系统用于测试船舶(4)中的控制系统(2)，其中，控制系统(2)控制和监视该船舶(4)。根据本发明的系统包括以下特征：
*船舶(4)上的一个或多个传感器(8)通过信号线(12)将一个或多个传感器信号(7)发送到控制系统(2)；
*船舶(4)上的命令输入装置(10)通过命令信号线(12)将一个预期位置、路线、速度(9)等发送到控制系统(2)；
*控制系统(2)中的一个算法(31)根据传感器信号(7)和/或命令信号(9)，计算发送给船致动器(3)的控制信号(13)，并通过信号线将该控制信号(13)发送给致动器(3)；
*一条或多条通信线路(6)将一个或多个模拟传感器信号(7′)和/或模拟命令信号(9′)从远程测试实验室(40)发送到控制系统(2)。该远程实验室可以在陆地上，并且，在实验室中和待测试船舶上必须都有实时通信装置；
*包括模拟器(30)的远程实验室，该模拟器包括算法(32)，根据船舶(4)的以前状态(7，7′)、控制信号(13，13′)和动力参数(5)，模拟船舶模型(4′)新的动力状态(7′)；
*通信线路(6)，用于将船舶模型(4′)的新模拟状态，以传感器信号(7′)的形式，回送给控制系统(2)，在控制系统(2)中，根据真实和/或模拟传感器信号(7，7′)或者真实和/或模拟命令信号(9，9′)，继续计算控制信号，以获得预期位置、路线、速度等中至少之一；
*通信线路(6)将控制系统(2)的响应，以控制信号(13)的形式，作为控制信号(13′)，发送给远程测试实验室(40)。
控制信号(13)包括用于一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴速形式的或用于方向舵(18)或推进器(17)或其他可能控制装置的角度(13c)形式的信号(13a，13b，13c)。
传感器(8)包括下列中的一个或多个：
-用于确定船舶位置(7a)的位置测量装置(8a)，例如GPS接收机(8a)、水底传音位置传感器(8h)、集成(integrating)加速度传感器等；
-用于确定船舶航线的航线测量装置(8b)，例如回转罗盘或其他罗盘；
-用于确定速度(7c)的速度传感器(8c)或单个集成加速度传感器；
-用于指示(相对的)风速(7d)和风向(7e)的风速计(8d，8e)；
-用于指示滚转角的滚转角传感器(8f)；
-用于指示俯仰角(7g)的俯仰角传感器(8g)。
在本发明优选实施例中，该系统包括一个旋钮或开关(15a)，用于将从信号线(12)到控制系统(2)的一个或多个传感器信号(7)断开连接。此外，根据本发明的系统包括第二开关(15b)，用于将从信号线(11)到控制系统(2)的一个或多个命令信号(10)断开连接，也包括第三开关(15c)，用于将从信号线(14)到控制系统的一个或多个控制信号(13)断开连接。这样，使用这些开关(15)，旧可以完全或部分地将控制系统(2)与来自或到达船舶其他部分的信号隔离开来。该控制系统(2)仍能连接到船上的常规电源。
通常情况下，该系统意味着向控制系统(2)的算法(31)中输入船舶动力参数(5)，以计算发给致动器(3)的控制信号(13)。
根据本发明优选实施例，配置该系统，使得远程测试实验室(40)包括具有算法(32)的模拟器(30)，该算法根据由完全或部分模拟测量值(7，7′)和来自控制系统(2)的控制信号(13，13′)代表的初始状态，来模拟船舶的状态。
根据本发明优选实施例，通信线路(6)用于发送来自远程测试实验室(40)的一个或多个模拟传感器信号(7′)，并进一步与远程测试实验室(40)上的第一实时接口(6a)连接或断开连接。同样，通信线路(6)可与船舶(4)上的第二实时接口(6b)连接或断开连接，其中，第二实时接口通过开关(15a)连接到通往控制系统(2)的信号线(11)。
根据本发明优选实施例，模拟命令输入装置(10′)通过实时接口(6a)、通信线路(6)和实时接口(6b)，将模拟命令信号(9′)从远程测试实验室(40)发送到控制系统(2)。
可以配置该系统，使得可以通过通信线路(6)从远程测试实验室修改、校准或替换控制系统(2)中的所有或部分算法(31)。根据本发明，测试实验室包括一个数据记录器(15)，用于记录来自控制系统(2)的、对测量结果(7，7′)的响应(13′，19′)。
控制系统的测试方法描述
在船舶(4)控制系统(2)的测试方法中使用上述系统。该控制系统(2)包括用发给一个或多个致动器(3)的控制信号(13)来控制和监视该船舶(4)。
根据本发明的方法包括以下步骤：
-在到控制系统(2)的第一传感器信号线(12)上，实时地获取从一个或多个传感器(8)到控制系统(2)的传感器信号(7)；
-在到控制系统(2)的第二信号线或命令信号线(11)上，获取从命令输入装置(10)到控制系统(2)的命令信号(9)；
-在控制系统(2)内的控制算法(31)中，根据一个或多个所获取的传感器信号(7)、命令信号(9)和船舶的动力参数(5)，计算控制信号(13)，并通过第三信号线(14)将控制信号(13)发送给致动器(3)；
-本发明的新颖之处包括：将来自一个或多个传感器(8)的一个或多个传感器信号(7)或来自命令输入装置(10)的命令信号(9)断开连接，以使得所选中的传感器信号(7)或命令输入(9)无法到达控制系统(2)，并同时用相应的模拟传感器信号(7′)或命令信号(9′)取代一个或多个断开连接的传感器信号或命令信号(9)，所述相应的模拟传感器信号(7′)或命令信号(9′)是相对于该船舶(4)的远程测试实验室中产生的；通过一条或多条信号线(12，14)，在通信线路(6)上将该模拟信号(7′，9′)从远程测试实验室发送到控制系统(2)；
-在控制系统(2)中，按常规方式，根据真实和/或模拟传感器信号(7a或7a′，7b或7b，7c或7c，…)或命令信号(9a或9a，9b或9b，9c或9c，…)，继续计算控制信号(13，13′)；
-然后，在通信线路(6)上，将控制系统产生的控制信号(13′)发送给远程测试实验室(40)。
根据本方法优选实施例，该方法包括：在测试实验室(40)的模拟器(30)中，根据控制信号(13′)，使用算法(32)，模拟船舶模型(4′)的新动力状态。这样，可以从远程测试实验室(40)执行对船上控制系统(2)的测试，而不管该船舶处于世界上哪个位置。该模拟算法必须考虑使用通信线路(6)带来的时间延迟。
根据本发明的方法，测试控制系统中涉及的远程测试实验室(40)可位于陆地上，而被测试船舶(4a，4b，4c，…)与测试实验室相距很远，通常为1到20000公里，并且，被测试船舶在附近港口中、在远距离港口中、在船坞中或在院子内、在停锚处或在远海。
当对控制系统的测试完成时，将船舶与远程实验室之间的通信线路断开连接，到控制系统的常规传感器信号和常规命令信号重新连接，从控制系统到致动器的控制信号重新连接，以使船舶控制系统正常操作。
根据本发明优选实施例，传感器信号(7)包括来自传感器(8)的下列传感器参数中的一个或多个：
-来自诸如GPS接收机(8a)、水底传音位置传感器(8h)、集成加速度传感器等之类的位置传感器(8a)的所述船舶(4)的位置(7a)
-来自诸如回转罗盘或其它罗盘之类的航线传感器(8b)的航线(7b)；
-来自速度传感器(8c)或集成加速度传感器的速度(7c)；
-来自风速计(8d，8e)的风速(7d)和风向(7e)；
-来自滚转角传感器(8f)的滚转角(7f)；
-来自俯仰角传感器(8g)的俯仰角(7g)。
根据本发明优选实施例，控制信号包括用于一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴速形式的或用于方向舵(18)或推进器(17)以及其他可能控制装置的角度(13c)形式的信号(13a，13b，13c)，以获得一个或多个预期位置(9a)、航线(9b)、速度(9c)。
该方法可用于计算发给一个或多个螺旋桨(16a，16b，16c，…)的控制信号，控制装置(18)可以包括一个或多个方向舵(18a，18b)，并且它可以包括一个或多个推进器(17)。
命令输入装置(10)至少包括一个位置指定装置(10a)、一个方向盘轮(10b)、一个速度指定装置(10c)、或一个用于指定预期滚转角、俯仰角、升降补偿等的装置(10x)，它们提供一个或多个预期位置(9a)、航线(9b)、速度(9c)或诸如预期滚转角、俯仰角、升降补偿等其他预期状态(9x)的一个命令信号(9)。
根据本发明优选实施例，该方法包括：远程测试实验室(40)用于根据测试中的模拟传感器信号(7′)和可能剩余的真实传感器信号(7)、模拟命令信号(9′)和可能剩余的真实命令信号(9)，验证控制系统提供将导致船舶预期状态的控制信号(13，13′)，并基于该测试，证明控制系统合格。
船舶的动力参数(5)包括船舶的质量(m)、惯性轴力矩、质量分布、描述船体几何形状的船体参数，下面还将对此进行描述。可以通过信号线(12)上的开关(15a)，将从传感器(8)到控制系统(2)的传感器信号(7)断开连接。可以通过信号线(11)上的开关(15b)，将从命令输入装置(10)到控制系统(2)的命令信号(9)断开连接。
根据本发明方法的根据实施例，可以在模拟部件损坏时，通过将一个或多个选中的传感器信号(7)或命令信号(9)断开连接，测试故障情形，并且，将控制系统(2)的响应以控制信号(13，13′)和状态信号(19，19′)的形式，记录在测试实验室(40)的记录器(15)内。
也可以通过改变测量结果或在选中的传感器信号(7′)中产生干扰、或者对从远程测试实验室(40)发送到船(4)内控制系统(2)的测量结果产生诸如气候、风、电噪声之类的外部干扰，测试故障情形，并且，将控制系统(2)的响应以控制信号(13，13′)和状态信号(19，19′)的形式，记录在测试实验室(40)的记录器(15)中。
根据本发明方法的优选实施例，可在通信线路(6)上从测试实验室(40)发送用于船舶(4)控制系统(2)的新软件。
执行根据本发明的方法后，测试实验室(4)可以证明控制系统(2)用于船舶(4)的常规操作合格，其中，根据对控制系统(2)的测试与测试结果，测试实验室(4)可以验收控制系统(2)。
根据本发明提出的远程测试方法的优点之一在于，测试软件具有更大的灵活性，并且，控制系统(2)完全处于模拟故障情形和模拟更广气候下，而不是传统的测试和验证的情况。同时，避免了以前测试船舶控制系统所使用方法的缺点和局限性，即旅行距离、耗时的旅行、旅行的高成本、测试装置的装配时间等。使用所提出的本发明，可以较以前用更少的操作人员来测试和验证更多的船舶。
钻探船舶上控制系统的测试例子
本发明可用于测试上述控制系统是否确实以安全和可靠的方式工作。可以想象下面的例子：希望测试图7所示的钻探船舶(4)中的控制系统。可在测试前结束钻探，从而使得测试环境下由于模拟动态定位钻探的潜在位置错误不会产生负面影响。钻探船舶(4)包括与图4a、b和c所述对应的控制系统(2)，并且如图所示，该控制系统同样通过实时接口(6b)、通信线路(6)、实时接口(6a)连接到远程测试实验室(4)。该控制系统(2)包括用诸如螺旋桨(16a，16b，16c，…)或推进器(17)之类的推进装置、诸如方向舵之类(18)的控制装置、形式为隧道推进器和方位推进器的推进器(17)，对钻探船舶(4)进行控制和监视。该推进器(17)既可作为推进装置(16)，也可作为控制装置(18)。在模拟的钻探下，希望钻探船舶(4)处于一个静止位置(9a)，位置偏差尽可能地小，航线(7b)和速度(7c)只补偿对风、浪和水流有影响的形式的天气。与公知方法一致的动态定位方法包括以下顺序执行的步骤：
*控制系统(2)实时地获取来自一个或多个传感器参数的传感器数据(7)，例如来自诸如DGPS接收机之类的位置传感器(8a)的船舶测量位置，以及来自诸如回转罗盘之类的航线传感器(8b)的航线等；
*控制系统(2)接收来自诸如所谓游戏杆操纵台之类的命令输入装置(10)的命令信号，该命令输入装置至少包括一个位置指定装置(10a)、一个船轮(10b)、一个速度指定装置(10c)；它们给出图7所示的一个或多个预期位置(9a)、以方向舵或推进器角度形式的预期路线(9b)、以螺旋桨(16)和推进器(17)轴速形式的预期速度(9c)的信号；
*传感器(8)通过第一传感器信号线(12)，将传感器信号(7)发送到控制系统(2)；
*命令输入装置(10)通过第二信号线或命令信号线(11)，将命令信号(9)发送到控制系统(2)；
*然后，控制系统(2)根据一个或多个所获取的传感器信号(7a，7b，7c，…)和命令信号(9a，9b，9c，…)以及可能诸如质量(m)、船舶惯性轴力距(M1，M2，…)之类的所需动力参数的集合，顺序地计算螺旋桨所需(16)的轴速(13c)以及方向舵(18)和可能其他控制装置所需的角度，以维持和恢复一个或多个预期位置(9a)、航线(9b)、速度(9c)等；
*然后，控制系统通过第三信号线(14)，从控制系统(2)发送包括所需轴速(13b)的控制信号，以控制螺旋桨(16)和/或推进器(17)的轴速(13a)以及控制方向舵(18)和/或推进器(17)的角度(13c)。
本发明的新颖之处可通过以下步骤实现：
*使用信号线(12)上的旋钮或开关(15a)，将来自一个或多个传感器(8)的一个或多个传感器信号(7)从控制系统(2)断开连接；以及/或者，使用信号线(11)上的开关(15b)，将来自控制输入装置(10)的一个或多个命令信号(9)从控制系统(2)断开连接；
*通过隔断一条或多条信号线(12，14)，用诸如模拟的测量位置(7a′)或航线(7b′)之类的相应模拟传感器信号(7′)或诸如模拟的预期位置(9a′)或航线(9b′)之类的相应模拟命令信号(9′)替代诸如测量位置(7a)或航线(7b)之类的一个或多个断开连接的传感器信号(9)或诸如预期位置(9a)或路线(9b)之类的一个或多个断开连接的命令信号(9)；其中，在相对于船舶(4)的远程测试实验室(40)中产生模拟传感器和命令信号(7，9)，并通过通信线路(6)、开关(15a，15b)中一个或两个、一条或多条信号线(12，14)进行发送，这种情况下，可以隔断来自DGPS接收器(8a)的传感器信号(7a)，将其替换为一个与船舶(4)实际所处位置相距特定距离的新的、错误的、偏离的位置；
*然后，控制系统根据输入的和/或模拟的传感器信号(7a或7a′，7b或7b′，7c或7c′，…)和命令信号或模拟的命令信号(9a或9a′，9b或9b′，9c或9c′，…)以及所需船舶参数(5)，顺序地继续计算螺旋桨(16)所需的轴速(13b)以及方向舵(18)和其他控制装置所需的角度(13)，从而获得预期位置、航线、速度等中至少之一。可以通过第三开关(15c)断开或隔断所计算出的响应，即从控制系统(2)到致动器(3)的所谓控制信号，例如用于控制螺旋桨(16)和方向舵(18)的角度(13c)的控制信号(13a)，以使得在测试过程中控制信号(13)不能控制螺旋桨(16)或方向舵(18)，而是经由通信线路(16)发送到远程实验室(40)。
因此，可以将控制系统(2)视为一个“黑盒子”(2)，其中，在发给“黑盒子”(2)的至少一个传感器信号(7)中模拟变化，并且，“黑盒子”(2)用控制信号(13)作出响应。对于引言中提到的钻探船舶(4)的情况，其中DGPS信号中有错误，将要经历的情况是：5分钟后，该控制系统将突然试图控制船螺旋桨、推进器与方向舵，以将船舶移动到该控制系统突然认为正确的一个新位置，因为该错误已被认为稳定并错误了5分钟。
船舶运动以及对该运动的模拟
如图5所示，对于在滑脱、摇摆和偏航中的船舶速度，用质量中心位置以及滚转、俯仰和偏航角度来表示船舶(4)的运动。船舶将受到影响该船舶运动的力和力矩的作用。这些力和力矩是由于来自以下的激励所导致的：风、水流和浪；使用诸如螺旋桨(16)、推进器(17)和方向舵(18)之类的致动器；滚转角、俯仰角和升降位置导致的弹力运动对应的流体静力；与船舶速度和加速度相关的流体动力。作用在船舶(4)上的力和力矩取决于船舶的运动，而船舶运动可视为力和力矩作用在该船舶上的结果。对于一个船舶或船只，船体的几何形状、质量和质量分布是已知的。此外，船只的水力参数的估计值是可知的。当给定船舶运动时，作用在船只上力和力矩可在模拟器(30)内计算出来，例如使用算法(32)。然后，可以根据牛顿和欧拉定律，从船舶运动方程中计算出船舶的加速度和角加速度。这样的运动方程在教科书中有描述。在运动方程中，出现以下参数：
-船舶质量；
-质量中心位置；
-浮力中心位置；
-船舶的惯性力矩；
-船体的几何形状，包括长度、横梁和吃水深度(draft)；
-水力增加的质量；
-水力潜在阻尼(damping)；
-粘滞阻尼；
-由于俯仰、滚转和升降运动造成的船体上的恢复力和力矩的相关参数；
-与船体合力和合力矩相关的波浪分量(components)的幅度、频率和方向参数；
-此外，运动方程包括以下数学模型：来自螺旋桨(16)的致动力是螺旋桨速度和俯仰的函数；来自方向舵(18)的致动力是方向舵角度和船舶速度的函数；来自推进器(17)的致动力是推进器速度和方向的函数。
下列过程可用于计算船舶(4，4′)在时间段T0到TN内的运动：
假设在初始时间点T0给定船舶运动，并在该时间点计算力和力矩。那么，时间T0的船舶加速度和角加速度可通过船舶(4，4′)的运动方程计算。然后，用数值积分算法计算在时间T1＝T0+h的船舶运动，其中，h是该积分算法中的时间步长。对于船舶来说，时间步长h通常在0.1-1秒范围内。当计算出在时间T1时船(4，4′)的运动时，可以计算出时间T1时的力和力矩，并且，根据运动方程，得到T1时的加速度和角加速度。使用数值积分，再次计算在时间T2＝T1+h时的船舶运动。可以在每个时间点TK＝T0+h*K重复该过程，直至到达时间TN为止。
作用在船舶上的波浪被描述为波浪分量的总和，其中，一个波浪分量是具有给定频率、幅度和方向的正弦长峰(long-crested)波。对于海洋上特定的位置，波浪分量的幅度和频率的主要(prevalent)分布可通过诸如JONSWAP或ITTC谱的给定波谱得到，其中，波谱的强度用有效波高来表示。船舶上的合力和合力矩是波浪幅度、频率和方向以及船舶速度和航线的函数。来自风的力和力矩用风速、风向、船舶速度和船高出海面的投影面积表示，作为船舶航线相对于风向的函数。来自水流的力和力矩用水流速度、水流方向、船体在海面下的投影面积以及船舶速度和航线相对于水流方向表示。
动态定位-DP
在动态定位(所谓的DP)中，船舶(4)在三个自由度(DOF)中是受控的。在X、Y和航线中的预期位置由操作员使用操作台(10)上的键盘、滚球、鼠标或游戏杆的输入给出。控制系统(2)用于计算在滑脱和摆动方向的致动力以及关于偏航轴的致动力矩，以使得船舶获得预期位置和航线。控制系统(2)也包括致动器分配，其涉及计算所命令的致动器力和力矩对应的螺旋桨力、方向舵力和推进器力。通过运行船舶(4)上的计算机上的算法，实现控制系统(2)。该算法(31)将预期位置(9a)和航线(9b)与测量的位置和航线(7a，7b)进行比较，并且，基于此，该该算法使用教科书中的控制论，计算所需的力和力矩。此外，该算法包括一个分配模块，其中，计算螺旋桨力、方向舵力和推进器力。用其中将转发器系在海底的DGPS传感器、回转罗盘、水底传音传感器系统和其中测量固定在海底张紧线的倾斜程度的张紧线测量位置和航线。
部件：
1：-
2：控制系统
3：致动器(螺旋桨16、推进器17、方向舵18)
4：船舶、船只、钻探船、钻探平台、生产平台或越海船舶
4′：模拟器(30)或模拟器算法(32)中的模拟船舶、船舶模型
5：船舶动力参数；5a：质量m；5b、5c：质量中心位置；5c、5d、
5e：关于船轴的惯性力矩、质量分布、船体参数等
6：通信线路，包括远程测试实验室中的第一实时接口(6a)、第一船舶4a上的第二实时接口(6b)、第二船舶(4b)上的第二实时接口(6c)等
7：来自传感器(8)的传感器信号；7a：位置；7b：航线；7c：速度；
7d：风速(相对的)；7e：风向(相对的)；7f：俯仰角；7g：滚转角；7h：相对于海底收发器的水底传音(相对)位置；8i：GPS/惯性位置和航线
8：传感器；8a：位置传感器；8b：(回转)罗盘；8c：速度传感器；
8d：风速传感器；8e：风向传感器；8f：俯仰传感器；8g：滚转传感器；8h：水底传音位置传感器；8i：“Seapath 200”GPS/惯性位置和航线
9：来自命令输入装置(10)的命令信号；9a：预期位置；9b：预期航线；9c：预期速度；等等
10：命令输入装置，用于指定预期位置9a的位置指定装置10a，用于指定预期路线9b的船轮10b，用于指定预期速度的速度指定装置10c，等等
11：用于将命令信号(9)发送到控制系统(2)的一条或多条命令信号线或一条通信总线
12：用于将传感器信号(7)发送到控制系统(2)的一条或多条传感器信号线或一条通信总线
13：控制信号，包括用于螺旋桨(16)和推进器(17)的轴速(13a，13b)以及用于方向舵(18)或推进器(17)的角度(13c)
13′：发送给远程测试实验室(40)的控制信号
14：从控制系统(2)到致动器(3)(16，17，18)的一条或多条第三信号线路或一条通信总线
15：数据记录器
16：螺旋桨(16)
17：推进器(17)
18：方向舵(18)(合称为“致动器”(3))
19：状态信号
30：远程测试实验室(40)中的船舶模拟器
31：控制算法(31)，用于根据传感器信号(7)、命令信号(9)和船舶(4)动力参数(5)，计算发给船舶致动器(16，17，18)的控制信号(13)，并通过信号线路(14)将控制信号发送到诸如螺旋桨(16)、推进器(17)或方向舵(18)之类的致动器(3)
32：船舶模拟器(30)中的算法，用于根据模拟的传感器信号(7)、船舶参数(5)、模拟的风速和风向、模拟的波浪高度和方向、模拟的水流速度和方向等以及船上致动器(3)的力，计算船舶动态运动
40：远程测试实验室
Claims (30)
1、一种用于测试船舶(4)中的控制系统(2)的方法，其中，所述控制系统(2)包括用发给一个或多个致动器(3)的控制信号(13)来控制和监视所述船舶(4)，所述方法包括以下顺序步骤：*通过到所述控制系统(2)的第一传感器信号线(12)，实时地获取从一个或多个传感器(8)到所述控制系统(2)的传感器信号(7)；*通过到所述控制系统(2)的第二信号线或命令信号线(11)，获取从命令输入装置(10)到所述控制系统(2)的命令信号(9)；*在所述控制系统(2)内的控制算法(31)中，根据一个或多个所述传感器信号(7)和所述命令信号(9)，计算所述控制信号(13)，并通过第三信号线(14)，将所述控制信号(13)发送给所述致动器(3)；
其特征在于：
*将来自一个或多个所述传感器(8)的一个或多个所述传感器信号(7)或来自所述控制输入装置(10)的所述命令信号(9)断开连接，以使得所选择的传感器信号(7)或命令信号(9)不流向所述控制系统(2)，并且，用相应的模拟传感器信号(7′)或模拟命令信号(9′)取代一个或多个所述断开连接的传感器信号(7)或所述命令信号(9)，所述模拟传感器信号(7′)或模拟命令信号(9′)是在相对于所述船舶(4)的远程测试实验室(40)内产生的并通过一条或多条所述信号线(12，14)、通过通信线路(6)被发送给所述控制系统(2)；
*在所述控制系统(2)中，根据所述真实和/或所述模拟传感器信号(7a或7a′，7b或7b′，7c或7c′，…)或所述真实和/或所述命令信号(9a或9a′，9b或9b′，9c或9c′，…)，继续计算控制信号(13′)；以及
*通过所述通信线路(6)，将所述控制信号(13′)发送给所述远程测试实验室(40)。
2、如权利要求1所述的方法，包括：在所述测试实验室(40)内的模拟器(30)中，使用算法(32)，根据所述控制信号(13′)，模拟船舶模型(4′)的新动力状态。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述传感器信号(7)包括一个或多个来自所述传感器(8)的下列传感器参数：
-来自诸如GPS接收机(8a)、水底传音位置传感器(8h)、集成加速度传感器等之类的位置传感器(8a)的所述船舶(4)的位置(7a)；
-来自诸如回转罗盘或其它罗盘之类的航线传感器(8b)的航线(7b)；
-来自速度传感器(8c)或集成加速度传感器的速度(7c)；
-来自风速计(8d，8e)的风速(7d)和风向(7e)；
-来自滚转角传感器(8f)的滚转角(7f)；
-来自俯仰角传感器(8g)的俯仰角(7g)。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述控制信号(13)包含用于一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴速(13a，13b)形式的或用于方向舵(18)或推进器(17)以及可能其他控制装置的角度(13c)形式的信号(13a，13b，13c)，以获得一个或多个预期位置(9a)、航线(9b)、速度(9c)。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述螺旋桨(16)包括一个或多个螺旋桨(16a，16b，16c，…)。
6、如权利要求1所述的方法，其中，所述控制装置(18)包括一个或多个方向舵(18a，18b)。
7、如权利要求1所述的方法，其中，所述控制装置(18)包括一个或多个推进器(17)。
8、如权利要求1所述的方法，其中，所述命令输入装置(10)至少包括一个位置指定装置(10a)、一个舵轮(10b)、一个速度指定装置(10c)或一个用来指定预期滚转角、俯仰角、升降补偿等的装置(10x)，所述命令输入装置(10)给出一个或多个预期位置(9a)、预期航线(9b)和预期速度(9c)或诸如预期滚转角、俯仰角、升降补偿等之类的其他预期变量(9x)的命令信号。
9、如权利要求1所述的方法，其中，所述远程测试实验室(40)用于验证来自所述控制系统中(2)的、基于测试中所述模拟传感器信号(7′)和所述模拟命令信号(9′)以及可能的剩余真实传感器信号(7)和剩余真实命令信号(9)的所述控制信号(13，13′)使得所述控制信号(13，13)将导致所述船舶(4)的预期状态，并且基于此证明所述控制系统(2)合格。
10、如权利要求1所述的方法，其中，所述控制系统(2)的所述控制算法(31)中的计算使用该船舶的动力参数(5)，包括该船舶的质量(m)、惯性轴力矩、该船舶的质量分布以及确定该船体几何结构的船体几何参数。
11、如权利要求1所述的方法，其中，通过所述信号线(12)上的开关(15a)，断开从所述传感器(8)到所述控制系统(2)的所述传感器信号(7)。
12、如权利要求1所述的方法，其中，通过所述信号线(11)上的开关(15b)，断开从所述命令输入装置(10)到所述控制系统(2)的所述命令信号(8)。
13、如权利要求1所述的方法，其中，所述远程测试实验室(40)位于陆地上，并且，所述被测试船舶(4a，4b，4c，…)位于与所述测试实验室(40)通常1到20000公里的很远距离，并且，所测试船舶停泊在港口、船坞或院子中，或在远海。
14、如权利要求1所述的方法，其中，在模拟部件损坏时，通过断开所述传感器信号(7)或所述命令信号(9)的一个或多个所选择信号，测试故障情形，并且，将所述控制系统的响应以所述控制信号(13，13′)和状态信号(19，19′)的形式，记录在所述远程测试实验室(40)中的记录器(15)上。
15、如权利要求1所述的方法，其中，通过改变或产生所选择的所述模拟传感器信号(7′)中的干扰，或通过对从所述远程测试实验室(40)发送到所述船舶(4)中的所述控制系统(2)的所述模拟传感器信号(7′)产生诸如天气、风、电噪音之类的外部干扰，测试故障情形，并且，将所述控制系统(2)的响应以所述控制信号(13，13′)和所述状态信号(19，19′)的形式，记录在所述远程测试实验室(40)的记录器(15)上。
16、如权利要求1所述的方法，其中，从所述远程测试实验室(40)通过所述通信线路(6)发送用于所述船舶(4)上的所述控制系统(2)的新软件。
17、如权利要求1所述的方法，其中，根据对所述控制系统(2)的测试和测试结果，所述远程测试实验室(40)用于验收所述控制系统(2)并证明所述控制系统(2)在所述船舶(4)中的常规使用合格。
18、一种用于测试船舶(4)中的控制系统(2)的系统，所述控制系统(2)用于控制和监视所述船舶(4)，包括以下特征：
*所述船舶(4)上的一个或多个传感器(8)通过信号线(12)向所述控制系统(2)发送一个或多个传感器信号(7)；
*所述船舶(4)上的命令输入装置(10)通过命令信号线(11)向所述控制系统(2)发送一个或多个预期位置、路线、速度(9)等；
*所述控制系统(2)中的算法(31)根据所述传感器信号(7)、所述命令信号(9)，计算发送给船舶致动器(3)的控制信号(13)，并通过信号线(14)向所述致动器(3)发送所述控制信号(13)；
其特征在于：
*一条或多条通信线路(6)，用于从远程测试实验室(40)向所述控制系统(2)发送一个或多个模拟传感器信号(7′)和/或模拟命令信号(9′)；
*包括算法(32)的模拟器(30)，用于根据所述船舶(4′)的以前状态(7，7′)、所述控制信号(13，13′)和动力参数(5)，模拟船舶模型(4′)的新传感器信号(7′)；
*其中，所述通信线路(6)将所述船舶模型(4′)的所述新模拟传感器信号(7′)回送给所述控制系统(2)，并且，在所述控制系统(2)中，根据所述传感器信号(7，7′)的真实和/或模拟值或所述命令信号(9，9′)的真实和/或模拟值，继续计算所述控制信号(13)，以获得所述预期位置、航线、速度等中至少之一；以及
*其中，所述通信线路(6)将来自所述控制系统(2)的响应以所述控制信号(13)的形式，作为控制信号(13′)，发送到所述远程测试实验室(40)。
19、如权利要求18所述的系统，包括开关(15a)，用于断开从所述信号线(12)到所述控制系统(2)的一个或多个所述传感器信号(7)。
20、如权利要求18所述的系统，包括第二开关(15b)，用于断开从所述命令信号线(11)到所述控制系统(2)的一个或多个所述命令信号(10)。
21、如权利要求18所述的系统，包括第三开关(15c)，用于断开从所述信号线(14)到所述控制系统(2)的一个或多个所述控制信号(13)。
22、如权利要求18所述的系统，其中，所述船舶(4)的所述动力参数(5)输入所述控制系统(2)的所述算法(31)中，以计算发给所述致动器(3)的所述控制信号(13)。
23、如权利要求18所述的系统，其中，所述远程测试实验室(40)具有模拟器(30)。
24、如权利要求18所述的系统，其中，用于发送来自所述远程测试实验室(40)的一个或多个所述模拟传感器信号(7′)的所述通信线路(6)连接到所述远程测试实验室(40)上的第一实时接口(6a)以及从所述远程测试实验室(40)上的第一实时接口(6a)断开连接。
25、如权利要求18所述的系统，其中，所述通信线路(6)连接所述船舶(4)上的第二实时接口(6b)以及从所述船舶(4)上的第二实时接口(6b)断开连接，并且，所述第二实时接口(6b)通过所述开关(15a)连接所述信号线(11)到所述控制系统(2)。
26、如权利要求18所述的系统，包括模拟命令输入装置(10′)，用于将所述模拟命令信号(9′)从所述远程测试实验室(40)，通过所述实时接口(6a)和所述通信线路(6)以及所述实时接口(6b)，发送到所述控制系统(2)。
27、如权利要求18所述的系统，其中，从所述远程测试实验室(40)通过所述通信线路(6)修改、校准或替换所述控制系统(2)中的所述算法的全部或部分。
28、如权利要求18所述的系统，其中，所述控制信号(13)包括以用于一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴速(13a，13b)形式的或用于方向舵(18)或推进器(17)或其他可能控制装置的角度(13c)形式的信号(13a，13b，13c)。
29、如权利要求18所述的系统，其中，所述传感器(8)包括以下中的一个或多个：
-位置传感器(8a)，用于确定所述船舶(4)的位置(7a)，如GPS接收机(8a)、水底传音位置传感器(8h)、集成加速传感器等；
-航线传感器(8b)，用于确定所述船舶(4)的航线，例如回转罗盘或其他罗盘；
-速度传感器(8c)或集成加速传感器，用于确定所述船舶(4)的速度(7c)；
-风速计(8d，8e)，用于提供(相对的)风速(7d)和风向(7e)；
-滚转角传感器(8f)，用于提供滚转角(7f)；
-俯仰角传感器(8g)，用于提供俯仰角(7g)。
30、如权利要求18所述的系统，其中，所述远程测试实验室(40)包括数据记录器(15)，用于将来自所述控制系统(2)、对所述传感器信号(7，7′)的响应，以所述控制信号和状态信号(13′，19′)形式进行记录。
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Granted publication date: 20090128 Termination date: 20181230 |
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