曹永恒，黃文斌，黃 晶，孫靈遠(yuǎn)，任元洲，羅勇平

(1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所 九江分部，江西 九江 332007；3. 九江精密測(cè)試技術(shù)研究所，江西 九江 332000)

新型操舵控制系統(tǒng)余度管理技術(shù)

曹永恒1，黃文斌2，黃 晶3，孫靈遠(yuǎn)2，任元洲2，羅勇平2

(1. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇七研究所 九江分部，江西 九江 332007；3. 九江精密測(cè)試技術(shù)研究所，江西 九江 332000)

為提高船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性，提出采用四通道余度管理技術(shù)，4套操舵控制箱互為備份，通過(guò)數(shù)據(jù)交叉鏈路和控制指令表決處理的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)N（N≤3）套操舵控制箱發(fā)生故障下，保證系統(tǒng)還能正常運(yùn)行并可靠工作。該技術(shù)在大型船舶自動(dòng)操舵儀和無(wú)人船等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

余度管理；操舵控制；自動(dòng)航跡

0 引 言

余度技術(shù)是提高系統(tǒng)任務(wù)可靠性與安全可靠性的一種重要手段，余度部件效能的發(fā)揮程度主要取決于余度管理策略和方法，余度管理技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空試驗(yàn)機(jī)[1]、無(wú)人機(jī)[2-4]、客機(jī)[5]、飛行控制[7]、機(jī)載計(jì)算機(jī)[8]、液壓伺服回路[9]等，但在船舶操縱領(lǐng)域相關(guān)研究和應(yīng)用均較少[10]。

操舵控制余度系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是余度管理技術(shù)，余度管理是決定系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素，也是容錯(cuò)管理的主要功能，操舵控制系統(tǒng)的故障容錯(cuò)能力主要通過(guò)系統(tǒng)的余度管理來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]。余度管理通過(guò)硬件與軟件結(jié)合的方法，保證基于余度設(shè)計(jì)的系統(tǒng)正確協(xié)調(diào)地工作，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行并完成故障檢測(cè)及處理工作的功能。余度管理是余度和容錯(cuò)設(shè)計(jì)的核心，是余度系統(tǒng)獲取高任務(wù)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。

為提高船舶操舵控制系統(tǒng)的可靠性，確保船舶在全球各海域和復(fù)雜海況下安全可靠航行，本文提出基于余度設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，采用最新的余度管理技術(shù)，運(yùn)行位于舵機(jī)操控室的4套指令發(fā)送箱的余度管理軟件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的余度管理和容錯(cuò)控制功能。

1 實(shí)現(xiàn)途徑

在操舵控制余度系統(tǒng)中，操舵控制余度計(jì)算機(jī)通過(guò)局域以太網(wǎng)及CAN總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并與各操舵部位相連接。4套操舵控制余度計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行相同的余度管理軟件，完整的軟件處理包括初始化、同步、數(shù)據(jù)輸入/采集、輸入/采集數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏?、輸?采集數(shù)據(jù)比較、控制律計(jì)算、輸出數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗⑤敵鰯?shù)據(jù)比較和故障處理等幾個(gè)重要環(huán)節(jié)。余度管理軟件主要通過(guò)同步算法、數(shù)據(jù)交叉鏈路算法、表決算法等關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的余度管理功能。

4套操舵控制余度計(jì)算機(jī)通道間采用交叉數(shù)據(jù)鏈路（CCDL）進(jìn)行信息交換，采用任務(wù)級(jí)同步算法實(shí)現(xiàn)通道同步工作。4個(gè)通道始終熱備份運(yùn)行相同任務(wù)，基于交叉數(shù)據(jù)鏈路對(duì)操舵相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行表決和監(jiān)控。在實(shí)時(shí)運(yùn)行中，為了消除各通道之間的時(shí)鐘誤差，保證各通道在參加表決監(jiān)控時(shí)必須同步工作，在每一周期執(zhí)行任務(wù)之前，首先對(duì)各有效通道進(jìn)行同步。通過(guò)同步監(jiān)控對(duì)同步結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)某個(gè)通道在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未參加同步，則判該通道與其他通道失步，在本周期后面的處理中失步通道不再參加表決。

在任意時(shí)刻，系統(tǒng)選取某一余度計(jì)算機(jī)作為主計(jì)算機(jī)（控制權(quán)計(jì)算機(jī)），主計(jì)算機(jī)除有權(quán)進(jìn)行控制輸出外，同時(shí)還由其發(fā)出指令對(duì)故障通道進(jìn)行隔離。在系統(tǒng)無(wú)故障且表決結(jié)果滿足多數(shù)一致的條件時(shí)，系統(tǒng)采用固定優(yōu)先級(jí)的策略，由1#通道的余度計(jì)算機(jī)掌握控制權(quán)并輸出控制量，2#、3#和4#通道的余度計(jì)算機(jī)處于監(jiān)控狀態(tài)，參與表決但不進(jìn)行控制輸出。在高優(yōu)先級(jí)通道故障時(shí)，系統(tǒng)次優(yōu)先級(jí)通道將按照固定的優(yōu)先級(jí)順序依次接管控制權(quán)。在表決結(jié)果不滿足多數(shù)一致的條件時(shí)，選取置信度最高的通道接管控制權(quán)。

在自動(dòng)操舵方式下，在某一特定同步周期，各操舵控制箱余度計(jì)算機(jī)根據(jù)該同步周期的航向、航速、經(jīng)緯度等導(dǎo)航信息，通過(guò)交叉數(shù)據(jù)鏈路傳輸，經(jīng)通道交叉表決后，采用該同步周期統(tǒng)一的航向、航速和經(jīng)緯度等導(dǎo)航信息進(jìn)行控制律運(yùn)算，計(jì)算出指令舵角，各通道計(jì)算結(jié)果再次通過(guò)交叉數(shù)據(jù)鏈路，在通道間進(jìn)行交叉表決，確定1路作為該同步周期的指令舵角信號(hào)發(fā)送至系統(tǒng)總線，作為操舵控制輸出指令。由于船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)變化相對(duì)緩慢，且輸入信號(hào)的不一致最終會(huì)體現(xiàn)在計(jì)算的輸出信號(hào)上，所以輸入信號(hào)的表決可以省略，這樣也可減少CAN總線的傳輸負(fù)擔(dān)，提高傳輸?shù)男屎涂煽啃浴?/p>

圖 1 自動(dòng)操舵方式余度管理總流程圖Fig. 1 The overall flow chart of redundancy management for automatic steering

2 同步及表決算法

余度管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于同步處理和表決處理2個(gè)環(huán)節(jié)。

在操舵控制余度系統(tǒng)中，各余度計(jì)算機(jī)運(yùn)行相同的計(jì)算任務(wù)，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較、表決，從而達(dá)到提高整個(gè)余度控制系統(tǒng)可靠性的目的。為保證各余度控制計(jì)算機(jī)在比較、表決時(shí)的數(shù)據(jù)是同一次計(jì)算的結(jié)果，以維持計(jì)算數(shù)據(jù)的一致性，就必須同步（見圖2），使各余度控制計(jì)算機(jī)在同一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行相同的計(jì)算任務(wù)。操舵控制余度系統(tǒng)采用任務(wù)級(jí)同步算法實(shí)現(xiàn)各余度計(jì)算機(jī)的同步，任務(wù)級(jí)同步算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)物理（硬件）意義上的精確同步，各通道之間最大的同步誤差為系統(tǒng)設(shè)定的同步上限。各通道余度計(jì)算機(jī)以操作系統(tǒng)用戶任務(wù)的最高優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)同步任務(wù)，各余度計(jì)算機(jī)的同步幀在CAN總線上傳輸，各同步幀采用高優(yōu)先級(jí)的幀ID（ID值越小優(yōu)先級(jí)越高），以確保同步幀在CAN總線中傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。同步算法由余度管理程序的同步任務(wù)模塊完成。

各通道余度計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后進(jìn)入同步任務(wù)，在各通道取得同步后，才可進(jìn)行操舵控制計(jì)算。在每個(gè)同步周期，各通道操舵控制余度計(jì)算機(jī)運(yùn)行應(yīng)用程序進(jìn)行操舵控制計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果后進(jìn)入同步點(diǎn)（由信號(hào)量進(jìn)行控制）。在同步點(diǎn)，各通道操舵控制余度計(jì)算機(jī)首先產(chǎn)生本周期的同步幀，攜帶記錄發(fā)送操舵控制余度計(jì)算機(jī)的編號(hào)，運(yùn)行周期序號(hào)等信息，廣播到其他操舵控制余度計(jì)算機(jī)。操舵控制余度計(jì)算機(jī)檢查收到的其他余度計(jì)算機(jī)的同步幀，判斷其他操舵控制余度計(jì)算機(jī)進(jìn)入同步點(diǎn)或是處于同步接收等待狀態(tài)。

圖 2 余度管理的同步算法流程圖Fig. 2 The flow chart of synchronization algorithm for redundancy management

如果操舵控制余度計(jì)算機(jī)在同步等待時(shí)間到達(dá)上限之前收到所有其他操舵控制余度計(jì)算機(jī)的合理同步幀，則同步成功，計(jì)算出操舵控制余度計(jì)算機(jī)進(jìn)入同步點(diǎn)與收到最后一個(gè)同步幀之間的時(shí)間，將此值作為時(shí)間差參數(shù)傳遞給上層應(yīng)用軟件，結(jié)束本次同步；否則，認(rèn)為操舵控制余度計(jì)算機(jī)同步失敗。通知上層應(yīng)用程序按照同步算法傳遞的時(shí)間差參數(shù)進(jìn)行延時(shí)，以保證在下一個(gè)運(yùn)行周期四通道中的各操舵控制余度計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序同時(shí)開始。

在自動(dòng)操舵模式下，操舵控制箱的控制輸入信號(hào)為指令航向和實(shí)際航向、航速、經(jīng)緯度，輸出信號(hào)為指令舵角。故障通道不具有表決權(quán)，工作正常的通道進(jìn)入同步環(huán)節(jié)。同步算法是表決算法的前提和基礎(chǔ)，未同步的通道自動(dòng)取消本同步周期的表決資格，取得同步的通道進(jìn)入表決環(huán)節(jié)。在操舵控制余度系統(tǒng)中，未發(fā)生故障且取得同步的通道具有表決權(quán)。

各通道計(jì)算機(jī)在任務(wù)啟動(dòng)后，根據(jù)各計(jì)算周期計(jì)算結(jié)果的正確度開始計(jì)算自身的置信度。以固定的優(yōu)先級(jí)和變化的置信度作為表決的權(quán)重指標(biāo)。表決算法由余度管理程序表決任務(wù)模塊完成。表決任務(wù)模塊負(fù)責(zé)控制指令的表決輸出。

操舵控制箱1、操舵控制箱2、操舵控制箱3和操舵控制箱4通過(guò)交叉數(shù)據(jù)鏈路（CCDL）交換各自計(jì)算/采集的指令舵角（指令舵角在自動(dòng)操舵模式下通過(guò)控制律計(jì)算取得，在手動(dòng)操舵模式下通過(guò)AD采集取得）。采用多數(shù)一致表決方式，誤差在設(shè)定范圍內(nèi)認(rèn)為一致，計(jì)算結(jié)果為多數(shù)一致的通道具有表決權(quán)，對(duì)于某特定同步周期，在具有表決權(quán)的通道中按照設(shè)定優(yōu)先級(jí)確定唯一通道輸出指令舵角。

余度管理表決算法流程圖如圖3所示。在無(wú)故障通道的情況下，在四通道輸出結(jié)果一致（4:0）的情況下，以設(shè)定優(yōu)先級(jí)高的通道輸出作為表決輸出。當(dāng)四通道輸出為3:1或2:1:1的情況時(shí)，滿足多數(shù)一致的要求，以設(shè)定優(yōu)先級(jí)高的通道輸出作為表決輸出。當(dāng)四通道輸出為2:2或1:1:1:1的情況時(shí)，不滿足多數(shù)一致的要求，以置信度高的通道作為主通道，主通道發(fā)出表決不一致系統(tǒng)報(bào)警，并提示操舵人員進(jìn)行干預(yù)。

3 仿真結(jié)果

對(duì)該型操舵控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行半物理仿真試驗(yàn)，半物理仿真試驗(yàn)包括回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和自動(dòng)航跡仿真試驗(yàn)，具體仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4為船舶四通道輸出出現(xiàn)2:2的情況時(shí)的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真曲線，此時(shí)不滿足多數(shù)一致的要求，以置信度高的高優(yōu)先級(jí)通道輸出作為表決輸出，從圖中可以看出，根據(jù)本文所提出的表決處理算法，仍能保證操舵儀輸出正確且有效的輸出指令，船舶能較為準(zhǔn)確地完成回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

圖 3 余度管理表決算法流程圖Fig. 3 The flow chart of voting algorithm for redundancy management

圖 4 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真曲線圖Fig. 4 Simulation curve graph of turning test

圖 5 自動(dòng)航跡仿真曲線圖Fig. 5 Simulation curve graph of automatically tracking

圖5為某通道輸出指令與其他三通道（3:1）不一致時(shí)的某型船舶自動(dòng)航跡仿真曲線圖。通過(guò)仿真曲線圖顯示，在某通道輸出指令出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)本文所提出的表決處理算法，仍能保證操舵儀輸出正確且有效的輸出指令，船舶能較為準(zhǔn)確地跟蹤給定航跡，且航跡穩(wěn)定精度滿足操舵儀指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)于大型船舶自動(dòng)操舵儀操舵故障問(wèn)題，提出采用四指令發(fā)送箱余度管理技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)交叉鏈路和控制指令/監(jiān)控報(bào)警表決處理的冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)N（N≤3）套指令發(fā)送箱發(fā)生故障下，保證系統(tǒng)還能正常運(yùn)行，有效工作。該型操舵儀系統(tǒng)通過(guò)回轉(zhuǎn)和自動(dòng)航跡的半物理仿真試驗(yàn)，其中回轉(zhuǎn)試驗(yàn)輸出指令出現(xiàn)2:2的情況時(shí)，該操舵儀經(jīng)表決處理輸出正確且有效的控制指令，船舶能較為準(zhǔn)確地完成回轉(zhuǎn)試驗(yàn)；在進(jìn)行自動(dòng)航跡的半物理仿真試驗(yàn)，某通道輸出指令與其他三通道（3:1）不一致時(shí)，該操舵儀經(jīng)表決處理，仍能保證操舵儀輸出正確且有效的控制指令，船舶能較為準(zhǔn)確地跟蹤給定航跡，且航跡穩(wěn)定精度滿足操舵儀指標(biāo)要求。

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Redundancy management technology for a new rudder control system

CAO Yong-heng1, HUANG Wen-bin2, HUANG Jing3, SUN Ling-yuan2, REN Yuan-zhou2, LUO Yong-ping2
(1. Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. Jiujiang Branch of the 707 Research Institute of CSIC, Jiujiang 332007, China; 3. Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute, Jiujiang 332000, China)

In order to improve the reliability of the ship rudder control system, the four-channel redundancy management technology is proposed. Four sets of steering control cabinets are backup mutually. Through redundant design of crosschannel data link and control command voting, when N(N≤3) sets of steering control cabinets are under failure, the proposed method ensures that the system can operate effectively and normally. In the fields of automatic pilot instruments of large vessels and unmanned vessels, the method has good application prospect.

redundancy management；steering control；automatically tracking

TP391

A

1672-7649(2017)11-0136-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.026

2017-02-16；

2017-05-05

曹永恒(1979-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事艦船電子通信導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。