一種船舶動力定位三冗余計算機數(shù)據(jù)表決同步方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于船舶動力定位領域，尤其涉及一種船舶動力定位三冗余計算機數(shù)據(jù)表 決同步方法。
【背景技術】
[0002] 隨著能源和資源貧乏的問題日益尖銳，人們越來越重視海上油氣資源的勘探和開 發(fā)，近年來深海石油資源更是成為國際間激烈爭奪的領域，各個國家紛紛開展深海海洋技 術，其中深海海洋石油平臺成為海洋工程中的一項研究熱點。海上石油開采時要求設備能 夠不受海洋環(huán)境影響從而保持在一個固定的區(qū)域，而動力定位系統(tǒng)能夠在風、浪、流等海洋 環(huán)境干擾下不依靠錨泊系統(tǒng)，依靠自身的推進器系統(tǒng)自動保持艏向和位置，在規(guī)定的區(qū)域 內(nèi)作業(yè)，其已被廣泛應用于海洋油氣作業(yè)等領域。面對復雜的海況，為了保證海上作業(yè)人 員及設備的安全性，單純依賴提高元器件及部件的質(zhì)量和裝配工藝質(zhì)量已很難達到系統(tǒng)要 求，因此DP3級動力定位系統(tǒng)采用了三模冗余技術來減少設備出現(xiàn)不可預測的故障或者運 行錯誤所帶來的損失和風險，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，大大降低整個系統(tǒng)的故障率。冗余 技術就是利用多重備份來增加系統(tǒng)可靠性，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，冗余部件接替故障部件工 作。因此DP-3級動力定位系統(tǒng)采用了三模冗余技術以實現(xiàn)容錯功能，其目的就是盡可能的 通過冗余表決技術屏蔽故障模塊的輸出，減少錯誤輸出對整個系統(tǒng)的影響。
[0003] DP3級動力定位系統(tǒng)中設計有三臺冗余計算機，從而構(gòu)成三模冗余系統(tǒng)，三個冗余 計算機執(zhí)行完全相同的功能并且獨立運行，傳感器測量數(shù)據(jù)輸入給三個冗余計算機使其輸 入數(shù)據(jù)完全相同，每個冗余計算機都會產(chǎn)生一個輸出數(shù)據(jù)，并保持三個計算機之間的實時 數(shù)據(jù)通信。然后通過表決算法對三個計算機的輸出數(shù)據(jù)進行仲裁表決，以屏蔽錯誤的輸出 結(jié)果，最終產(chǎn)生一個正確的表決輸出值作為控制指令輸出給執(zhí)行機構(gòu)。通過這種冗余和表 決的方法實現(xiàn)了系統(tǒng)的容錯。因此，可以看出，表決算法的優(yōu)劣性對DP3級動力定位系統(tǒng)是 否屏蔽掉了錯誤輸出數(shù)據(jù)，得到正確表決值起決定性的作用，一個有效、綜合的表決算法甚 至能容忍動力定位系統(tǒng)出現(xiàn)非常惡意的錯誤以實現(xiàn)其容錯功能，正因如此，人們已經(jīng)越來 越多的對表決算法進行研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高動力定位系統(tǒng)容錯能力，提高可靠性的，船舶 動力定位三冗余計算機數(shù)據(jù)表決同步方法。
[0005] -種船舶動力定位三冗余計算機數(shù)據(jù)表決同步方法，三個控制器在完成控制運算 結(jié)果同步后，由主控機運行自適應加權預測表決方法，得到一個表決輸出值，
[0006] 所述的自適應加權預測表決方法為：
[0007] 步驟一：用A= {χ^x2,…，xn}表示在第q個表決周期中N個冗余控制器的控制運 算輸出數(shù)據(jù)集合，其中Xl，\為N個冗余控制器的控制運算輸出數(shù)據(jù)，任意兩個控制器 輸出數(shù)據(jù)的一致程度值S1]:
[0008]
[0009]其中(^=|χ?-χ」I，i乒j,i,j= 1，2,…，N，a是表決閾值，t是可調(diào)節(jié)的參數(shù)；
[0010] 步驟二：對集合A進行劃分，形成Vi，V2，…，Vk，對于任意一個集合Vk它都要滿足： Vk中的任意兩個元素XdXj，其一致程度值Sy要滿足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中的元素個 數(shù)，
[0012] 若|VI彡（N+l)/2,形成多數(shù)一致集合，進行如下操作：
[0013] (1)計算多數(shù)一致集合中各元素的權值；
[0014] 由控制器i的前q_l次歷史表決記錄值Pi(q_l)和控制器i第q次的輸出結(jié)果一 致程度值Si，為集合V中的元素Xl分配權值：
[0015]
[0016] (2)計算表決輸出值X。：
[0017]
[0018] 若|VI〈 (N+1) /2,沒有形成多數(shù)一致集合，利用灰色預測計算表決輸出值。
[0019] 本發(fā)明一種船舶動力定位三冗余計算機數(shù)據(jù)表決同步方法，還可以包括：
[0020] 1、利用灰色預測計算表決輸出值的方法為：
[0021] (1)令前q_l個表決周期中輸出的表決結(jié)果值組成序列X:
[0022] X= (x(l)，x(2)，…，x(q-l))
[0023] 其中x(l)，x(2)…x(q-l)為前q_l次各周期的表決輸出值；
[0024] (2)判斷若X序列中存在負值，則根據(jù)數(shù)據(jù)變換技術將X序列中的數(shù)據(jù)平移一個正 數(shù)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)為X(Q)的 1-AG0 序列：
[0027] X(1) =(x⑴⑴，x(1) (2)，…，x(1) (q-1))
[0028] 其4
[0029] (4)對X(1)做緊鄰均值生成后得到z(1)序列，建立相應的白化微分方程：
[0030；
[0031] 求出預測序列
[0032]
[0033]
[0034] (5)計算原始數(shù)據(jù)X的預測序列
[0035] i-(.v(l),.v(2),---..v(tv))：
[0036](6)計算表決輸出值X。：
[0037] 由于第q個表決周期中N個冗余控制器的輸出集合為A={xdx2，…，xj，
[0038] 記：
[0039] D= {山，d2,…，dn}
[0040] 其中?/;. = |χ,.-_?(《)|，/ = 1，2,，
[0041] 若dm=min{dud2,…，dn}，1彡m彡11，且dm滿足：dm〈ε，ε為閾值，則對應的第q 次的表決輸出值為集合A中的元素Χηι;否則本次表決周期無表決結(jié)果產(chǎn)生。
[0042]2、還包括步驟三：計算第q次表決后每個冗余控制器的歷史表決記錄值Pi(q)，為 下一周期的表決提供計算依據(jù)；
[0043] 控制器i的歷史表決記錄值Pi(q)
[0044]
[0045] 控制器i的一致程度值為：
[0046]
[0047] 有益效果：
[0048] 主控機對計算結(jié)果采用自適應加權預測表決算法進行表決輸出，排除控制計算結(jié) 果的單點故障，減少故障對系統(tǒng)可靠性的影響。具體優(yōu)勢如下：
[0049] 1)對永久性故障和周期性故障都能表決輸出正確結(jié)果；
[0050] 2)在冗余控制器輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)大誤差時能保證較高的安全性和可用性；
[0051] 3)提供一個軟性的表現(xiàn)而不是由于固定不變的表決閾值導致的苛刻表現(xiàn)；
[0052] 4)提供一個透明易懂的權值分配方法；
[0053] 5)提供一個可調(diào)節(jié)的參數(shù)使得該表決算法適用性、靈活性增強；
[0054] 6)在輸出數(shù)據(jù)偏離過大時引入灰色預測，相比采用拉格朗日插值法計算預測值提 高了預測精度；
[0055] 在系統(tǒng)中可根據(jù)失步記錄信息和表決輸出值當單臺計算機或兩臺計算機發(fā)生故 障時，迅速檢測出來，并根據(jù)情況對其進行重啟或斷電，完成系統(tǒng)降級；在故障計算機恢復 時，可將其加入到系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)重構(gòu)。
【附圖說明】
[0056] 圖1動力定位三冗余控制系統(tǒng)框圖；
[0057] 圖2自適應加權預測表決算法流程圖；
[0058] 圖3控制運算數(shù)據(jù)野值時表決算法仿真圖；
[0059] 圖4控制運算數(shù)據(jù)較大波動時表決算法仿真圖；
[0060] 圖5控制運算數(shù)據(jù)凍結(jié)時表決算法仿真圖；
[0061] 圖6控制運算數(shù)據(jù)較大跳躍時表決算法仿真圖；
[0062] 圖7控制運算數(shù)據(jù)偏離過大時表決算法仿真圖；
[0063] 圖8(a)主控機工作流程圖；
[0064] 圖8(b)從控機工作流程圖；
[0065] 圖9本發(fā)明動力定位三冗余控制器示意圖。
【具體實施方式】
[0066] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0067] 本發(fā)明提出了一種三模冗余表決算法即自適應加權預測表決算法，該同步表決算 法可以實現(xiàn)對三臺冗余計算機的控制運算結(jié)果同步，并且可以對控制運算結(jié)果進行表決產(chǎn) 生一個表決輸出值。其目的在于當動力定位控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過該算法能夠屏蔽系 統(tǒng)的單點故障，使系統(tǒng)保持較高的可靠性，實現(xiàn)動力定位系統(tǒng)的容錯功能。
[0068] 在主控機中需要對三臺控制器的控制運算結(jié)果進行表決輸出，本發(fā)明提出了一種 表決算法即自適應加權預測表決算法，具體步驟如下：
[0069] 1、首先根據(jù)每個控制器的控制運算輸出結(jié)果計算每個控制器輸出數(shù)據(jù)的一致程 度值；
[0070] 2、根據(jù)一致程度值的大小對三個控制器的輸出數(shù)據(jù)進行劃分，當形成多數(shù)一致集 合時，則根據(jù)一致程度值和歷史信息記錄值為每個輸出數(shù)據(jù)分配權值，然后進行加權平均 得到本周期的表決輸出值；
[0071] 3、若沒有形成一致的集合時，則說明本次的輸出數(shù)據(jù)一致程度值過小，這時引入 灰色預測根據(jù)前幾周期的正確表決輸出值得到一個預測值，然后挑選出與該預測值最為接 近的輸出數(shù)據(jù)作為表決輸出值；
[0072] 4、根據(jù)本周期的控制器輸出數(shù)據(jù)計算每個控制器的歷史信息記錄值，為下一周期 的表決提供計算依據(jù)。
[0073] 該同步表決算法還可以對三臺冗余計算機的控制運算結(jié)果進行同步，控制運通過 在主控機內(nèi)設置定時器，主控機向從控機發(fā)送控制運算結(jié)果同步命令幀，在定時時間內(nèi)若 三個計算機的控制運算結(jié)果全部到齊則主控機運行表決程序；若某臺計算機的同步數(shù)據(jù)沒 有到來，則退出同步程序，并進行失步記錄，
[0074] 通過對動力定位系統(tǒng)故障輸出數(shù)據(jù)的分析，得到四種控制器輸出數(shù)據(jù)易出現(xiàn)的故 障類型，分別為：輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值、輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動、輸出數(shù)據(jù)凍結(jié)、輸出數(shù)據(jù)跳 躍，輸出數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏離。針對這五種故障類型對該算法進行了仿真驗證。得到驗證圖 分別如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。
[0075] 本發(fā)明提出的是一種船舶動力定位系統(tǒng)三冗余計算機輸出數(shù)據(jù)同步和表決的方 法。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)三臺計算機的控制運算結(jié)果同步，當控制運算結(jié)果同步之后再通過主 控機運行本發(fā)明提出的自適應加權預測表決算法產(chǎn)生一個表決輸出值。該表決算法相比其 他表決算法，針對永久性故障提出了一種計算輸出數(shù)據(jù)一致程度值和計算歷史信息記錄值 的方法，提高表決算法的安全性和可用性；針對周期性故障提出了一種計算權值的方法，使 得該算法能產(chǎn)生正確的表決輸出值。并且當控制運算數(shù)據(jù)一致程度值過小時引入了灰色預 測，提高了算法的適用性和預測精度。通過對三臺冗余計算機的輸出數(shù)據(jù)進行表決，達到屏 蔽系統(tǒng)單點故障，減少故障數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的影響，提高整個系統(tǒng)可靠性實現(xiàn)動力定位系統(tǒng)容 錯的功能。
[0076] -種船舶動力定位控制系統(tǒng)三冗余計算機數(shù)據(jù)表決同步方法，該表決算法為自適 應加權預測表決算法，該算法可以屏蔽系統(tǒng)單點故障。并且該表決同步算法可以對三個冗 余計算機的控制運算結(jié)果進行表決同步。
[0077]