可降级的三冗余同步表决计算机控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及了一种可降级的三冗余船舶动力定位控制系统。
【背景技术】
[0002] 动力定位系统（Dynamic Positioning System)是一种借助传感器和自身动力使 船尽可能的保持在目标位置上或保持航向的闭环控制系统。其主要由计算机系统、传感器 系统、显示系统、位置参考系统和推进器系统等组成。由于海洋环境复杂多变，动力定位系 统的工作环境十分恶劣，这对船舶动力定位系统的稳定性、可靠性和安全性提出了严峻的 考验。三冗余计算机系统可以很好的解决动力定位系统对高可靠性、安全性要求的难题。三 冗余计算机系统是以资源冗余为前提，根据不同的表决策略对系统中三台控制计算机的数 据进行表决，并以该结果作为系统的输出，当系统中某计算机发生故障时，系统可进行降级 运行在双机或单机模式，当故障计算机修复后仍可加入表决系统进行系统重组。该结构使 动力定位系统具有了对实时任务的容错能力。
【发明内容】
[0003] 本申请的发明目的在于解决目前的三冗余船舶计算机控制系统存在的上述技术 问题，而提供一种稳定可靠且安全性高的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统，大大 提高了动力定位系统实时任务的容错能力。
[0004] 为了完成本申请的发明目的，本申请采样以下技术方案：
[0005] 本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统，由三套传感器系统、三台数 据采集器、三台控制计算机和两台同步表决器组成，所述传感器系统将传感器数据发送给 对应的数据采集器，所述数据采集器将传感器数据打包后发送给对应的控制计算机，所述 控制计算机与所述同步表决器相连，实现传感器数据、控制率解算数据和指令消息的传递， 所述两个同步表决器通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监测；
[0006] 所述三套传感器系统与三台数据采集器一一对应相连，所述传感器系统通过串口 通信将传感器数据发送给对应的数据采集器，所述三台数据采集器与三台控制计算机一一 对应相连，所述数据采集器将接收到的传感器数据打包后通过以太网方式发送给对应的控 制计算机；
[0007] 每个所述控制计算机都通过通信串口和监测串口分别与两个同步表决器互联，所 述控制计算机与同步表决器通过通信串口完成传感器数据、控制率解算数据及指令信息的 交互，所述控制计算机与同步表决器通过监测串口完成心跳检测消息的交互。
[0008] 本发明的两个所述同步表决器中的一个为在线状态，另外一个为离线状态，在线 状态的同步表决器和离线状态的同步表决器通过串口互联实现状态信息的交换及相互监 测，当在线状态的同步表决器故障时，其降级为离线状态，所述离线状态的同步表决器升级 为在线状态使系统继续工作。
[0009] 本发明所述同步表决器通过通信串口的数据超时、数据丢失、数据错误以及数据 表决结果实时检测三台控制计算机的故障，所述同步表决器通过监测串口的计算机自检信 息定位控制计算机内部故障并结合通信数据定位故障源。
[0010] 本发明所述同步表决器通过数据缓存器将数据发往所述通信串口和监测串口，所 述数据缓存器对故障的控制计算机进行软隔离。
[0011] 本发明所述同步表决器采用基于历史记录的带权重值的表决算法，该算法包含建 立历史记录和数据表决两个过程。
[0012] 本发明还提供一种可降级的三冗余同步表决计算机控制方法，使用上述的可降级 的三冗余同步表决计算机控制系统，其特征在于：所述三台控制计算机中的一台为主控制 计算机，其余为从控制计算机，控制计算机的主从关系由同步表决器决定，计算机控制系统 的三冗余切换由同步表决器控制，控制方法为：
[0013] (1)系统上电后由在线状态的同步表决器发送包含有主从关系的握手消息给控制 计算机，若握手成功，则三台控制计算机根据该握手消息确认主从状态，并向所述同步表决 器发送握手响应消息，否则在线状态的同步表决器报警，重新上电并按照上述方法重新确 定控制计算机的主从关系；
[0014] (2)系统的每个数据表决周期由主控制计算机发起，在线状态的同步表决器收到 同步消息后同时向三台控制计算机发送同步回馈消息；
[0015] (3)三台控制计算机在收到该同步回馈消息后同时向同步表决器发送传感器数 据，在线状态的同步表决器收到三路传感器数据进行表决后同时向三台控制计算机发送传 感器表决结果；
[0016] (4)三台控制计算机同时收到该结果，并通过控制率解算进程进行数据解算，并将 解算结果发送给在线状态的同步表决器；
[0017] (5)在线状态的同步表决器收到三台控制计算机解算结果进行表决，将表决结果 回送给三台控制计算机，由主控制计算机进行表决结果的输出控制动力定位系统；
[0018] (6)在线状态的同步表决器对所述计算机控制系统协调进行三机冗余、双机冗余 和单机工作模式切换：系统初始状态为三机冗余模式，当所述同步表决器检测到其中一个 或两个从控制计算机故障时，所述同步表决器通过所述数据缓存器将所述故障的从控制计 算机软隔尚，使系统工作切换为双机冗余模式或单机工作模式；
[0019] (7)若所述同步表决器检测到主控制计算机故障时，则将该主控制计算机软隔离， 重新发送一次握手消息，按照所述步骤（1)的方法重新确定主控制计算机，然后按照所述 步骤（2)-(5)控制动力定位系统。
[0020] 本发明所述计算机控制系统由同步表决器切换到三机冗余的系统重组方法为：
[0021] (1)当系统工作在单机模式时，若在线状态的同步表决器检测到某故障的从控制 计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复正常的从控制计算机加入到控制 计算机系统中，使控制计算机系统升级为双机冗余模式；
[0022] (2)当系统工作在双机冗余模式时，若在线状态的同步表决器检测到故障的从控 制计算机恢复正常，则通过与其相连的数据缓存器将该恢复的从控制计算机加入到控制计 算机系统中，使控制计算机系统升级为三机冗余模式。
[0023] 本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统与现有技术相比区别在于：本 发明提供一种应用于船舶动力定位中的三冗余同步表决计算机控制系统，它克服了由一 个同步表决单元出现故障造成整个控制系统故障的缺陷，该系统由三台结构相同的控制计 算机、两个结构相同的同步表决器、三套传感器系统和三个数据采集器组成，三套传感器系 统分别通过数据采集器与三台控制计算机相连，传感器数据通过串口通信方式发送到数据 采集器后由数据采集器按设定格式打包并通过以太网发送给控制计算机，每台控制计算机 均通过串口通信和监测串口分别与两个同步表决器相连以实现传感器数据、控制率解算数 据和各种指令消息的传递，两同步表决器通过串口互联以实现状态信息的交换及相互监 测，控制计算机协同同步表决器完成数据同步、传感器数据和控制率解算数据的表决、故障 检测和系统重组等功能。
[0024] 三冗余计算机系统是以资源冗余为前提，根据不同的表决策略对系统中三台控制 计算机的数据进行表决，并以该结果作为系统的输出，当系统中某控制计算机发生故障时， 系统可进行降级运行，即在双机或单机模式下运行，当故障控制计算机修复后仍可加入表 决系统进行系统重组，该控制计算机系统提高了动力定位系统对实时任务的容错能力。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026] 如图1所示，本实施例的可降级的三冗余同步表决计算机控制系统包含三台结构 相同的控制计算机3、两个结构相同的同步表决器4、三套传感器系统1和三个数据采集器 2,三套传感器系统1分别通过数据采集器2与三台控制计算机3相连，为控制计算机3提 供传感器数据，每台控制计算机3均通过通信串口 5、监测串口 6分别与两个同步表决器4 相连以完成数据信息和监测信息的