一种基于仿真的船舶中控及安保监测系统的制作方法

本发明涉船舶控制，特别涉及一种基于仿真的船舶中控及安保监测系统。

背景技术：

1、现有基于仿真的船舶中控及安保监测系统提供手动作业操作方式，操作人员通过界面的按钮对相关设备及作业进行手动控制，新船员上船前无高精度仿真测试系统对船员培训，复杂作业过程的操作对操作者提出很高的要求，且存在一定的安全风险。因此需要有一种能实现自动作业的系统和高精度仿真系统，来提高lng船舶作业的便捷性、可靠性、安全性。

2、例如中国发明专利cn107807567a公开的船用分布式监测报警及控制系统，针对系统架构及通讯提出提供一种船用分布式监测报警及控制系统，例如中国发明专利cn111614502b公开的一种智能船综合信息冗余监视系统，针对智能船提供一种数据综合数据冗余监视解决方案，但是以上专利均未涉操作仿真培训问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于仿真的船舶中控及安保监测系统，实现对液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统功能的仿真与控制逻辑的验证，便于操作员的培训，解决了以往手动设定场景参数效率低、错误率高的问题。

2、实现本发明目的技术解决方案为：一种基于仿真的船舶中控及安保监测系统，包括冗余集散控制平台和核心控制系统，所述冗余集散控制平台，用于提供系统运行所需的硬件支撑，实现系统数据采集、动作执行驱动、供电和通讯；所述核心控制系统包括液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统和仿真测试系统，其中：

3、所述液货监控系统，用于实现货物装卸、存储、运输、卸载全流程管控；

4、所述机舱监控系统，用于实现全船的电力分配和设备自动化控制；

5、所述安全监控系统，用于实现lng船各系统和设备的安全运行；

6、所述仿真测试系统通过建立设备的仿真预测模型来模拟实际设备运行，生成测试场景库供测试时直接调用，实现对液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统功能的仿真与控制逻辑的验证。

7、进一步地，所述冗余集散控制平台包括操作站、控制站、远程io站、电源站、网络站；所述操作站用于操作员监控和人对现场设备的控制，与控制站通过冗余以太网连接；所述控制站用于提供系统的控制、监视和报警，与远程io站通过内部io总线连接，所述远程io站用于提供系统的输入输出信号管理，所述电源站采用冗余电源配置，用于提供冗余电源，所述网络站用于设备之间的通讯。

8、进一步地，所述操作站安装实时监控装置，支持一机多屏，提供控制分组、操作面板、诊断信息、趋势、报警信息以及系统状态信息的监控界面，通过操作员站，可获取工艺过程信息和事件报警，对现场设备进行实时控制，操作员站直接从控制站获得实时数据，并向控制站发送操作命令。

9、进一步地，所述控制站包括冗余cpu模块、远程i/o总线模块、电源模块和立式机柜，各控制站分布安装于货物配电室、发动机室、高压配电室和低压配电室。

10、进一步地，所述远程io站包括远程i/o总线模块、i/o模块、电源模块和立式机柜，各远程i/o控制站分布安装于发动机室、高压配电室、低压配电室和储藏室。

11、进一步地，所述网络站提供rs485、profibus dp、nmea通讯，同时提供5套网络插头分布于船舶各位置，每组由两个冗余以太网端口组成。

12、进一步地，所述仿真测试系统中设备包括货舱、液货泵、ld/hd压缩机、气体燃烧单元、再液化装置和发电机；所述测试场景库包括机舱监控系统的测试场景库和液货监控系统的测试场景库，机舱监控系统的测试场景库包括空气压力恒定、蒸汽压力恒定、液货系统供电和机舱系统供电，液货监控系统的测试场景库包括液货舱干燥惰化、喷淋预冷、液货装载、载货航行、液货卸载、驱气和除气。

13、进一步地，所述仿真测试系统基于设备的数据模型和测试场景库，通过基于神经网络的仿真预测模型和粒子群优化方法实现对液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统功能的仿真与控制逻辑的验证。

14、进一步地，所述神经网络结构包括输入、隐藏层、输出层和输出4个部分，训练时，输入变量传入隐藏层，经过连接节点的权重传入下一层输出层，上一层的输出是下一层的输入，在输出层中加权求和，然后根据非线性方程转化为最终的输出变量耦合力，随后将训练集数据归一化，构建神经网络以及网络参数配置，同时将测试集数据归一化，最终将预测结果反归一化与仿真输出变量进行误差计算，将测试集的预测值与对应的运行数据进行误差比较判断是否满足要求。

15、进一步地，所述仿真预测模型具体为：

16、

17、βt＝gt(βt-1，γ)

18、其中，y(s)是系统中输入空间变量s处获得的观测值，n是核成分的总数，ε是高斯随机噪声，wi(s)是非负加权内核，fi(s)＝(fi1(s)，…，fip(s))t是一组已知的基函数，βt是模型参数的向量，gt(·)为非线性演化模型，γ为过程噪声。

19、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

20、(1)通过建立设备的运行数据仿真模型，解决了关重设备机理建模难度大、精度低的问题，具有较强自适应能力、充分逼近任意复杂非线性关系、适用于多变量系统。通过生成机舱监控系统、液货监控系统的典型测试场景库供测试时直接调用，大幅提升场景测试效率与场景设定准确度，解决了以往手动设定场景参数效率低、错误率高的问题；

21、(2)本发明设计冗余集散控制平台，实现现场设备数据采集、执行机构驱动及整个系统的供电与通讯，通过冗余设计，提高了船舶安全性能，减少了事故风险，提高了船舶管理效率，保障了船员和船舶的安全。

22、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

技术特征：

1.一种基于仿真的船舶中控及安保监测系统，包括冗余集散控制平台和核心控制系统，其特征在于，所述冗余集散控制平台，用于提供系统运行所需的硬件支撑，实现系统数据采集、动作执行驱动、供电和通讯；所述核心控制系统包括液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统和仿真测试系统，其中：

2.根据权利要求1所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述冗余集散控制平台包括操作站、控制站、远程io站、电源站、网络站；所述操作站用于操作员监控和人对现场设备的控制，与控制站通过冗余以太网连接；所述控制站用于提供系统的控制、监视和报警，与远程io站通过内部io总线连接，所述远程io站用于提供系统的输入输出信号管理，所述电源站采用冗余电源配置，用于提供冗余电源，所述网络站用于设备之间的通讯。

3.根据权利要求2所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述操作站安装实时监控装置，支持一机多屏，提供控制分组、操作面板、诊断信息、趋势、报警信息以及系统状态信息的监控界面，通过操作员站，可获取工艺过程信息和事件报警，对现场设备进行实时控制，操作员站直接从控制站获得实时数据，并向控制站发送操作命令。

4.根据权利要求3所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述控制站包括冗余cpu模块、远程i/o总线模块、电源模块和立式机柜，各控制站分布安装于货物配电室、发动机室、高压配电室和低压配电室。

5.根据权利要求4所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述远程io站包括远程i/o总线模块、i/o模块、电源模块和立式机柜，各远程i/o控制站分布安装于发动机室、高压配电室、低压配电室和储藏室。

6.根据权利要求5所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述网络站提供rs485、profibus dp、nmea通讯，同时提供5套网络插头分布于船舶各位置，每组由两个冗余以太网端口组成。

7.根据权利要求1所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述仿真测试系统中设备包括货舱、液货泵、ld/hd压缩机、气体燃烧单元、再液化装置和发电机；所述测试场景库包括机舱监控系统的测试场景库和液货监控系统的测试场景库，机舱监控系统的测试场景库包括空气压力恒定、蒸汽压力恒定、液货系统供电和机舱系统供电，液货监控系统的测试场景库包括液货舱干燥惰化、喷淋预冷、液货装载、载货航行、液货卸载、驱气和除气。

8.根据权利要求7所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述仿真测试系统基于设备的数据模型和测试场景库，通过基于神经网络的仿真预测模型和粒子群优化方法实现对液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统功能的仿真与控制逻辑的验证。

9.根据权利要求8所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述神经网络结构包括输入、隐藏层、输出层和输出4个部分，训练时，输入变量传入隐藏层，经过连接节点的权重传入下一层输出层，上一层的输出是下一层的输入，在输出层中加权求和，然后根据非线性方程转化为最终的输出变量耦合力，随后将训练集数据归一化，构建神经网络以及网络参数配置，同时将测试集数据归一化，最终将预测结果反归一化与仿真输出变量进行误差计算，将测试集的预测值与对应的运行数据进行误差比较判断是否满足要求。

10.根据权利要求9所述的基于仿真的船舶中控及安保监测系统，其特征在于，所述仿真预测模型具体为：

技术总结
本发明公开了一种基于仿真的船舶中控及安保监测系统，包括冗余集散控制平台和核心控制系统，冗余集散控制平台，用于提供系统运行所需的硬件支撑，实现系统数据采集、动作执行驱动、供电和通讯；所述核心控制系统包括液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统和仿真测试系统，所述仿真测试系统通过建立设备的仿真预测模型来模拟实际设备运行，生成测试场景库供测试时直接调用，实现对液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统功能的仿真与控制逻辑的验证。仿真测试系统，用于对液货监控系统、机舱监控系统、安全监控系统功能的仿真与控制逻辑的验证。本发明通过数字虚拟仿真技术实现对中控及安保监测系统的全流程运行过程的仿真及测试验证。

技术研发人员：刘志成,陈睿,胡旭杰,邵彦山,朱人杰,张晓,顾曙光,金玲,杨旭,张函玉,徐进师
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一六研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15