CN1914087A - 用于测试海上船舶的控制系统的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于检验船舶(4)的控制系统(2)的方法，其中所述控制系统(2)在其工作状态下接收来自传感器(8)的传感器信号(7)和来自命令输入设备(10)的命令信号(9)，并且作为响应，所述控制系统(2)提供控制信号(13)到致动器(3)，以便维持所述船舶(4)的预期位置、速度、航向或其它状态，其特征在于下列步骤：在第一时刻(t0)，断开一个或多个实际的传感器信号(7a，7b，7c，......)的接收，并且用来自测试信号源(41)的模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′......)的测试序列(T0)代替所述实际的传感器信号；让所述控制系统(2)基于模拟的传感器信号(7，7′)工作，以便产生控制信号(13′)，将所述控制信号(13′)作为对所述第一时刻(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应(S0)记录在控制信号记录器(42)上，并将对测试序列(T0)的响应(S0)存储为控制系统(2)的“特征”响应(S0)；所述方法具有下列目的：在随后的时刻(t1，t2，t3，......)，使用测试序列(T0)输入到控制系统(2)，并记录随后的响应(S1，S2，S3，......)，并确定所述随后的响应是否类似于特征响应(S0)，以检验所述控制系统(2)是否已变化。
Description
技术领域
本发明涉及用于通过由船级社测试和/或鉴定而对海上船舶进行验收后，获得可检验的控制系统特征(signature)的系统。此外，本发明涉及船舶的远程测试，以及这两种方法的组合，即控制系统特征的远程获取。此外，本发明提供了用于远程控制测试和船舶模拟的系统。
控制系统通常能够认为是为物理过程提供控制信号，并从设备或物理过程中或可能从其它的物理过程接收测量数据的系统。测量数据和算法用于计算控制信号，从而使得所述物理系统根据需要产生响应。如果物理过程是机动船舶，那么控制系统可以接收以船舶位置、航向和速度形式的测量数据，并且由此能够计算螺旋桨和舵的控制信号，从而获得或维持船舶位置、航向和速度中的一个或多个。
背景技术
物理过程，在此情况下其形式是船舶，可能受到外部事件的影响，如风、浪和水流的变化，或者受到意外事件的影响，如一个或多个螺旋桨的动力丧失，或者是舵出现功能故障。所期望并且预想是，船舶的控制系统能够处理外部影响和外部事件，以便使得所述船舶能够保持安全状态。安全状态可以例如是船舶保持预期位置或速度，或是其避免不希望的位置(以避免碰撞或搁浅)，避免失控的漂移状态，维持预期航向等等。此外，可以预想的是，当失去传感器信号或传感器出现错误时，控制系统不应该作出不希望有的和不合适的补偿，如响应于滚转或俯仰传感器的实际信号的丢失，压舱泵水的急剧变化，或对位置的明显错误进行突然修正。
发往控制系统的测量数据
图1和图3示出了船舶的控制系统，其输入来自于给出测量数据的仪器，其输出是到致动器(如推进设备)、控制面以及其它需要提供控制信号的控制设备。这类控制系统可以从多个信号源接收以传感器信号形式的测量数据，所述多个信号源为：
-横摆/俯仰/升沉传感器，
-用于测量相对风速和风向的风速仪，
-陀螺仪，
-全球定位系统(GPS)传感器或GPS定位系统，
-惯性导航系统，其基于加速度测量数据，通过在时间上进行积分从而计算出速度，通过在时间上进行两次积分从而计算出位置，
-与海底固定点有关的水声位置传感器，
-拉索系统，其中对从船舶到海底的点的一个或多个拉紧的绳索的方向和长度进行观测，
-命令信号，其用于改变船舶的航向或预期航向、预期位置或预期速度，
-轴转速以及螺旋桨和发动机上的负荷，
-舵角度传感器，
-填料贮槽的液面传感器，
-压舱液面传感器，
-油位传感器，
-引擎状态，冷却水温度，冷却水阀，润滑油压力和液位，等等。
控制系统将控制信号输出到致动器(如推进器)、控制面及其它控制设备。推进器可以是普通的螺旋桨、轴隧推进器(tunnelthrushter)、方位角推进器(azimuth thrushter)和喷水式推进器，并且对于一些船舶来说，推进器也可以是系泊系统，该系泊系统将船舶拖至正确位置。控制面包括用于驾驶的舵和用于阻尼或抑制波浪运动的主动翼。控制信号还可以发往给其它控制设备，如压舱泵和相关的阀，以修正滚转角度或俯仰角度。
与动态定位(DP)有关的问题
如果所述船舶是石油钻井船舶或采油船舶，例如钻井船或钻井平台，采油船或采油平台，控制系统也可从升降加速计接收升沉运动的测量数据，并且输出控制信号到用于立管、钻柱、起重机等等的升沉补偿系统。这里，机械设备可以连接至海底，并且其对于补偿船舶的运动来说是很重要的，特别是升沉。对于海上石油开采活动来说，控制系统的正常使用是对船舶进行动态定位，即，在钻探期间，或在石油开采期间，船舶使用致动器(例如方位角推进器)保持预期位置。系泊的、并且可绕着具有到海底的泊船绳索的转台旋转的船舶还能够具有控制系统，当船舶由于风向或水流变化而发生旋转时，所述控制系统输出持续变化的控制信号到螺旋桨或推进器，以辅助将船舶保持在预期位置，从而使得推进器提供动力，以在所述动力改变方向时补偿锚索张力的变化。同样地，可以设想的是，基于同样的理由，控制系统可以发出控制信号，以增加或减少泊船绳索的张力。
与船舶控制系统测试有关的问题
船舶检查员可以巡视船舶，并对控制系统进行现场测试。可以通过断开或连接传感器系统，并监控所述系统在不同故障情况下的响应来进行现场检测。然而，为了在预期的状况中对船舶进行完全真实的测试，就必须等待或寻找所期望的天气情况和海面状态，但是这些情况很少发生，或者如果发生某些错误时，需要等待或引发所期望的情况，但是，如果偶然发生或引起这种情况，所出现的情况将是很危险的。为了测试控制系统是否输出用于对错误进行正确补偿的控制信号时，几乎不将船舶暴露极端情况中(如压舱分布方面的严重误差)作为可选方案。通常不会采用这类测试。
可以模拟发往船载控制系统的传感器数据，并监控由控制系统输出到致动器(如螺旋桨、舵和推进器)的控制信号，但是这样需要控制系统与测试系统之间进行本地互连。然而，根据申请人的认识，这样的测试在本申请提交的时候还不是已知的。这样的互接和测试可以在船舶上进行，但是巡视要进行测试的船舶的缺点通常涉及船只检查员的较长的行程，船检查员必须携带用于互连到控制系统输入端以获得测量数据的设备，以及用于互连到控制系统输出端以获得采用控制信号形式的响应的设备，所述控制信号通常发送到船舶的致动器，此外还要携带至少必须包括要进行测试的实际船舶的结构的数据库。此外，从一艘要进行测试和鉴定的船舶到下一艘船舶的行程时间可能使得检查员难以以足够快的速度进行检查，使得下一艘船舶将必须要等待，如果船舶不能在没有经过测试和适当地检定的情况下投入使用，等待过程将对经济方面带来不利。这样对于使用由于没有对控制系统进行测试而未曝露出可能错误的船舶还会导致隐蔽的实际危险。
上述的结论是，有必要提供一种检验船舶控制系统是否具有与其被审定时相同的响应，以便在经过若干时间之后或者在船只的任意的基本部分进行变更之后，指示控制系统是否应该进行再次测试和再次核准。
在工厂生产控制系统时，通常对控制系统进行所谓的工厂验收测试(FAT)(包括硬件和软件)，在此，厂家将模拟传感器数据送入控制系统，并监控控制系统响应所述模拟数据而输出何种控制信号。这类FAT仅能够发现来自厂家预知的将要存在的信号源的测试数据中的错误，和控制信号只涉及厂家预知的设备的情况下的错误。因此，不会确切知道控制系统将怎样与控制系统的生产厂家不能预知的设备、系统、结构或状态相互作用。此外，在FAT中，其中将控制系统安装并连接在船舶上以进行使用的连接过程中，将不会对控制系统进行测试。
动态定位中的实际问题的实例
在对使用螺旋桨、舵或者轴隧或方位角型推进器保持在预期位置上的船舶(4)的动态定位中，以下操作是必需的：船舶将其位置保持在距预期位置非常小的半径范围内，例如2米的半径。几种事件可能是不希望发生的。船舶可能出现一个或多个螺旋桨或舵的发动机动力丧失，并且必须增加仍然工作的螺旋桨和/或推进器上的动力，并且可能旋转仍然工作的舵或推进器。船舶还可能出现控制系统丢失一些来自所连接传感器的信号的严重错误状态，从而可能发生不希望有的事件。发明人知道这样一种情况，其中，在实际情况下是钻井平台的船舶，被置于外海的一个固定位置，并且进行钻探以在海底钻出油井。通过所谓的动态定位或“DP”的方式，将钻井平台保持在预期的固定位置，即，控制系统使用位置测量数据和发动机动力将船舶保持在预期位置，而不采用连接至海底的绳索。钻井平台装备有两套DGPS接收器，所述DGPS接收器根据来自若干导航卫星的无线电信号计算船舶的地理位置。此外，钻井平台装备有两套水声位置传感器，所述水声位置传感器测量船舶相对于海底固定点处发送应答器的位置。在钻孔过程中的某一时刻，船舶具有连接至井口的立管和连接至钻井孔的钻柱，并进行钻孔，发生了某一事件，使得DGPS接收器显示出其位置上的大约75米的急剧变化，然而实际上这样的位置变化并没有发生。这样的错误可以称之为“阶跃变化”错误。水声传感器继续指示在钻井上方的预期位置处的稳定位置。控制系统继续控制螺旋桨和舵，使得基于水声传感器测量信号，钻井平台保持在正确的动态位置而不不中断。然而，出现的情况是，在5分钟后钻井平台根据当时错误的DGPS信号，突然开始偏离预期位置。这样，必须通过相关的应急方案停止钻井作业，所述应急方案包括断开立管并且切断钻柱。这种情况可能会导致油气喷出，或钻井液溢出物形成污染。这种情况还可能对船舶和船员带来危险。中断DP-钻孔后，恢复继续钻孔可能是非常昂贵的。申请人假定由DGPS接收器计算得到的位置的最初的急剧变化可能由从GPS卫星到接收器的信号传输过程中的干扰所引起，或者是由于可用卫星的数量不够所引起。DGPS信号的丢失可能已经被控制系统忽略，因为控制系统的软件中的质量条件要求这种所计算出的位置必须在前面的5分钟内是稳定的，才会被认为是真实值。这样，控制系统的设计者可能已经认识到需要避免由于错误信号而引起的不希望有的位置的急剧变化。然而，由DGPS接收器计算出的新的并且已经改变的、但稳定的错误位置在5分钟后被认为是稳定的，并且因此根据控制系统的逻辑程序认为其是可靠的，并且可能对其给予比由水声发送应答器所提供的测量数据更高的优先级。这就可以解释为什么控制系统试图控制钻井平台至控制系统已经明显将其作为预期位置的新位置，尽管事实上钻孔正在进行，并且水声传感器测量出的位置表明船舶的位置不应改变。
与船舶结构改变有关的问题
控制系统的重新编程
一个控制系统已经用于船舶之后，在很多情况下，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改变与程序算法中的传感器信号的报警极限值和可接受误差有关的数值，或是需要在控制系统中引入新的测试和功能。当软件重新编程或修改完成时，需要对控制控制系统进行测试，以观察所述改变是否确定有预期效果，并且观察是否由所述改变带来了新的、不希望有的错误。目前，对于在进行这种改变之后测试船舶上的控制系统，没有令人满意的测试设备和程序。
现有的控制系统中的修改，例如，当更换起重机时
与油气勘探和开采有关的海上作业由具有起重机的船舶完成，以将各模块安装及插入海底。这类起重机具有补偿船舶垂直运动的控制系统。处于安全临界状态的起重机的运行方式和功能在很大程度上取决于控制系统的软件的具体设计，各种起重机的软件的具体设计是不同的。已经建立了用于检测这样的起重机的机械设计的过程。与此相比，还没有确定用于测试起重机控制系统的软件的系统或方法。其原因是，除起重机的机械设计和控制系统外，起重机的响应将取决于海上状态及船舶的运动。因此，所需的对船舶上的起重机系统的详细测试将包括船舶的动态特性以及起重机的动态特性，其中前者包括船舶的相关的控制系统，后者包括起重机的控制系统。
对控制系统的传感器的修理/更换
当控制系统的传感器被更换或修改时，需要调整其报警极限值，用于限制传感器信号的可接受的变化。对于一个控制系统来说，通常具有冗余传感器系统，从而可以使用数个传感器测量相同的物理量。举例来说，船舶的位置可以通过惯性传感器、两个或者两个以上的GPS接收器和两个水声传感器系统来进行测量。采用控制系统中的算法，根据这些测量数据计算得到船舶的位置。此算法将取决于各传感器在准确度方面的特性，以及例如在位置快速变化时与准确度相对的长期稳定性的特性。由于传感器更换或修改，需要对整个传感器系统进行测试，以检查传感器新的组合是否能给出控制系统使用的可接受位置测量数据。
致动器的修理/修改/更换
更换或修改致动器后，对于所述船舶，控制系统可能给出显著不同的响应。其原因是，新的或修改过的致动器可能对船舶给出不同的控制动作，这种控制动作与控制系统开发过程中所假定的情况不同。这种情况的实例是使用推进器进行动态定位，其中当调节控制系统时，推进器的轴转速和推力之间的关系必须已知。如果推进器改变，那么推进器的轴转速和推力之间的关系可能会发生变化，就必须测试具有控制系统的船舶，以观察该系统是否根据规定运作。
因此，需要更有效地对船舶控制系统进行测试，而且，当船舶从原来的结构进行变更后也是如此，当船舶的新旧部件先前没有组合使用过时，也必须对这种新组合进行测试。
本领域的公知技术
美国专利US 6298318“用于对导航进行测试的实时IMU信号仿真方法及控制系统”描述了一种对飞机进行测试的仿真方法，其通过采用所谓的6自由度(6 DOF)飞行模拟器对运动进行仿真，并且其中通过模拟生成从所谓的惯性导航模块模拟到飞行器上的“引导、导航和控制”系统的信号。此美国专利所讨论的内容没有与钻井作业或其它形式的定点作业中船舶的动态定位相关的问题，此专利并没有提及使用起重机，已连接的水下设备的导航装置，水声定位设备的集成，与压舱有关的问题，并且没有考虑海浪的影响。正常情况下船只没有六个自由度，取而代之的是其具有三个自由度，因为升沉/滚转/和俯仰运动具有自动恢复动作，这是水面船舶所必需的特性。
美国专利US 5023791“用于飞行器飞行控制的自动测试装置”描述了一种对飞行器飞行控制系统进行测试的自动测试装置，其作为用于测试多个飞行控制系统的集成系统的部分。该自动测试装置包括具有存储器的系统控制器，所述存储器用于存储控制自动测试装置工作的编程指令，并且用于存储所得到的飞行控制系统测试数据。自动测试装置包括键盘、触摸屏和用于输入程序指令及其它相关信息至自动测试装置以及用于输出来自系统控制器的测试数据的磁带驱动器。包含在自动测试装置内、并且由系统控制器所控制的仪器生成输入到飞行器的飞行控制系统的测试信号，并且监测由飞行控制系统生成的结果测试数据信号。自动测试装置通过接口电缆连接到飞行器内的机载中央维持计算机。中央维持计算机包括非易失性存储器，所述非易失性存储器被编程以运行飞行控制系统的机上测试，并且，在测试期间，系统控制器根据编程指令控制所述非易失性存储器，以运行所述机上测试。
美国专利US 5541863“用于航空电子设备的虚拟集成软件测试台”描述了一种用于航空电子设备的虚拟集成软件测试台，其能够在主计算机上开发出航空电子设备软件，所述主计算机使用了同时作为进程运行并且由主进程进行同步的多个计算机程序。所公开的软件测试台使用独立的同步进程，允许通过在主计算机上的模拟运行而生成来自航空电子设备的信号，或者所述信号来自实际的装备，并且将实际的航空电子设备硬件输出和输入的数据总线信号实时地连接到主计算机内的它们的虚拟总线对应部分。
美国专利US 5260874“飞行器飞行仿真测试系统”描述了一种飞行器测试系统，其生成激励信号，所述激励信号仿真飞行器飞行时所收到的激励信号。所述飞行器测试系统包括多个仪器，用于产生对应数量的处理器可控仪器，所述处理器可控仪器用于产生飞行器飞行时所接收的激励信号。所述系统还包括多个仪器，它们监测飞行器的各部件对于飞行器所接收到的激励信号的响应。处理器响应来自飞行器部件的输出信号，控制激励信号产生仪器产生激励信号，所述激励信号仿真飞行器在飞行时所接收到的那些信号。所述系统因此产生一组初始激励信号，其类似于飞行器在飞行时将要面临的情况；所述系统监测飞行器对于所接收到的激励信号的响应；并且所述系统响应所接收到的激励信号，产生一组更新的激励信号到飞行器。所述系统还记录飞行器部件的输出响应的响应，从而使得负责确保飞行器工作正常的工作人员能够对其进行监控。所述系统还能够用于训练飞行员，因为在飞行仿真期间，其可用于将飞行器置于“回路中(in the loop)”。
美国专利US 6505574“一种用于起重机负荷的垂直运动补偿”描述了一种用于减少海面状态所引起的船上起重机的负荷垂直运动的方法及系统，其采用绞盘编码器、吊臂角度传感器、回旋角传感器和运动传感器，所述的所有传感器都将测量信号输送给中央处理器，所述中央处理器基于所述测量数据和来自吊车司机的命令控制起重机。
发明内容
解决上述一些问题的方案是一种用于检验船舶的控制系统的方法，其中所述控制系统在其工作状态下接收来自传感器的传感器信号和来自一个或多个命令输入设备的命令信号，并且其中所述控制系统响应所述测量数据和命令信号，向所述船舶的致动器提供控制信号，以便维持所述船舶的预期位置、速度、航向或其它状态；其中所述方法包括下列新颖步骤：
＊在第一时间(t0)，断开对到所述控制系统的一个或多个实际的传感器信号的接收，并用第一测试序列(T0)替换所述一个或多个实际的传感器信号，所述第一测试序列(T0)包括从测试信号源发送到所述控制系统的一个或多个模拟测量数据；
＊使所述控制系统基于所述实际的和/或模拟的传感器信号进行工作，以产生控制信号作为对所述第一时间(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应，并将所述控制信号作为所述控制系统(2)的控制信号记录在控制信号记录器(42)上；
＊将所述控制系统的(2)对于所述第一时刻(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应，存储为所述控制系统的(2)“特征”响应(S0)；
所述方法具有这样的目的：在后面的时刻(t1，t2，t3，......)，使用相同的给定的测试序列(T0)输入到所述控制系统(2)，并且记录来自所述控制系统(2)的随后的响应(S1，S2，S3，......)，并且确定所述随后的响应(S1，S2，S3，......)是否大致类似于所述特征响应(S0)，以检验所述控制系统(2)未发生改变，或者是确定所述随后的响应(S1，S2，S3，......)是否与所述特征响应(S0)有着显著不同，以指示所述控制系统(2)已经发生改变。
本发明的方法的其它步骤记载在独立权利要求中。
附图说明
本发明在图1至图10的附图中示出。附图是用来说明本发明的，而不应该认为是限制本发明的，本发明仅由所附权利要求限定。
图1示出了具有控制系统的船舶。所述控制系统接收位置、航向，速度的测量数据，及其它来自导航仪器及其它仪器的其它测量数据，并且接收来自位置指定设备、控制系统的控制面板、速度指定设备以及螺旋桨或也可能是推进器的速度或轴转速指定设备的命令。控制系统还可以接收来自风速计的相对风向和相对风速的测量数据，并且控制系统能够接收或计算有关海面状态的信息，即，浪高、滚转周期、俯仰情况等。控制系统能够顺序地输出轴速度到螺旋桨，输出角度到舵，从而获得预期位置、航向和速度。
图2示出控制系统在制造后的工厂验收测试，“FAT”，所述控制系统是为船舶而建造的，但还没有安装在船舶上。控制系统连接到具有模拟传感器信号的接口，并且在此，控制系统以控制信号的形式给出响应，所述控制信号是准备要发送到致动器，但并不与之相连接。然而，FAT可能没有反映出船舶的最终构造，如其它起重机，其它升沉补偿系统，其它的新近开发的传感器可能用于最终下水和测试的船舶，因此，FAT可能最后在船级社的海上测试和批准时不相关。
图3示出了一种用于船只的公知控制系统的典型设置，其中已连接的传感器、命令输入设备和致动器都连接到船只的控制系统。
图4a1示出了远程模拟器地点处的船舶模拟器，其具有记录器，其中，通过在模拟器地点处的具有一个或多个用于实时控制、模拟和记录的通信信道的第一实时接口，将船舶模拟器和记录器两者连接到一个或者多个用于实时控制、模拟和记录的接口，所述接口进一步连接到控制系统，例如位于至少一艘船舶上的控制与监测系统。模拟器地点可以是，例如陆地上的一个所谓的船级社的实验室内，如挪威船级社、美国船级社、德国船级社、劳埃德船级协会或其他的船级社。可选地，模拟器设备可以被设置在船上进行测试，以避免由于信号传送延迟而形成潜在错误，所述信号传送延迟或者是由于计算机通信延迟，或由于距离原因产生的电磁传播延迟。
图4a2在左侧示出了例如位置、航向、速度、风向等参数的模拟测量数据的测试序列T0，右侧示出了来自控制系统的由此测试序列T0而产生的响应S0。测试序列T0的模拟测量数据在此图中简单地表示为“信号存在”或“信号不存在”，其是大致的近似值，但是相关的。在右侧示出了响应于一个测试序列(但不必一定是该图中所示的测试序列)的一组控制系统输出S。
图4a3类似于图4a2，但是，其示出了具有“阶跃变化”的模拟测试信号，其是在测量数据中可能发生的错误的另一个可能的近似值。
图4a4是可能的模拟测试信号的更加真实的图像，其示出了上述的不存在/存在的信号、阶跃变化信号、快速变化的连续信号以及缓慢漂移的信号，和或多或少同时发生的或互相叠加的几种错误发生时的时间段。
图4a5是一个用于比较和判断过程的模型，当将初始测试特征和随后获取到的控制系统的控制信号进行比较时，所述过程用于判断控制系统的响应是否已经改变。
图4b示出了具有控制系统的船舶，所述控制系统的一个或多个实际的传感器信号由模拟的传感器信号代替，所述模拟的传感器信号通过通信线路往发往和来自实验室，并且在所述控制系统中，优选地，将从控制系统到船舶致动器的一个或多个控制信号通过通信线路送回实验室，而不是被发送到船舶的致动器。
图4c示出了一个船舶，其中通过一个或多个通信线路，由来自远程测试系统的模拟测量数据代替用于俯仰、滚转、风速、风向的一组传感器、GPS位置传感器、DGPS位置传感器、水声位置传感器等等，其中所述传感器通常被设置为向船舶的控制系统提供测量数据。控制系统响应所述模拟测量数据。所述响应通常发出控制信号到船舶的致动器，例如螺旋桨，舵，轴隧推进器，方位角推进器。通过通信线路，取而代之地将所述响应发送到远程测试实验室，在此处，船舶模拟器例如以算法的形式响应来自船舶内的远程控制系统的控制信号，计算出模拟船舶的动态行为，并且将船舶的新状态发回至远程系统，以获得采用更新过的控制信号等形式的新响应。
图5示出了以转动运动形式如滚转(绕X轴)，俯仰(绕Y轴)和偏航(绕Z轴)，以及平移运动形式如纵移(surge)(沿着X轴)，摇摆(sway)(沿着Y轴)和升沉(沿着Z轴)的船舶运动的概况。
图6示出了在纵移、摇摆和偏航方向上船舶运动的概况，其对于动态定位是很重要的，例如对于没有系泊的石油钻探(或者是在某些有系泊的场合)。
图7示出了使用本发明解决的相关问题的示意图，其中控制系统用于控制在钻井时进行动态定位的钻井平台，其中实际位置和预期位置用黑体字“X”标出。
图8示出了船舶的控制系统在计划、建造、试运行、海上试航及船舶工作期间的典型的时间测试点的时间线。
图9为本发明的优选实施例的示意图，其包括由两部分组成的模拟器配置。该两部分配置包括第一船载在线模拟计算机，所述计算机具有用于将普通传感器信号线和命令信号线连接到船上控制系统的客户设置开关或连接器，并且还具有用于输出控制信号的客户设置开关或连接器，还具有连接到远程地点实验室的测试管理器(33)的通信线路。
图10与图9类似，为本发明的第二优选实施例的示意图，其包括由两部分组成的模拟器配置。该两部分配置包括船载在线模拟计算机，所述计算机具有控制系统厂商所设计的接口，用于连接到船上的控制系统，并且具有连接到远程地点实验室的测试管理器(33)的通信线路。
具体实施方式
1.1船舶和控制系统的总体描述
现在将参照附图中所示出的本发明的一些实施例描述本发明。本发明包括用于实时地通过通信信道(6)测试船舶(4)(例如船只，钻井平台，采油平台)上的控制系统(2)的系统和方法，图4a示出了其概况，图4b和4c示出了细节。控制系统(2)可以包括对船舶(4)的控制和监测。控制系统(2)的测试可以包括船舶(4)的正常状态和极端状态的模拟以及对于这样的正常状态和极端状态的正常变化的模拟，例如，在模拟的平静海面状态(H1)下的普通运动。另外，控制系统(2)的测试也可以模拟在模拟的极端海面状态(H2)下、故障情况下的普通运动，所述故障状态为例如单独的螺旋桨(16)丧失发动机推力，并且此船舶只具有此单独的螺旋桨(16)，并且随后对旋转偏离预期航向(7b)以及漂离预期位置(7a)进行动态模拟。控制系统(2)的测试也可以模拟丧失一个或多个螺旋桨(16a，16b，......)的动力时的状态，其中船舶(4)具有一个或多个仍然工作的螺旋桨(16b，16c，......)，并研究船舶对于丧失一个或多个螺旋桨动力将作出怎样的反应。
下面，对图4a1，4b和4c所示出的系统进行简要描述，在船上本地干预所述系统，或者是将所述系统从远程实验室(40)干预一个或多个船舶(4a，4b，4c，......)上的控制系统。
根据本发明的系统用于测试船舶(4)上的控制系统(2)，其中控制系统(2)控制和监测船舶(4)。所述系统包括下列特点：
＊安装在船舶(4)上的一个或多个传感器(8)通过信号线(12)发送一个或多个传感器信号(7)到控制系统(2)。
＊船舶(4)上的命令输入设备(10)通过命令信号线(11)发送预期位置、航向、速度(9)等到控制系统(2)。
＊控制系统(2)中的算法(31)基于传感器信号(7)和/或命令信号(9)计算发往船舶致动器(3)的控制信号(13)，以便通过信号线将控制信号(13)发送到致动器(3)。
＊一个或多个通信线路(6)可以从远程测试实验室(40)发送一个或多个模拟的传感器信号(7′)和/或模拟命令信号(9′)到控制系统(2)。远程实验室可以位于陆地上，并且用于实时通信的设备必须同时在实验室和各个被测试的船舶上可用。在本发明的可选的实施例中，模拟的传感器信号(7′)和/或模拟的命令信号(9′)可以从本地已连接设备发送。
＊远程实验室可以包括模拟器(30R)，模拟器(30R)包括算法(32)，用于基于船舶(4)先前的状态(50′)、控制信号(13，13′)和动力学参数(5)，对与船舶模型(4′)的新的传感器信号(7′)相对应的新的动力学状态(50′)进行模拟。类似的模拟器还可以位于本地，并且因此称为本地模拟器(30L)，所述本地模拟器(30L)连接到所述船舶(4)上的所述控制系统(2)，以补偿由于远程测试过程中的时间延迟所引起的同步误差。这样的一个现场模拟器将参照图9和图10进行描述。对于本发明的实施例，所谓的“特征”方法实施例，现场模拟器甚至可以不是必需的，因为不需要以船舶模拟的形式反馈来自控制系统的特征获取值。
＊通信线路(6)可以将船舶模型(4′)的新的模拟状态以传感器信号(7′)的形式送回到控制系统(2)，用于在控制系统(2)内基于实际的和/或模拟的传感器数据(7，7′)或实际的和/或模拟的命令信号(9，9′)，继续进行计算，基于控制信号(13)得到采用预期位置、航向、速度等等形式的至少一个实际的和/或模拟的命令信号(9，9′)。
＊通信线路(6)可以采用与控制信号(13′)相同的控制信号(13)的形式将控制系统(2)的响应发送到远程测试实验室(40)，但是也可以将所得的控制信号(13′)发送到船上的本地模拟器。
控制信号(13)包括信号(13a，13b，13c)，其形式为一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴转速，以及舵(18)或推进器(17)和其它致动器(如压舱泵或起重机)的旋转角度(13c)。
传感器(8)可以包括从下列多个不同设备中选择的一个或多个设备，以下描述了其中的一些：
-位置测量设备(8a)，用于确定船舶位置(7a)，例如GPS接收器(8a)、水声位置传感器(8h)、积分式加速度传感器等等；
-航向测量设备(8b)，用于确定船舶航向(7b)，例如陀螺罗经或其它的罗盘。
-速度传感器(8c)或单个积分式加速度传感器，用于确定速度(7c)；
-风速计(8d，8e)，用于指示(相对的)风速(7d)和风向(7e)；
-滚转角度传感器(8f)用于指示滚转角度(7f)；
-俯仰角度传感器(8g)，用于指示俯仰角度(7g)。
在本发明的优选实施例中，所述系统具有开关(15a)，其将从信号线(12)到控制系统(2)的一个或多个传感器信号(7)断开。另外，根据本发明的系统可以具备第二开关(15b)，其将从信号线(11)到控制系统(2)的一个或多个命令信号(10)断开，以及具备第三开关(15c)，其将从来自控制系统的信号线(14)的一个或多个控制信号(13)断开。这样，开关(15)可用于完全地或部分地将控制系统(2)与发送到船舶其他部分的信号及来自船舶其他部分的信号隔离。当然，控制系统(2)应当仍连接到船上的稳压电源。
所述系统以正常的方式表明，可以将船舶的动态参数输入到控制系统(2)的算法(31)，以计算发送到致动器(3)的控制信号(13)。
可以设置所述系统，从而使远程测试实验室(40)具备带有算法(32)的模拟器(30R)，所述算法(32)基于完全或部分地由仿真测量数据(7，7′)和来自控制系统(2)的控制信号(13，13′)所表示的初始状态，来模拟船舶的状态，但是，可以在船上本地设置等效模拟器(30L)，以防止通信延迟问题。
通信线路(6)可以发送来自远程测试实验室(40)的一个或多个模拟的传感器信号(7′)，所述通信线路(6)还与远程测试实验室(40)上的第一实时接口(6a)建立连接以及与之断开连接。同样地，通信线路(6)与船舶(4)上的第二实时接口(6b)建立连接以及与之断开连接。第二实时接口通过连接到信号线(11)的开关(15a)连接到控制系统(2)。在本发明的优选实施例中，通信接口(6b)通过本地船舶模拟器计算机(30L)连接到所述开关(15a)，如图9及图4c所示。
所述测试系统可以包括使用所述远程测试实验室(40)中远程设置的模拟器计算机(30R)，通过所述通信线路(6)将所述模拟的传感器信号(7′)和所述模拟的命令信号(9′)传送到所述船舶上的所述本地模拟器(30L)，并且通过所述通信线路(6)接收来自所述本地模拟器计算机(30L)的所述控制信号(13′)。
所述测试系统还可以包括使用所述远程测试实验室(40)中远程设置的测试管理器(33)，通过所述通信线路(6)将所述模拟的状态(50′)的初始值、所述模拟的命令信号(9′)的序列以及海面状态、水流、风速和风向的模拟值传送到所述船舶上的所述本地模拟器(30L)，并且通过所述通信线路(6)从所述本地模拟器计算机(30L)接收所述控制信号(13′)。其中所述本地模拟器(30L)连接到所述控制系统(2)，从而使得所述控制系统从所述本地模拟器(30L)获得所述模拟的传感器信号(9′)和所述模拟的命令信号(9′)，并且输出所述控制信号(13′)到本地模拟器(30L)。
模拟命令输入设备(10′)可以被远程地设置为通过实时接口(6a)、通信线路(6)以及实时接口(6b)将模拟的命令信号(9′)从远程测试实验室(40)发送到控制系统(2)。在本发明的优选实施例中，模拟或测试命令输入设备(10′，43)可以本地设置在船上，用于生成模拟的命令信号(9′)并将其直接发送到控制系统(2)。在本发明的用于特征响应获取的优选实施例中，模拟的命令信号(9′)可以包含在测试序列(T0)内，所述测试序列(T0)包括如下所述的模拟的传感器信号(7′)和模拟的命令信号(9′)。在本地，本地测试信号源(41L)可以位于所测试的船舶(4)上或附近，用于提供所述模拟的测量数据(7′)或模拟的命令(9′)到控制系统(2)。
控制信号记录器(42)用于记录来自控制系统(2)的对于所给定的模拟的测量数据的信号序列(T0)的响应(S0)。相同的控制信号记录器(42)也可用于记录随后的对于给定序列(T0)的响应(S1，S2，S3，......)，当然，或者是对于其它实际的或模拟的测量数据序列(T1，T2，T3，......)的响应。存储器(44)可以连接到测试信号信号源(41R/41L)，用于存储用来确定所述控制系统特征响应(S0)的测试序列(T0)，或/和用于存储随后的测试序列(T1，T2，T3，......)。
所述系统可以被设置为使得在本地或通过来自远程测试实验室的通信线路(6)，对控制系统(2)内的算法(31)的全部地或部分地进行修改、校正或替换。根据本发明，所述船和/或所述实验室包括数据记录器(15)，其用于记录控制系统(2)对测量数据(7，7′)的响应。1.2用于对控制系统进行测试的方法的描述
如上所述的系统可以在对船舶(4)的控制系统(2)进行测试的方法中使用。控制系统(2)包括采用发往一个或多个致动器(3)的的控制信号(13)对船舶(4)进行控制和监测。
用于对控制系统进行测试的方法可以包括下列步骤：
-实时获取从一个或多个传感器(8)经由通向控制系统(2)的第一传感器信号线(12)发送到控制系统(2)的传感器信号(7)。
-获取从命令输入设备(10)经由通向控制系统(2)的第二信号线或者命令信号线(11)发送到控制系统(2)的命令信号(9)。
-基于一个或多个所获得的传感器信号(7)和命令信号(9)，以及可能基于船舶的动力学参数(5)，在控制系统(2)内的控制算法(31)中计算控制信号(13)，并且通过第三信号线(14)将控制信号(13)发送到致动器(3)。
-断开来自一个或多个传感器(8)的一个或多个传感器信号(7)或来自命令输入设备(10)的命令信号(9)，从而使得所选择的传感器信号(7)或命令输入(9)不会到达控制系统(2)，并且同时用相应的模拟的传感器信号(7′)或命令信号(9′)替换一个或多个被断开的传感器信号(7)或命令信号(9)，其中所述模拟的传感器信号(7′)或命令信号(9′)是在相对于船舶(4)的远程测试实验室(40)中生成的。模拟信号(7′，9′)在通信线路(6)上通过一个或多个信号线(12，14)从远程测试实验室发送到控制系统(2)。
-基于实际的和/或模拟的传感器信号(7a或7a，7b或7b′，7c或7c′，......)或命令信号(9a或9a′，9b或9b′，9c或9c′，......)，在控制系统(2)内采用普通方法继续计算控制信号(13，13′)。
-然后，可以将由所述控制系统产生的控制信号(13′)通过通信线路(6)发送到远程测试实验室(40)。
根据所述方法的优选实施例，所述方法将包括：在测试实验室(40)的远程模拟器(30R)或本地模拟器(30L)中，基于控制信号(13′)，采用算法(32)对船舶模型(4′)的新的动力学状态进行模拟。这样，对船舶上控制系统(2)的测试可以在远程测试实验室(40)执行，而不管船舶处于世界上的哪个位置。如果没有在船上或其附近进行模拟，那么模拟算法必须考虑到通信线路(6)的使用所造成的时间延迟。为了避免延迟误差，远程计算机(30R)可以通过通信线路(6)将用于进行模拟的数据(7′，9′)传送到船舶上的本地模拟计算机(30L)，如图9示。远程计算机(30R)命令本地计算机(30L)开始断开实际的传感器信号和命令信号(7，9)，并且用模拟的传感器信号和命令信号(7′，9′)替换所述信号(7，9)，并发送到控制系统(2)，并且类似地，断开具有测试输出(13′)的实际输出控制信号(13)，并且将其存储在本地，并且模拟算法(32)中在线使用测试输出(13′)来模拟如上所述船舶模型(4′)的动态特征，同时将测试输出(13′)传送回远程测试实验室(40)处远程设置的计算机(30R)。测试输出(13′)不必以在线方式传送至远程测试实验室，而是可以在测试期间或测试已经完成后以一批或多批将其传回远程测试实验室。随后可以记录测试输出(13′)，并在远程测试实验室(40)对测试输出(13′)进行分析。
根据上述方法，在对控制系统的测试中所涉及的远程测试实验室(40)可以位于陆地上，并且所测试的船舶(4a，4b，4c，......)与测试实验室相距较远的距离，通常在1和20000千米之间，并且所测试的船舶(4a，4b，4c，......)可以抛锚停泊在附近的海港、远方的海港、船坞或造船厂，或在空旷的海上。
当对控制系统的测试完成后，船舶和远程实验室之间的通信线路断开，并且发往控制系统的常规传感器信号和常规命令信号再次连通，并且来自控制系统的控制信号再次连接到致动器，实现在船舶中的控制系统的正常工作。
根据本发明的优选实施例，传感器信号(7)包括来自传感器(8)的以下传感器参数中的一个或多个：
-来自位置传感器(8a)的船舶位置(7a)，位置传感器(8a)例如为GPS接收器(8a)、水声位置传感器(8h)、积分式加速度传感器等等；
-来自航向传感器(8b)的航向(7b)，航向传感器(8b)例如陀螺罗经或其它罗盘，
-来自速度传感器器(8c)或单独积分式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)，
-来自滚转角度传感器(8f)的滚转角度(7f)，
-来自俯仰角度传感器(8g)的俯仰角度(7g)。
根据本发明的优选实施例，控制信号(13)包括的信号(13a，13b，13c)形式为一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴转速，以及舵(13c)或推进器(17)的角度，以及可以是用于获得一个或多个预期位置(9a)、航向(9b)、速度(9c)的其它控制设备的角度。
所述方法可用于计算发往一个或多个螺旋桨(16a，16b，16c，......)的控制信号，并且控制设备(18)可以包括一个或多个舵(18a，18b)，并且其可以包括一个或多个推进器(17)。
命令输入设备(10)将包括下列对象中的一个或多个：位置指定设备(10a)、舵轮(10b)、速度指定设备(10c)，或者是用于指定预期倾斜角度、俯仰角度、升沉补偿等的设备(10x)，设备(10x)给出预期位置(9a)、预期航向(9b)以及预期速度(9c)或者另一种预期状态(9x)(例如预期滚转角度、预期俯仰角度、预期升沉补偿等等)中的一个或者多个的命令信号(9)。
根据本发明的优选实施例，所述方法可以包括：远程测试实验室(40)用于在测试中基于模拟的传感器信号(7′)检验控制系统(2)，并且可能剩余的实际的传感器信号(7)、模拟的命令信号(9′)和可能剩余的实际命令信号(9)给出控制信号(13，13′)，所述控制信号(13，13′)将引发若干可接受的响应(S)，并使得基于所述测试完成对控制系统(2)的鉴定。
如下所述，船舶的动力学参数(5)可以包括质量(m)、轴向惯性矩、船舶的质量分布以及描述船体几何结构的船体参数。可以采用一个信号线(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。可以采用一个信号线(11)上的开关(15b)将从命令输入设备(10)到控制系统(2)的命令信号(9)断开。
在对部件损坏进行模拟时，可以通过断开一个或多个所选择的传感器信号(7)或命令信号(9)，来测试故障情形，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′)的形式记录在记录器(15)中，所述存储可以在本地进行，也可以在实验室(40)内进行。然而，这样的测试将会是很繁琐的，并且难以在后续的场合中重复来进行鉴定。
故障情形还可以通过改变测量数据或在所选择的传感器中产生干扰，或对测量数据(7′)产生外部干扰(如天气、风、电噪声、大气噪声或噪声)而进行测试。这样的干扰可以从远程测试实验室(40)发送至船舶(4)上的控制系统(2)，并且其中将控制系统(2)的响应以控制信号(13，13′)和状态信号(19，19′)的形式记录在实验室(40)内的记录器(15)中。
根据本发明的方法的优选实施例，用于船舶(4)上的控制系统(2)的新的软件可以通过通信线路(6)从实验室(40)发送。
在执行根据本发明的方法后，其中基于对控制系统(2)进行的测试及测试结果，实验室(40)可以审定控制系统(2)，实验室(40)可以鉴定控制系统(2)在船舶(4)的常规操作中的使用。
根据本发明所提出的远程测试的一个优点是，在模拟的故障情况下和在广泛的模拟的天气负担范围中，在软件和控制系统(2)的测试总体方面，与在传统测试和鉴定的情况相比具有更大的灵活性。同时，其避免了以前使用的用于测试船舶控制系统的方法的缺点及限制，即远距离行驶、费时的行程、高成本的行程、用于安装测试设备的时间等等。采用所提出的本发明，与现有方法相比，可以由数量更少的操作者测试和鉴定更多的船舶。此外，测试的质量得到提高，因为自动测试执行提高了测试的可重复性。
1.3钻井船上的控制系统的测试实例
本发明可用于测试如上所述的控制系统是否将真正以安全、可靠的方式进行工作。可以设想下列实例：希望测试如图7所示的钻井船(4)上的控制系统(2)。在测试前终止钻井，从而使得在对具有模拟动态定位钻井的测试中，位置上的潜在错误不会带来负面效果。钻井船(4)包括控制系统(2)，该控制系统(2)对应于在图4a、b和c中所示出的控制系统，并且采用同样的方式通过实时接口(6b)和通信线路(6)以及通过实时接口(6a)连接到如图所示的远程测试实验室(4)。控制系统(2)包括控制和监测具有推进设备(16)(如螺旋桨(16a，16b，16c，......)或推进器(17))和控制设备(18)(如舵(18)，以轴隧推进器和方位角推进器形式的推进器(17))的钻井船(4)。推进器(17)能够同时作为推进设备(16)和控制设备(18)进行动作。在模拟的钻孔中，希望钻井船(4)位于固定的位置(9a)，并具有尽可能最小的位置偏差，并且具有航向(7b)和速度(7c)，航向(7b)和速度(7c)仅仅补偿天气以风、波浪和水流的形式对其的影响。与已知方法相应的用于动态定位的方法可以包括下列顺序执行的步骤：
＊控制系统(2)从一个或多个传感器参数实时获取传感器数据(7)，传感器参数例如来自位置传感器(8a)(例如DGPS接收器)的已测量的船舶位置(7a)，以及来自航向传感器(8b)(例如陀螺罗经)的航向(7b)，等等。
＊控制系统(2)从命令输入设备(10)获取命令信号(9)，命令输入设备(10)例如所谓的操纵杆面板，其包括至少位置指定设备(10a)、舵轮(10b)速度指定设备(10c)，它们对如图7所示预期位置(9a)、采用舵或推进器的角度的形式的预期航向(9b)、以及采用螺旋桨(16)和推进器(17)的轴转速形式的预期速度(9c)中的一个或者多个给出命令。
*传感器(8)通过第一传感器信号线(12)将传感器信号(7)传送至控制系统(2)。
＊命令输入设备(10)通过第二信号线或命令信号线(11)将命令信号(9)发送至控制系统(2)。
＊然后，控制系统(2)基于一个或多个所获得的传感器信号(7a，7b，7c，......)和命令信号(9a，9b，9c，......)，和可能的一组所需的动力学参数，如船舶(4)的质量(m)和轴向惯性矩(M1，M2，......)，和所需的螺旋桨(16)的轴转速(13a)和舵(18)的角度(13c)，和维持和重建预期位置(9a)、航向(9b)、速度(9c)等等中的一个或者多个所需的其它可能控制设备的角度(13c)，顺序地进行计算。
＊然后，控制系统(2)通过第三信号线(14)，从控制系统(2)发送控制信号(13a，13b，13c，......)，其包括所需轴转速(13b)，以控制螺旋桨(16)和/或推进器(17)的轴转速(13a)，以及舵(18)和/或推进器(17)的角度(13c)。
＊通过信号线(12)上的开关(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)与控制系统(2)断开，和/或通过信号线(11)上的开关(15b)，将来自控制输入设备(10)的一个或多个命令信号(9)与控制系统(2)断开。
＊通过切断一个或多个信号线(12，14)，将一个或多个断开的传感器信号(9)(例如测量得到的位置(7a)或航向(7b))或一个或多个断开的命令信号(9)(例如预期位置(9a)或预期航向(9b))替换为相应的模拟的传感器信号(7′)(例如模拟的测量位置(7a′)或模拟的测量航向(7b′))或模拟的相应的命令信号(9′)(例如模拟的预期位置(9a′)或模拟预期航向(9b′))，其中所述模拟的传感器信号和命令信号(7，9)是在相对于船舶(4)的远程测试实验室(40)中生成的，并且在通信线路(6)上发送，经过一个或两个开关(15a，15b)并进入一个或多个信号线(12，14)。在此情况下，操作者可以切断来自DGPS接收器(8a)的传感器信号(7a)，并且用新的、错误的并且偏离船舶(4)实际所在位置(9a)一段给定距离的位置来替代。
＊然后，控制系统(2)基于输入和/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′，......)及所需的船舶参数(5)，顺序地继续计算所需的螺旋桨(16)的轴转速(13b)和舵(18)及其它控制设备的角度(13c)，以获得预期位置、航向、速度等等参数中的至少一个。所计算出的响应，即所谓的从控制系统(2)到致动器(3)的控制信号(13)，例如用于控制螺旋桨(16)和舵(18)的角度(13c)的控制信号(13a)，可以通过第三开关(15c)断开或切断，从而使得控制信号(13)在测试期间不控制螺旋桨(16)或舵(18)，但是取而代之的是将控制信号(13)通过通信线路(6)发送到远程实验室(40)。
控制系统(2)则可以被看作是“黑匣子”(2)，其中模拟发往″黑匣子″(2)的传感器信号(7)中的至少一个的变化，并且“黑匣子”(2)用控制信号(13)进行响应。在上述引言部分提及的钻井船(4)的情况下，在DGPS信号中存在错误时，将会发生的是，在5分钟后，控制系统(2)将突然试图控制船舶(4)的螺旋桨、推进器和舵，以便将船舶移动到控制系统突然将其作为正确位置的位置，这是因为其作为稳定、错误的输入已经有5分钟。
1.4船舶的运动及该运动的模拟
参见图5，通过质心位置和通过滚转、俯仰和偏航角度，采用船在纵移、摇摆和偏航方向上的速度的形式对船舶(4)的运动进行描述。唯一描述运动的变量组(速度，位置，转角等等)被称为船舶的状态(50)。船舶将受到力和力矩的作用，这些力和力矩影响船舶的运动。这些力和力矩由下面的多种因素激励而产生：来自风、水流和波浪；来自对致动器(3)的使用，例如螺旋桨(16)、推进器(17)和舵(18)；来自流体静力，由于滚转和俯仰的角度和升沉位置，流体静力相当于作用在其上的弹簧力；以及来自流体动力，其与船舶(4)的速度和加速度相关。作用于船舶(4)上的力和力矩取决于由状态(50)所给出的船舶运动，由此，船舶的运动可以看做是作用于船舶的力和力矩产生的结果。对于船舶或船只来说，船体的几何结构、质量及质量分布情况是已知的。另外，船舶动力学参数的估计是已知的。当船舶的运动以状态(50)的形式给出时，则作用于船只的力和力矩可以在模拟器(30)中计算，例如，通过使用算法(32)。在模拟器(32)中，模拟的船舶(4′)的模拟的状态(50′)在下面给出的过程中进行计算。然后，模拟的船舶(4′)的加速度和角加速度可以由船舶的运动方程计算，所述运动方程可以从牛顿定律和欧拉定律中得到。这样的运动方程在教科书中已有描述。在运动方程中，出现了下列参数：
-船舶质量，
-质心位置，
-浮力中心的位置，
-船舶的转动惯量；
-船体几何结构，包括长度、船宽和吃水深度；
-流体附加质量，
-流体潜在阻尼，
-粘滞阻尼，
-与作用在船体上的复原力和力矩有关的参数，所述力和力矩由于船舶的升沉、俯仰和滚转运动而形成，
-与波浪分量的振幅、频率和方向有关的参数，波浪分量形成作用于船体的合力和合力矩。
-此外，运动方程包括来自螺旋桨(16)的驱动力的数学模型，其是螺旋桨转速和俯仰角度的函数，来自舵(18)的作用力的数学模型，其是舵角度和船舶速度的函数，来自推进器(17)的作用力的数学模型，其是推进器速度和方向的函数。
下面的过程可用于计算在时段uo至uN过程中，由状态(50，50′)所给定的船舶(4，4′)的运动：假如船舶的运动在起始时刻uo以状态(50′)的形式给出，并且在此时刻的力和力矩已计算出来。船舶在时刻uo的加速度和角加速度可以从船舶(4，4′)的运动方程计算得到。然后，可以采用数值积分算法，计算在时刻u1＝uo+h由状态(50，50′)所给出的船舶运动，这里h是积分算法的时间步长。对于船舶来说，时间步长h典型地在0.1-1s的范围内。当计算出在时刻u1船舶(4，4′)的运动(50，50′)时，时刻u1的力和力矩能够计算得到，并且在时刻u1的加速度和角加速可以从运动方程计算出。另外，通过使用数值积分，船舶在时刻u2＝u1+h时的运动(50，50′)被计算出来。此过程可以在各时刻uk＝u0+h*k重复进行，直至到达时刻uN为止。
作用于船舶的波浪被描述为波浪分量的总和，其中一个波浪分量为具有给定频率、振幅和方向的正弦长峰波。对于海中的给定位置，波浪分量的振幅和频率的主要分布情况将由公知的波谱给出，如JONSWAP或ITTC波谱，其中波谱的强度是采用有效波高的形式表示的。作用于船舶的合力和合力矩将是振波的振幅、频率和方向的函数，而且是船舶的速度和航向的函数。由风产生的力和力矩将由风速、风向、船舶速度和船只在海面上的投影面积给出，其为相对于风向来说的船舶航向的函数。由水流形成的力和力矩将由水流速度、水流方向、船体在海面下的投影面积以及相对于水流方向的船舶速度和航向给出。
1.5动态定位-DP
在动态定位中，即所谓的DP中，控制船舶(4)的三个自由度(DOF)。在x和y方向上以及航向上的预期位置由操作者使用控制面板(10)上的键盘、滚动球、鼠标或操纵杆输入。控制系统(2)用于计算在纵移和摇摆方向上所需的驱动力，以及致动器绕着偏航轴的力矩，从而使得船舶获得预期位置和航向。控制系统(2)还包括致动器分配，所述致动器分配包括与所命令的驱动力和力矩相对应的螺旋桨作用力、舵作用力和推进器作用力的计算。控制系统(2)通过在船舶(4)的计算机上运行算法(31)而实施。此算法(31)将预期位置(9a)和航向(9b)与测量得到的位置和航向(7a，7b)进行比较，并且所述算法基于该比较，使用教科书中记载的控制理论计算所需的驱动力和力矩。另外，该算法包括分配模块，在此模块中计算螺旋桨作用力、舵作用力和推进器作用力。位置和航向由DGPS传感器、陀螺罗经、水声传感器系统和拉索测量，在水声传感器系统中，发送应答器固定在海底，对于拉索而言，其测量固定在海底的绳索的倾斜度。
1.6船舶控制系统的测试
海事控制系统的不同故障，例如，DP系统已经被记录成具有某种情况，该情况导致特定故障情况。举例来说，GPS接收器的突然且稳定的75m的误差已经导致严重的故障情况，其形式为在DP控制作用下的钻井船的所谓的失控(drive-off)，此时船舶突然离开预期位置，并且不得不执行紧急措施，例如分离立管和分开钻柱。另一个实例是，在升沉补偿中突然失去加速度测量数据信号，在这种情况下，系统不能给出对船舶升沉运动的精确补偿，并且如果在将负载安装到海底特定位置的过程中，负载处于波动带或接近于海底时，则潜在地可能出现难以处理的情况，在对具有正在旋转的钻柱的钻井升管进行升沉补偿时也会出现此类情况，其中所述钻柱设置在船舶和深入海底的井之间。
考虑这样一种情况：船舶的位置、速度或航向、实际天气、实际海面状态、一个或多个传感器信号中的一系列错误以及在先前已经造成了已记录的故障状态的命令输入信号序列组合在一起。这种情况可以再现，以用于测试目的，以观察待测试的控制系统是否能在控制系统故障没有消除时处理当前的情况。
根据本发明的实施例所提出的方案是，通过运行输入形式为模拟的传感器信号(7a′，7b′，......)和模拟的命令输入信号(9a′，9b′......)的控制系统，对给定船舶的控制系统(2)进行测试，并且其中将控制系统(2)的输出以控制信号(13a，13b，......)形式用作模拟的船舶模型(30)的控制信号。以测试情况序列的形式生成控制系统的测试方案，其中对给定的船舶对所述测试情况进行测试。每个测试情况由特定海面状态、特定风速(7d′)和风向(7d′)、风速水流速度(7k)和水流方向(7l)以及预定的命令输入信号(9a′，9b′，9c′，......)序列给出。另外，每个测试情况可以包括加到模拟的传感器信号(7a′，7b′，7c′，......)上的预定的错误序列，例如，在一个或多个DGPS接收器(参见图4a3)中加入的75m的附加阶跃变化，或者是所谓的野点(W)(wild points)，在所述野点的情况下，位置信号具有突然从零变化成50m，然后立即回到零的附加误差，测试情况还可以涉及一个或多个GPS接收器中的1m/s的稳定偏移形式的误差，在一个或多个位置传感器(如DGPS接收器(8a)或水声位置传感器(参见图4a4))中的存在的2m的快速波动形式的误差，或者是丢失一个或多个传感器信号(参见图4a2)形式的误差。以前所记录的故障情况的已知条件可能用来指定这样的测试条件。
对于测试序列中的每种测试情况来说，所输入的传感器信号、所输入的命令信号和所产生的控制信号被记录，并且基于对所记录的测试数据的分析，判断控制系统在测试过程中的执行情况是否令人满意，并且基于此，可以核准或不核准所述控制系统，并且可以基于此进行鉴定。
2.1控制系统特征的获取
引言
考虑这样一个控制系统(2)：其已经由船级社(例如挪威船级社)测试和验收和鉴定。此测试和鉴定可能在多个时间点进行，请参考图8：
＊在控制系统的制造场所进行工厂验收测试(FAT)时，在包括控制系统(2)到模拟器的连接的测试后，可以早期鉴定控制系统。
＊此后，在造船厂处的船舶试运行时，在接近装配的最后完工时可以对控制系统进行再次测试。
＊当船舶开始工作时，用户验收测试(CAT)过后立即对船舶进行审定和鉴定的同时，可以根据本发明的实施例对控制系统进行测试。
＊每年进行或每三年进行的测试可能是船级社或保险公司的标准要求。
＊在对控制系统的部分或全部进行重新编程、更换或修理传感器、安装新的传感器、改变或修理命令控制台等等直接涉及控制系统输入的操作后，可能需要根据本发明的测试，以检查连续工作的控制系统的完好状态。经过这样的变更后，在此变更之前完成的对控制系统的审定或鉴定将不再有效。
＊对船舶进行的修补，如安装更大的或新的起重机、改变或延长船体、改变用于钻孔或采油立管的钻井架或升沉补偿系统等等，可能包括对控制系统进行重新设置，故应当对控制系统进行测试，以进行再次鉴定。
2.2确定控制系统特征，一般情况
为了在审定或鉴定后确定是否已经对控制系统(2)做出了可能的变更，提出了在完成测试并且船舶已通过审定后，确定控制系统的输出参考“特征”S0，并且存储所述特征S0，以便于与系统的随后测试进行比较。下面将详细描述所述方法。
根据本发明的优选实施例，通过生成一个或多个模拟的传感器信号(7a′，7b′，......)和输入命令信号(9a′，9b′，......)的优选地预定的序列T0，并且用其代替实际的传感器信号(7a，7b，7c，......)和实际的输入命令信号(9a，9b，9c，......)作为对控制系统(2)的输入，并且将控制系统(2)输出的结果以控制信号(13a，13b，13c，......)的形式记录为特征(S0)，并且在此情况下，优选地，所述控制信号不被发送到致动器(17，18，19)，从而确定特征S0。在一个优选实施例中，此原始特征(S0)是控制信号的完整的时间历程。
后续的测试
为了测试控制系统(2)是否已经变更，在以后的时刻(t1，t2，t3，......)，将同样的输入序列T0输入至控制系统(2)，并且将由此而产生的输出以控制信号(13a，13b，13c，......)的形式记录为新的系统响应或“特征”(S1，S2，S3，......)。为确定控制系统(2)是否已经改变或被变更，必须对初始的特征(S0)和新的特征(S1，S2，S3，......)进行比较。
2.3确定控制系统特征，详细情况
更详细地，本发明的优选实施例包括用于检验船舶(4)的控制系统(2)的方法。控制系统(2)在其工作状态下用于接收来自传感器(8)的传感器信号(7)和来自一个或多个命令输入设备(10)的命令信号(9)。作为对所述测量数据(7)和命令信号(9)的响应，控制系统(2)提供控制信号(13)到所述船舶的致动器(3)，以便维持所述船舶(4)的预期位置、速度、航向或其它状态。所述方法的特征在于下列步骤：
＊在第一时刻(t0)过程中，到所述控制系统(2)的一个或多个实际的传感器信号(7a，7b，7c，......)的接收被断开，并且由第一测试序列(T0)取而代之，第一测试序列(T0)包括从测试信号源(41)发送到所述控制系统(2)的一个或多个模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′，......)。
＊然后，控制系统(2)基于所述实际的和/或模拟的传感器信号(7，7′)进行工作，以生成控制信号(13′)作为对所述第一时间(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应，并将控制信号(13′)作为所述控制系统(2)的控制信号(13)记录在控制信号记录器(42)上；
＊然后，将控制系统(2)对于所述第一时刻(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应记录为所述控制系统(2)的“特征”响应(S0)；
所述方法具有以下目的：在随后的时刻(t1，t2，t3，......)，使用相同的给定测试序列(T0)输入到所述控制系统(2)，并且记录来自所述控制系统(2)的随后的响应(S1，S2，S3，......)，并且判断所述随后的响应(S1，S2，S3，......)是否大致类似于所述特征响应(S0)，以检验所述控制系统(2)是未改变的，或者判断所述随后的响应(S1，S2，S3，......)是否明显不同于所述特征响应(S0)，以表示所述控制系统(2)已经改变。
2.4与“特征”S0比较
根据本发明，将随后获得的系统响应S1与原始的系统响应或“特征”S0进行比较。如果S0和S1之间的差值很小，那么认为系统是未改变的，并且不需要为审定或鉴定进行新的测试。如果S0和S1之间存在显著差值，那么结论就是，控制系统已经变更，原有的审定或鉴定不再有效，并且需要进行新的审定/鉴定测试。为确定什么是显著差值，判断者必须考虑各种实际限制：特征S0和S1以及后续的系统反应，可能包含一些噪音和高频分量，正如测试序列T0的情况，因此所获得的系统响应决不会完全相等。下面给出用于计算所述差值的方法。
2.5计算差值
在本发明的优选实施例中，下列计算方法可以用于确定所述控制系统的在时刻t0记录的原始响应(S0)与在时刻t1记录的随后的响应(S1)之间的差值，t1可以是t0后的数个星期，数月或数年。在时刻t0开始测试期间，控制信号在时间间隔为秒级的时刻u1、u2、......un......uN被记录，以确定原始的响应S0，或者是在时刻t1开始测试期间进行记录，以确定响应S1。对于每个时刻u1、u2、......un......uN，控制系统将输出若干控制信号，其包括控制信道信号，如(13a，13b，13c，......13k)，我们可以将其称为多维信号。在时刻un，序列S0的多维数值表示为
S0(un，1，un，2，un，3，un，4，......，un，m，......，un，k)，
其中在un中的第一下标n是一个时刻，并且第二下标1，2，3，4，......m，......，k表示控制信道信号，如(13a，13b，13c，......，13m，......，13k)。同样，在时刻un，S1的多维数值为
S1(un，1，un，2，un，3，un，4，......，un，m，......，un，k)。
为了去除可能具有随机特性的序列S0和S1的高频分量，对序列S0和S1进行低通滤波。滤波后的S0称为SF0，在时刻un表示为
SF0(un，1，un，2，un，3，un，4，......，un，m，......，un，k)
并且滤波后的S1称为SF1，在时刻un表示为
SF1(un，1，un，2，un，3，un，4，......，un，m，......，un，k)。
然后，S0和S1之间的差值以SF0和SF1之间的差值的均方根RMS值的形式表征。这一过程可以按以下计算：
RMS(SF0，SF1)＝
{[SF1((u1))-SF0((u1))]2
+[SF1((u2))-SF0((u2))]2
+......
+[SF1((uN))-SF0((uN))]2}的平方根
其中必须考虑到每个测量数据SF0((u1)和SF1((u1)通常是如上所述的多维数据。
应该对S0和S1控制信号参数之间的差值，如发动机功率命令输出、舵角度命令输出、推进器角度命令输出等等，依照它们的实际特性给出权重。
RMS可以被看成是两个序列SF0和SF1之间差值的加权平均值。如果RMS(S0，S1)大于某阈值，例如0.01或1％，那么很可能控制系统已经变更或改变，并且应当为审定或鉴定进行新的测试。否则，如果RMS(S0，S1)小于阈值，那么认为所述系统是未改变的，并且原有的审定和/或鉴定可以认为有效。为了进一步提高比较的质量，可以对与S0和S1相关的报警和事件列表进行定性分析。
3.1为控制系统的个体部分确定特征
如上所述的用于生成特征的方法可用于为整个控制系统生成特征，或者是扩展到一组集成的控制系统。可选的方案是，生成这样一组特征：其中每个特征涉及与一组特定的传感器相关的控制系统的性能，或者是涉及控制系统的特定功能。然后，所述过程为：生成来自一个或多个传感器组成的传感器组1的模拟的传感器信号(7a′，7b′，7c′......)的预定序列TG10，并且以控制信号(13a，13b，13c，......)的形式将由此产生的输出记录为特征SG10，其中特征SG10与传感器组G1相关。然后，生成来自传感器组2的模拟的传感器信号的预定序列TG20，并且将由此产生的输出记录为与传感器组2相关的特征SG20。这样进行处理，输入序列(TG10，TG20，TG30，......)的连续输入和相应输出的记录将为已经定义的传感器组G1、G2、G3......确定特征(S10，S20，S30，......)。传感器组G1可以是GPS接收器，传感器组G2可以是水声位置传感器，传感器组G3可以是GPS和水声传感器的组合，等等。
另外，可以根据命令输入信号的不同组合C1、C2、C3......，生成模拟的命令输入信号(9a′，9b′，......)的一组输入序列TC10、TC20、TC30......，以测试所述系统。由此产生的输出以控制信号(13a，13b，13c，......)的形式记录为特征SC10、SC20、SC30......，其中特征SC10、SC20、SC30……与命令输入信号的组合C1、C2、C3......相关。
然后，如上所述，就整个系统的单一特征而言，控制系统可以在随后的时刻(t1，t2，t3，......)进行测试。在编号为n的测试中，将有输入序列TG1n、TG2n、TG3n......和TC1n、TC2n、TC3n......，它们将引起响应SG1n、SG2n、SG3n......和SC1n、SC2n、SC3n......。然后通过比较SG1n、SG2n、SG3n......和SC1n、SC2n、SC3n......与特征SG10、SG20、SG30......和SC10、SC20、SC30......，并且找出哪个响应不同于原始的特征，就可以确定哪个传感器组，或者是哪个输入信号的组合导致了特征的改变。如果按照以上所述进行计算，SG1n与SG10不同，则控制系统已经改变，并且控制系统的改变与传感器组合G1等相关。如果按照以上所述进行计算，SC1n与SC10不同，则控制系统已经改变，并且控制系统的改变与输入命令信号中的组合C1等相关。
组成部件列表：
1： -
2：控制系统(2)。
3：致动器(螺旋桨16，推进器17，舵18)。
4：船舶，船只，钻井船，钻井平台，采油平台，或者其它海上船舶。
4′：模拟的船舶，在本地或远程模拟器(30R或30L)中的船舶模型，其通常包括模拟器算法(32)。
5：船舶的动力学参数。5a：质量m，5b：5c：质心位置，5c，5d，5e绕着船舶轴线的转动惯量，质量分布，船体参数，等等。
6：通信线路，包括在远程测试实验室(40)内的第一实时接口(6a)，和第一船舶4a上的第二实时接口(6b)，第二船舶(4b)上的(6c)，等等。
7：来自传感器(8)的传感器信号：7a：位置，7b：航向，7c：速度，7d：风速(相对的)，7e：风向(相对的)，7f：俯仰角度，7g，滚转角度，7h：相对于海底的发送应答器的水声(相对的)位置，7i，GPS/惯性位置和航向(7j)，水流速度(7k)和水流方向(7l)。
7′：模拟的船舶(4′)的模拟的传感器信号，其是预定的或者是在通常包括模拟器算法(32)的本地或远程模拟器(30R或30L)中计算得到。
8：传感器：8a：位置传感器；8b：(陀螺仪)-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：水声位置传感器，8i：位置的“Seapath 200”GPS/惯性传感器和航向(8j)。
9：来自命令输入设备(10)的命令信号：9a：预期位置，9b：预期航向，9c：预期速度，等等。
9′：模拟的命令信号。
10：命令输入设备：位置指定设备10a用于规定预期位置9a，舵轮10b用于指定预期航向9b，速度指定设备10c用于指定预期速度，等等。
11：用于传输命令信号(9)到控制系统(2)的一个或多个命令信号线或通信总线。
12：用于传输传感器信号(7)到控制系统(2)的一个或多个命令信号线或通信总线。
13：控制信号，其包括螺旋桨(16)和推进器(17)的轴转速(13a，13b)，以及舵(18)或推进器(17)的角度(13c)。
13′：发送到远程测试实验室(40)的控制信号。
14：从控制系统(2)到致动器(3)(16，17，18)的一个或多个第三信号线(14)或通信总线。
15：数据记录器。
15a、15b、15c：用于断开传感器信号(7)，命令信号(9)进入控制系统(2)的开关，和用于断开来自控制系统(2)的输出控制信号(13)的开关，以及用于连接模拟的传感器信号(7′)，模拟的命令信号(9′)和输出控制信号(13′)往返于本地模拟器(32L)，或者使它们直接地或间接地通过一个通信线路(6)来自远程测试实验室(40)的开关。
16：螺旋桨(16)，
17：推进器(17)，
18：舵(18)：(共同组成“致动器”(3))。
19：状态信号。
30：具有船舶模拟器的计算机，所述船舶模拟器或者是设置在一个远程测试实验室(40)的船舶模拟器(30R)，或者是本地设置在船舶模拟器(30L)上。
30R：具有船舶模拟器(30R)的计算机，其设置在远程测试实验室(40)。
30L：具有船舶模拟器(30L)的计算机，其本地设置在需要测试的船只或船舶(4)上。
31：控制算法(31)，其基于船舶(4)的传感器信号(7)、命令信号(9)和动力学参数(5)，计算发往船舶致动器(16，17，18)的控制信号(13)，控制算法(31)通过信号线(14)将控制信号(13)发送到致动器(3)，例如螺旋桨(16)、推进器(17)或舵(18)。
32：在所述船舶模拟器计算机(30)内的算法，其基于船舶参数(5)、模拟的风速和风向、模拟的波浪高度和波浪方向、模拟的水流速度和水流方向等等，以及致动器(3)作用于船舶(4)上的力，计算由对应于传感器信号(7′)的模拟状态(50′)所给出的船舶的动态运动。
33：具有测试管理算法(34)的计算机。
34：测试管理算法，其成批地输出测试描述到船舶模拟器(30L/30R)，并且其成批地输入来自控制系统(2)的控制信号。
40：远程测试实验室。
41R：远程测试信号源(41R)，其设置在所述远程测试实验室(40)内，用于提供模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′，......)到所述控制系统(2)。
41L：本地测试信号源(41L)，其设置在需要测试的船舶(4)上或附近，用于提供模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′，......)到所述控制系统(2)。
42：控制信号记录器(42)，其记录来自所述控制系统(2)的对于所给定的模拟的测量信号时序(T0)的响应(S0)，或是对于所述给定的时序(T0)(或其它给定的或自然发生的或随机的测量数据序列(T1，T2，T3，......))的随后的响应(S1，S2，S3，......)。
43：测试命令设备(43)，其用于生成模拟的命令信号(9a′，9b′，9c′，9d′，......)。
44：存储器(44)，其连接到测试信号信号源(41R/41L)，用于存储用来确定所述控制系统特征响应(S0)的测试序列(T0)，或/和用于存储随后的测试序列(T1，T2，T3，......)。
50：船舶(4)的状态(50)，其包括一个或多个变量，如纵移、摇摆和偏航的速度、横摆、俯仰和偏航的角速度，X、Y和Z方向上的位置、横摆、俯仰和偏航的角度、致动器的状态变量，如螺旋桨的轴转速和舵角度等等，从而在给定时刻，状态(50)唯一地定义船舶和致动器在所述时刻的运动，并且其中状态(50)对应于所述传感器信号(9)，并且其中所述传感器信号(9)典型地包括所述状态(50)的一个子集的值。
50′：模拟的船舶(4′)的模拟状态(50′)，其由所述模拟器(30)计算得到，其中所述模拟状态(50′)包括状态(50)的变量的模拟值，并且状态(50′)对应于模拟的传感器信号(9′)。
T0：模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′，7d′，......)的第一测试序列。
S0：第一命令系统响应，其包括命令信号(13a，13b，13c，......)。
Claims (52)
1、一种用于检验船舶(4)的控制系统(2)的方法，其中，所述控制系统(2)在其工作状态下接收来自传感器(8)的传感器信号(7)和来自一个或多个命令输入设备(10)的命令信号(9)，并且其中，所述控制系统(2)提供控制信号(13)到所述船舶的致动器(3)，作为对所述测量数据(7)和命令信号(9)的响应，以便维持所述船舶(4)的预期位置、速度、航向或其它状态变量；
所述方法的特征在于下列步骤：
*在第一时间(t0)过程中，到所述控制系统(2)的一个或多个实际的传感器信号(7a，7b，7c，……)的接收被断开，并且用第一测试序列(T0)替换所述一个或多个所述实际的传感器信号，其中所述第一测试序列(T0)包括从测试信号源(41)到所述控制系统(2)的一个或多个模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′……)；
*使所述控制系统(2)基于所述实际的和/或模拟的传感器信号(7，7′)工作，以产生控制信号(13′)作为对所述第一时间(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应，并将控制信号(13′)作为所述控制系统(2)的控制信号(13)记录在控制信号记录器(42)上；
*将所述控制系统(2)对所述第一时间(t0)的所述第一测试序列(T0)的响应存储为所述控制系统(2)的“特征”响应(S0)；
所述方法具有下列目的：在随后的时间(t1，t2，t3，……)，使用相同的给定测试序列(T0)输入至所述控制系统(2)，并且记录来自所述控制系统(2)的随后响应(S1，S2，S3，……)，并且判断所述随后的响应(S1，S2，S3，……)是否大致类似于所述特征响应(S0)，以检验所述控制系统(2)是未改变的，或者判断所述随后的响应(S1，S2，S3，……)是否明显不同于所述特征响应(S0)，以表示所述控制系统(2)已经改变。
2、如权利要求1所述的方法，所述用模拟的传感器信号(7a′，7b′，7c′……)替换一个或多个传感器信号(7a，7b，7c，……)包括一种或多种信号情形：
*一个或多个模拟的传感器信号(7a′，7b′，7c′……)的纯粹不存在或存在；
*一个或多个模拟的传感器信号(7a′，7b′，7c′……)在一个现实的范围内的阶跃变化；
*一个或多个模拟的信号(7a′，7b′，7c′……)在对应的实际信号(7a，7b，7c，……)的现实信号范围内的缓慢漂移或变化；
*“白噪声”；或
*在实际的测量信号(7)上或模拟的测量信号(7′)上的噪声的叠加。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述测试序列(T0)包括一个或多个已记录的实际的测量信号(7a或7a′，7b或7b′，7c或7c′，7d或7d′，……)。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述测试序列(T0)存储在与所述测试信号源(41)相连接的存储器(44)中。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述传感器信号(7′)序列包括预定的传感器信号(7′)。
6、如权利要求1所述的方法，所述方法用于测试控制系统(2)，所述控制系统(2)用于对船舶(4)进行动态定位，以便对于所述船舶而言将给定的预期位置(7a)保持在所述位置(7a)的给定半径内。
7、如权利要求1所述的方法，所述方法用于测试船舶(4)的控制系统(2)，所述船舶(4)进行普通的海上航行，例如是在不同目的地之间或者是在航线点之间穿行的客轮、渡船、货物运输船、油船等等。
8、如权利要求1所述的方法，包括：
通过通信线路(6)，将模拟的测量数据(7a′，7b′，7c′，7d′，……)的所述测试信号序列(T0)从远程测试实验室(40)传送到所述控制系统(2)。
9、如权利要求1或8所述的方法，包括：
通过通信线路(6)，将所述控制信号序列(S0，S1，S2)从所述控制系统(2)传送到测试实验室(40)。
10、如权利要求8或9所述的方法，包括：
利用在所述远程测试实验室(40)内远程设置的模拟器计算机(30R)，通过所述通信线路(6)，将所述模拟的传感器信号(7′)和所述模拟的命令信号(9′)传送到所述船舶上的所述本地模拟器计算机(30L)，并且通过所述通信线路(6)从所述本地模拟器计算机(30L)接收所述控制信号(13′)。
11、如权利要求1所述的方法，其中，所述测试序列(T0)包括提供给所述控制系统(2)的模拟的测量信号(7a′，7b′，7c′，7d′，……)，所述模拟的测量信号具有与实际的测量信号相同的特性，例如，提供类似的信号电压范围、信号电流范围、类似的逻辑或布尔范围、以及类似的数字范围和格式。
12、如权利要求1所述的方法，一个或多个所述模拟的测量信号(7a′，7b′，7c′，7d′，……)是叠加在所述实际的测量信号(7a，7b，7c，7d，……)上的模拟的测量数据。
13、如权利要求1所述的方法，一个或多个所述模拟的测量信号(7a′，7b′，7c′，7d′，……)是叠加在所述实际的测量信号(7a，7b，7c，7d，……)上的噪声。
14、如权利要求1所述的方法，其中，提供给所述控制系统(2)的所述模拟的测量信号(7a′，7b′，7c′，7d′，……)具有随时间而变化的预定幅度，所述幅度变化具有预期范围。
15、如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：
*除断开传感器信号(7)的接收之外，还断开从所述命令输入设备(10)到所述控制系统(2)的一个或多个命令信号(9a，9b，9c，……)的接收，并将所述一个或多个命令信号(9a，9b，9c，……)替换为一个或多个模拟的命令信号(9a′，9b′，9c′，……)，所述模拟的命令信号(9a′，9b′，9c′，……)由测试命令设备(43)产生，并包含在提供给所述控制系统(2)的所述测试序列(T0)中；
*使所述控制系统(2)基于所述实际的和/或模拟的(或省略的)传感器信号(7，7′)和/或所述模拟的命令信号(9a′，9b′，9c′，……)工作，以生成控制信号(13′)作为对所述测试序列(T0)的响应(S0)，并将控制信号(13′)作为所述控制系统(2)的控制信号(13)记录在控制信号记录器(42)上。
16、如权利要求1所述的方法，确定所述响应(S1)是否大致类似于所述特征响应(S0)的所述步骤通过下列步骤执行：
*形成一个差值(D0-1)，其为所述第一响应或特征响应(S0)与所述第二响应(S1)之间的时间的函数，
*根据作为时间函数的所述差值，形成一维或多维的RMS差值，
*对于足够地类似的所述响应，判断所述差值(D0-1)是否足够小，即，小于某一确定的量，以判定所述控制系统(2)保持未改变，或者，
反过来，如果所述差值(D0-1)大于所述确定的量，则判定在所述第二测试的时间点或在此之前，所述控制系统(2)已经改变。
17、如权利要求16所述的方法，在时间un，序列S0的多维数值表示为
S0(un，1，un，2，un，3，un，4，……，un，m，……，un，k)，
其中第一下标n表示时刻u1，u2，……uN……，第二下标1，2，3，4，……m，……，k对应控制信道信号，如(13a，13b，13c，……，13m，……，13k)，同样，在时间un，S1的多维数值表示为
S1(un，1，un，2，un，3，un，4，……，un，m，……，un，k)。
18、如权利要求17所述的方法，通过对S0和S1进行低通滤波，去除序列S0和S1的高频分量，并且滤波后的S0表示为：
SF0(un，1，un，2，un，3，un，4，……，un，m，……，un，k)，
滤波后的S1表示为：
SF1(un，1，un，2，un，3，un，4，……，un，m，……，un，k)。
19、如权利要求17所述的方法，以未经滤波的S0与S1之间差值的RMS值的形式，计算S0和S1之间的差值：
RMS(S0，S1)＝
{[S1((u1))-S0((u1))]2
+[S1((u2))-S0((u2))]2
+……
+[S1((uN))-S0((uN))]]2}的平方根，
并且将所述时间序列之间的差值表示为(D0-1)＝RMS(S0，S1)。
20、如权利要求17所述的方法，以滤波后的时间序列SF0和SF1之间差值的RMS值的形式，计算S0和S1之间的差值：
RMS(SF0，SF1)＝
{[SF1((u1))-SF0((u1))]2
+[SF1((u2))-SF0((u2))]2
+……
+[SF1((uN))-SF0((uN))]2}的平方根，
并且将所述时间序列之间的差值表示为(D0-1)＝RMS(S0，S1)。
21、一种用于船舶(4)中的控制系统(2)的测试方法，其中，所述控制系统(2)包括采用发往一个或多个致动器(3)的控制信号(13)对所述船舶(4)进行控制和监测，其中，所述方法包括下列顺序执行的步骤：
*实时获取经由通向所述控制系统(2)的第一传感器信号线(12)从一个或多个传感器(8)发往所述控制系统(2)的传感器信号(7)；
*获取经由通向所述控制系统(2)的第二信号线或命令信号线(11)从命令输入设备(10)发往所述控制系统(2)的命令信号(9)；
*在所述控制系统(2)的控制算法(31)中，基于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)，并且通过第三信号线(14)将所述控制信号(13)发送到所述致动器(3)，
其特征在于：
*断开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)，或断开来自所述控制输入设备(10)的所述命令信号(9)，从而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)，并且将一个或多个所述被断开的传感器信号(7)或所述命令信号(9)替换为相应的模拟的传感器信号(7′)或模拟的命令信号(9′)，所述模拟的传感器信号(7′)或模拟的命令信号(9′)在相对于所述船舶(4)的远程测试实验室(40)中生成，并且通过通信线路(6)，经过一个或多个所述信号线(12，14)，发送到所述控制系统(2)；
*在所述控制系统(2)内，基于所述实际的和/或所述模拟的传感器信号(7a或7a′，7b或7b′，7c或7c′，……)或所述实际的和/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′)，并且在第一本地模拟器(30L)中，基于所述控制信号(13′)，采用算法(32)，模拟船舶模型(4′)的新的动力学状态(50′)；
*通过所述通信线路(6)将所述控制信号(13′)发送到所述远程测试实验室(40)。
22、如权利要求21所述的方法，包括：利用在所述远程测试实验室(40)内远程设置的模拟器计算机(30R)，通过所述通信线路(6)将所述模拟的传感器信号(7′)和所述模拟的命令信号(9′)传送到所述船舶上的所述本地模拟器(30L)，并且通过所述通信线路(6)从本地模拟器计算机(30L)接收所述控制信号(13′)。
23、如权利要求21所述的方法，其中，所述传感器信号(7)包括来自所述传感器(8)的以下传感器参数中的一个或多个：
-来自位置传感器(8a)的所述船舶的位置(7a)，位置传感器(8a)为例如GPS接收器(8a)、水声位置传感器(8h)、积分式加速度传感器等等；
-来自航向传感器(8b)的航向(7b)，航向传感器(8b)为例如陀螺罗经或其它罗盘；
-来自速度传感器(8c)或积分式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)；
-来自滚转角度传感器(8f)的滚转角度(7f)；
-来自俯仰角度传感器(8g)的俯仰角度(7g)。
24、如权利要求21所述的方法，其中，所述控制信号(13)包括的信号(13a，13b，13c)形式为一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴速(13a，13b)以及舵(18)或推进器(17)及用于获得一个或多个预期位置(9a)、航线(9b)、速度(9c)的其他控制设备的角度(13c)。
25、如权利要求21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，……)。
26、如权利要求21所述的方法，其中，所述控制设备(18)包括一个或多个舵(18a，18b)。
27、如权利要求21所述的方法，其中，所述控制设备(18)包括一个或多个推进器(17)。
28、如权利要求21所述的方法，其中，所述命令输入设备(10)包括至少一个位置指定设备(10a)、舵轮(10b)、速度指定设备(10c)或者用于指定预期滚转角度、俯仰角度、升沉补偿等的设备(10x)，所述设备(10x)针对一个或多个预期位置(9a)、预期航向(9b)和预期速度(9c)或其它预期变量(9x)，例如预期滚转角度、预期俯仰角度、预期升沉补偿等，给出命令信号。
29、如权利要求21所述的方法，其中，所述远程测试实验室(40)用于在测试中检验来自所述控制系统(2)的基于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′)是这样的：所述控制信号(13，13)将导致所述船舶(4)的预期状态，并基于此鉴定所述控制系统(2)。
30、如权利要求21所述的方法，其中，所述控制系统(2)的所述控制算法(31)中的所述计算使用船舶的动力学参数(5)，所述参数包括质量(m)、船舶的轴向惯性矩、船舶的质量分布以及决定船体几何结构的船体参数。
31、如权利要求21所述的方法，其中，从所述传感器(8)到所述控制系统(2)的所述传感器信号(7)的断开是通过所述信号线(12)上的开关(15a)来完成的。
32、如权利要求21所述的方法，其中，从所述命令输入设备(10)到所述控制系统(2)的所述命令信号(8)的断开是通过所述信号线(11)上的开关(15b)来完成的。
33、如权利要求21所述的方法，其中，所述远程测试实验室(40)位于陆地上，并且其中所述被测试的船舶(4a，4b，4c，……)位于与所述实验室(40)相距很远的位置，通常在1和20000千米之间，并且其中，所述被测试船舶停泊在港口、船坞或造船厂，或在空旷的大海。
34、如权利要求21所述的方法，其中，在对部件损坏进行模拟时，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。
35、如权利要求21所述的方法，其中，通过在所述模拟传感器信号(7′)的选择过程中改变或产生干扰，或通过对从所述远程测试实验室(40)发送到所述船舶(4)内所述控制系统(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，来测试故障情形，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)内的记录器(15)上。
36、如权利要求21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。
37、如权利要求21所述的方法，其中，基于对所述控制系统(2)的测试和所述测试结果，所述远程测试实验室(40)用于验收所述控制系统(2)，以及用于验证所述控制系统(2)能在所述船舶(4)中正常使用。
38、一种用于船舶(4)内的控制系统(2)的测试系统，其中，所述控制系统(2)控制和监测所述船舶(4)，其包括下列步骤：
*所述船舶(4)上的一个或多个传感器(8)，其将一个或多个传感器信号(7)通过信号线(12)发送到所述控制系统(2)，
*所述船舶(4)上的命令输入设备(10)，其通过命令信号线(11)将一个或多个预期位置、航向、速度(9)等发送到所述控制系统(2)，
*所述控制系统(2)中的算法(31)，其基于所述传感器信号(7)和所述命令信号(9)，计算发往船舶致动器(3)的控制信号(13)，以便通过信号线(14)将所述控制信号(13)发送到所述致动器(3)，
其特征在于：
*一个或多个通信线路(6)，用于将一个或多个模拟的传感器信号(7′)和/或模拟的命令信号(9′)从远程测试实验室(40)发送到所述控制系统(2)；
*模拟器(30)，其包括算法(32)，用于基于所述船舶(4)的先前状态(7，7′)、所述控制信号(13，13′)和动力学参数(5)，模拟船舶模型(4′)的新的传感器信号(7′)；
*其中，所述通信线路(6)用于将所述船舶模型(4′)的所述新的模拟传感器信号(7′)发送到所述控制系统(2)，以便于在所述控制系统(2)内，基于所述传感器信号(7，7′)的实际值和/或模拟值或所述命令信号(9，9′)的实际值或模拟值，继续计算所述控制信号(13)，以获得所述预期位置、航向、速度(9)等中的至少一个，以及
*其中，所述通信线路(6)用于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)。
39、如权利要求38所述的测试系统，其中，第一开关(15a)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)。
40、如权利要求38所述的测试系统，其中，第二开关(15b)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)。
41、如权利要求38所述的测试系统，其中，第三开关(15c)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)。
42、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述船舶(4)的所述动力学参数(5)输入到所述控制系统(2)的所述算法(31)中，以便于计算发往所述致动器(3)的所述控制信号(13)。
43、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述远程测试实验室(40)配备有模拟器(30)。
44、如权利要求38所述的测试系统，其中，用于从所述远程测试实验室(40)发送一个或多个所述模拟的传感器信号(7′)的所述通信线路(6)与所述远程测试实验室(40)上的第一实时接口(6a)连接以及与之断开连接。
45、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述通信线路(6)与所述船舶(4)上的第二实时接口(6b)连接以及与之断开连接，并且其中，所述第二实时接口(6b)通过所述开关(15a)与通往所述控制系统(2)的所述信号线(11)相连接。
46、如权利要求38所述的测试系统，其中，存在一个模拟命令输入设备(10′)，其用于通过所述实时接口(6a)，并经过通信线路(6)以及通过所述实时接口(6b)，将所述模拟的命令信号(9′)从所述远程测试实验室(40)发送到所述控制系统(2)。
47、如权利要求44所述的测试系统，包括利用所述远程测试实验室(40)中远程设置的模拟器计算机(30R)，通过所述通信线路(6)将所述模拟的传感器信号(7′)和所述模拟的命令信号(9′)传送到所述船舶上的所述本地模拟器(30L)，并且通过所述通信线路(6)，从所述本地模拟器计算机(30L)接收所述控制信号(13′)。
48、如权利要求44所述的测试系统，包括利用所述远程测试实验室(40)中远程设置的测试管理器(33)，通过所述通信线路(6)将所述模拟的状态(50′)的初始值、所述模拟的命令信号(9′)的时间序列和海洋状态、水流、风速和风向的模拟值传送到所述船舶上的所述本地模拟器(30L)，并且通过所述通信线路(6)从所述本地模拟器计算机(30L)接收所述控制信号(13′)，其中所述本地模拟器(30L)连接到所述控制系统(2)，从而使得所述控制系统从所述本地模拟器(30L)获取所述模拟的传感器信号(9′)和所述模拟的命令信号(9′)，并且将所述控制信号(13′)输出到所述本地模拟器(30L)。
49、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述控制系统(2)内的所述算法(31)的整体或部分可以通过所述通信线路(6)，从所述远程测试实验室(40)进行修改、校正或替换。
50、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述控制信号(13)包括形式为一个或多个螺旋桨(16)或推进器(17)的轴转速(13a，13b)以及舵(18)或推进器(17)或可能其它控制设备的角度(13c)的信号(13a，13b，13c)。
51、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述传感器(8)包括下列传感器中的一个或多个：
-位置传感器(8a)，如GPS接收器(8a)、水声位置传感器(8h)、积分式加速度传感器等等，用于确定所述船舶(4)的位置(7a)；
-航向传感器(8b)，如陀螺罗经或其它罗盘，用于确定所述船舶(4)的航向(7b)；
-速度传感器(8c)或积分式加速度传感器，用于确定所述船舶(4)的速度(7c)；
-风速计(8d，8e)，用于给出(相对)风速(7d)和风向(7e)；
-滚转角度传感器(8f)，用于给出滚转角度(7f)；
-俯仰角度传感器(8g)，用于给出俯仰角度(7g)。
52、如权利要求38所述的测试系统，其中，所述远程测试实验室(4)包括数据记录器(15)，其用于将来自所述控制系统(2)的对所述传感器信号(7，7′)的响应以所述控制信号和状态信号(13′，19′)的形式进行记录。
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