一种船舶动力定位三冗余计算机数据表决同步方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于船舶动力定位领域，尤其涉及一种船舶动力定位三冗余计算机数据表 决同步方法。
【背景技术】
[0002] 随着能源和资源贫乏的问题日益尖锐，人们越来越重视海上油气资源的勘探和开 发，近年来深海石油资源更是成为国际间激烈争夺的领域，各个国家纷纷开展深海海洋技 术，其中深海海洋石油平台成为海洋工程中的一项研究热点。海上石油开采时要求设备能 够不受海洋环境影响从而保持在一个固定的区域，而动力定位系统能够在风、浪、流等海洋 环境干扰下不依靠锚泊系统，依靠自身的推进器系统自动保持艏向和位置，在规定的区域 内作业，其已被广泛应用于海洋油气作业等领域。面对复杂的海况，为了保证海上作业人 员及设备的安全性，单纯依赖提高元器件及部件的质量和装配工艺质量已很难达到系统要 求，因此DP3级动力定位系统采用了三模冗余技术来减少设备出现不可预测的故障或者运 行错误所带来的损失和风险，提高了控制系统的可靠性，大大降低整个系统的故障率。冗余 技术就是利用多重备份来增加系统可靠性，当系统发生故障时，冗余部件接替故障部件工 作。因此DP-3级动力定位系统采用了三模冗余技术以实现容错功能，其目的就是尽可能的 通过冗余表决技术屏蔽故障模块的输出，减少错误输出对整个系统的影响。
[0003] DP3级动力定位系统中设计有三台冗余计算机，从而构成三模冗余系统，三个冗余 计算机执行完全相同的功能并且独立运行，传感器测量数据输入给三个冗余计算机使其输 入数据完全相同，每个冗余计算机都会产生一个输出数据，并保持三个计算机之间的实时 数据通信。然后通过表决算法对三个计算机的输出数据进行仲裁表决，以屏蔽错误的输出 结果，最终产生一个正确的表决输出值作为控制指令输出给执行机构。通过这种冗余和表 决的方法实现了系统的容错。因此，可以看出，表决算法的优劣性对DP3级动力定位系统是 否屏蔽掉了错误输出数据，得到正确表决值起决定性的作用，一个有效、综合的表决算法甚 至能容忍动力定位系统出现非常恶意的错误以实现其容错功能，正因如此，人们已经越来 越多的对表决算法进行研究。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种能够提高动力定位系统容错能力，提高可靠性的，船舶 动力定位三冗余计算机数据表决同步方法。
[0005] -种船舶动力定位三冗余计算机数据表决同步方法，三个控制器在完成控制运算 结果同步后，由主控机运行自适应加权预测表决方法，得到一个表决输出值，
[0006] 所述的自适应加权预测表决方法为：
[0007] 步骤一：用A= {χ^x2,…，xn}表示在第q个表决周期中N个冗余控制器的控制运 算输出数据集合，其中Xl，\为N个冗余控制器的控制运算输出数据，任意两个控制器 输出数据的一致程度值S1]:
[0008]
[0009]其中(^=|χ?-χ」I，i乒j,i,j= 1，2,…，N，a是表决阈值，t是可调节的参数；
[0010] 步骤二：对集合A进行划分，形成Vi，V2，…，Vk，对于任意一个集合Vk它都要满足： Vk中的任意两个元素XdXj，其一致程度值Sy要满足Sij彡K。，
[0011] 令集合v等于Vi，v2，…，\中含有元素最多的集合，令|v|表示集合v中的元素个 数，
[0012] 若|VI彡（N+l)/2,形成多数一致集合，进行如下操作：
[0013] (1)计算多数一致集合中各元素的权值；
[0014] 由控制器i的前q_l次历史表决记录值Pi(q_l)和控制器i第q次的输出结果一 致程度值Si，为集合V中的元素Xl分配权值：
[0015]
[0016] (2)计算表决输出值X。：
[0017]
[0018] 若|VI〈 (N+1) /2,没有形成多数一致集合，利用灰色预测计算表决输出值。
[0019] 本发明一种船舶动力定位三冗余计算机数据表决同步方法，还可以包括：
[0020] 1、利用灰色预测计算表决输出值的方法为：
[0021] (1)令前q_l个表决周期中输出的表决结果值组成序列X:
[0022] X= (x(l)，x(2)，…，x(q-l))
[0023] 其中x(l)，x(2)…x(q-l)为前q_l次各周期的表决输出值；
[0024] (2)判断若X序列中存在负值，则根据数据变换技术将X序列中的数据平移一个正 数c= 2m，其中.出=min丨λ·(/')丨，得到序列X(Q):
[0025] X(〇)=(x(。)(1)，x(〇)(2)，…，x(〇) (q_l));
[0026] (3)令X(1)为X(Q)的 1-AG0 序列：
[0027] X(1) =(x⑴⑴，x(1) (2)，…，x(1) (q-1))
[0028] 其4
[0029] (4)对X(1)做紧邻均值生成后得到z(1)序列，建立相应的白化微分方程：
[0030；
[0031] 求出预测序列
[0032]
[0033]
[0034] (5)计算原始数据X的预测序列
[0035] i-(.v(l),.v(2),---..v(tv))：
[0036](6)计算表决输出值X。：
[0037] 由于第q个表决周期中N个冗余控制器的输出集合为A={xdx2，…，xj，
[0038] 记：
[0039] D= {山，d2,…，dn}
[0040] 其中?/;. = |χ,.-_?(《)|，/ = 1，2,，
[0041] 若dm=min{dud2,…，dn}，1彡m彡11，且dm满足：dm〈ε，ε为阈值，则对应的第q 次的表决输出值为集合A中的元素Χηι;否则本次表决周期无表决结果产生。
[0042]2、还包括步骤三：计算第q次表决后每个冗余控制器的历史表决记录值Pi(q)，为 下一周期的表决提供计算依据；
[0043] 控制器i的历史表决记录值Pi(q)
[0044]
[0045] 控制器i的一致程度值为：
[0046]
[0047] 有益效果：
[0048] 主控机对计算结果采用自适应加权预测表决算法进行表决输出，排除控制计算结 果的单点故障，减少故障对系统可靠性的影响。具体优势如下：
[0049] 1)对永久性故障和周期性故障都能表决输出正确结果；
[0050] 2)在冗余控制器输出数据出现大误差时能保证较高的安全性和可用性；
[0051] 3)提供一个软性的表现而不是由于固定不变的表决阈值导致的苛刻表现；
[0052] 4)提供一个透明易懂的权值分配方法；
[0053] 5)提供一个可调节的参数使得该表决算法适用性、灵活性增强；
[0054] 6)在输出数据偏离过大时引入灰色预测，相比采用拉格朗日插值法计算预测值提 高了预测精度；
[0055] 在系统中可根据失步记录信息和表决输出值当单台计算机或两台计算机发生故 障时，迅速检测出来，并根据情况对其进行重启或断电，完成系统降级；在故障计算机恢复 时，可将其加入到系统中，实现系统重构。
【附图说明】
[0056] 图1动力定位三冗余控制系统框图；
[0057] 图2自适应加权预测表决算法流程图；
[0058] 图3控制运算数据野值时表决算法仿真图；
[0059] 图4控制运算数据较大波动时表决算法仿真图；
[0060] 图5控制运算数据冻结时表决算法仿真图；
[0061] 图6控制运算数据较大跳跃时表决算法仿真图；
[0062] 图7控制运算数据偏离过大时表决算法仿真图；
[0063] 图8(a)主控机工作流程图；
[0064] 图8(b)从控机工作流程图；
[0065] 图9本发明动力定位三冗余控制器示意图。
【具体实施方式】
[0066] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0067] 本发明提出了一种三模冗余表决算法即自适应加权预测表决算法，该同步表决算 法可以实现对三台冗余计算机的控制运算结果同步，并且可以对控制运算结果进行表决产 生一个表决输出值。其目的在于当动力定位控制系统出现故障时，通过该算法能够屏蔽系 统的单点故障，使系统保持较高的可靠性，实现动力定位系统的容错功能。
[0068] 在主控机中需要对三台控制器的控制运算结果进行表决输出，本发明提出了一种 表决算法即自适应加权预测表决算法，具体步骤如下：
[0069] 1、首先根据每个控制器的控制运算输出结果计算每个控制器输出数据的一致程 度值；
[0070] 2、根据一致程度值的大小对三个控制器的输出数据进行划分，当形成多数一致集 合时，则根据一致程度值和历史信息记录值为每个输出数据分配权值，然后进行加权平均 得到本周期的表决输出值；
[0071] 3、若没有形成一致的集合时，则说明本次的输出数据一致程度值过小，这时引入 灰色预测根据前几周期的正确表决输出值得到一个预测值，然后挑选出与该预测值最为接 近的输出数据作为表决输出值；
[0072] 4、根据本周期的控制器输出数据计算每个控制器的历史信息记录值，为下一周期 的表决提供计算依据。
[0073] 该同步表决算法还可以对三台冗余计算机的控制运算结果进行同步，控制运通过 在主控机内设置定时器，主控机向从控机发送控制运算结果同步命令帧，在定时时间内若 三个计算机的控制运算结果全部到齐则主控机运行表决程序；若某台计算机的同步数据没 有到来，则退出同步程序，并进行失步记录，
[0074] 通过对动力定位系统故障输出数据的分析，得到四种控制器输出数据易出现的故 障类型，分别为：输出数据出现野值、输出数据出现较大波动、输出数据冻结、输出数据跳 跃，输出数据出现较大偏离。针对这五种故障类型对该算法进行了仿真验证。得到验证图 分别如图3、图4、图5、图6、图7所示。
[0075] 本发明提出的是一种船舶动力定位系统三冗余计算机输出数据同步和表决的方 法。该系统可以实现三台计算机的控制运算结果同步，当控制运算结果同步之后再通过主 控机运行本发明提出的自适应加权预测表决算法产生一个表决输出值。该表决算法相比其 他表决算法，针对永久性故障提出了一种计算输出数据一致程度值和计算历史信息记录值 的方法，提高表决算法的安全性和可用性；针对周期性故障提出了一种计算权值的方法，使 得该算法能产生正确的表决输出值。并且当控制运算数据一致程度值过小时引入了灰色预 测，提高了算法的适用性和预测精度。通过对三台冗余计算机的输出数据进行表决，达到屏 蔽系统单点故障，减少故障数据对系统的影响，提高整个系统可靠性实现动力定位系统容 错的功能。
[0076] -种船舶动力定位控制系统三冗余计算机数据表决同步方法，该表决算法为自适 应加权预测表决算法，该算法可以屏蔽系统单点故障。并且该表决同步算法可以对三个冗 余计算机的控制运算结果进行表决同步。
[0077]