Распределенная вычислительная система управления движением для скоростных судов
Распределенная вычислительная система управления движением для скоростных судов относится к судостроению, а именно: к системам автоматического управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например, к системам управления судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной. Сущность полезной модели состоит в том, что система содержит две группы вычислителей управления, каждая из которых содержит пару дублирующих друг друга вычислителей, связанных с двухканальными приводами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей судна и подключенных к остальным вычислителям управления и к соответствующей группе дублирующих друг друга датчиков состояния и положения судна, а также к пульту индикации и управления. Пульт индикации и управления содержит сдвоенные кнопки управления, непосредственно подключенные к соответствующим вычислителям управления приводами левого и правого борта, а также видеомонитор с развитыми графическими возможностями, подключенный через цифровые однонаправленные каналы связи к вычислителям управления системы. Технический результат состоит в возможности совмещения малых временных параметров загрузки и перезагрузки системы управления с развитой графикой при отображении информации, которая может быть размещена как в пульте индикации и управления системы, так и в интегрированном мостике судна в любом удобном для этого месте.
Предлагаемая полезная модель относится к судостроению, в частности, к системам автоматического управления движением скоростных судов с динамическими принципами поддержания, например, к системам управления движением скоростных судов на подводных крыльях, воздушной подушке или с воздушной каверной.
Известны системы управления судном по курсу (авторулевые), содержащие последовательно соединенные панель управления, блок управления с центральным вычислителем и подключенными к нему датчиками информации (лагом, гирокомпасом, GPS и т.д.) и привод руля, механически связанный с рулем судна [см., например, авторулевой Navis AP3000 на сайте http://www.navis.spb.ru].
В подобных системах на центральный вычислитель возложены функции как управления приводом руля по сигналам от датчиков и командам от человека - рулевого, так и индикация режимов и параметров управления и состояния всей системы.
Известно, что от качества и надежности авторулевых в значительной степени зависит безопасность мореплавания, и в связи с этим для скоростных судов авторулевые строятся по дублированной схеме, и приоритет в них должен отдаваться задаче управления, которая не допускает перерывов (зависаний) в управлении и длительных перезагрузок при рестартах из-за сбоев вычислителя. Именно поэтому центральный вычислитель в этих системах должен иметь гарвардскую архитектуру (раздельное хранение и обработку команд и данных) с возможностью исполнения пользовательских программ непосредственно из ПЗУ и при этом возможностью работы лишь с достаточно простыми алфавитно-цифровыми системами индикации.
Однако современные системы управления движением судов должны выстраиваться в системы интегрированного мостика и иметь развитую графическую индикацию, обусловленную повышенными требованиями к системам отображения информации при управлении движением по курсу и траектории. Указанные требования могут быть выполнены с помощью вычислителей общего назначения с фон-неймановской архитектурой (с общей оперативной памятью для команд и данных), способных работать с дисплеями высокого разрешения под управлением операционных систем, видеоконтроллерами и накопителями большой емкости, то есть с помощью так называемых PC-компьютеров встраиваемого типа.
Основным недостатком этих компьютеров с точки зрения управления движением быстрых объектов в реальном масштабе времени является медленный старт и рестарт, так как при включении питания и перезапусках происходит тестирование периферии процессорного модуля, инициализация и перекачка ядра операционной системы, а также пользовательской программы из ПЗУ в ОЗУ, и только после этого передается управление пользовательской программе. Типовое время старта такой системы - от десятков секунд до нескольких минут. Поэтому использование встраиваемого PC-компьютера в систему управления движением быстроходных судов, несмотря на известные удобства и многочисленные программные наработки, в качестве центрального вычислителя управления, как правило, недопустимо, поскольку в этом случае процессы загрузки и перезагрузки должны происходить за доли секунды. Не спасает и переход при перезагрузках в режим ручного управления, так как этот переход осуществляется за время порядка нескольких секунд и доставляет большие неудобства рулевому.
По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к предложенной полезной модели является система автоматического управления скоростным судном, содержащая две группы цифровых вычислителей, подключенных к датчикам состояния и положения судна и управляющих двумя группами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей судна. Из пары дублирующих друг друга вычислителей одной группы каждый вычислитель подключен, по меньшей мере, к одному из вычислителей аналогичной пары другой группы и к соответствующей группе из двух дублирующих друг друга групп датчиков с образованием самостоятельного канала управления двухканальными приводами всех рулевых поверхностей судна [см. патент РФ на изобретение 
2085430 по заявке 95114085 от 08.08.95 г. опубликован: Бюллетень 21 от 27.07.97 г., авторы Баньковский С.П., Капитонов В.П., Петров С.В. и Сидоренко О.И.].
В известном устройстве пульт индикации и управления соединен двумя каналами двунаправленной связи с цифровыми вычислителями управления носовой и кормовой группы соответственно левого и правого борта судна. Режим управления судном (системой) задается с пульта индикации и управления соответствующей командой, содержащей заданные значения параметров управления одновременно всем вычислителем управления приводами системы. В свою очередь, вычислители управления приводами посылают в пульт для отображения информацию о параметрах движения судна, о положении рулевых поверхностей и о состоянии системы управления.
Недостатком известного устройства является то, что вычислителем пульта индикации и управления в этом случае может быть только вычислитель с гарвардской архитектурой и неразвитыми, как правило, графическими возможностями, поскольку альтернативные вычислители общего назначения с фон-неймановской архитектурой принципиально обладают недопустимо большими временами старта и рестарта.
Перед заявленной полезной моделью была поставлена задача обеспечить развитые графические возможности по отображению необходимой информации для управления движением быстроходных судов по курсу и траектории с сохранением приемлемых малых значений времен старта и рестарта управляющих вычислителей системы.
Поставленная задача решается тем, что предложена распределенная вычислительная система управления движением скоростных судов, содержащая две группы вычислителей управления, каждая из которых содержит пару дублирующих друг друга вычислителей, связанных с двухканальными приводами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей судна и подключенных к остальным вычислителям управления и к соответствующей группе дублирующих друг друга датчиков положения и состояния судна, а также к пульту индикации и управления.
Новым в предложенной системе является то, что пульт индикации и управления содержит не связанные друг с другом видеомонитор с развитыми графическими возможностями и сдвоенные кнопки управления, непосредственно подключенные к соответствующим вычислителям управления приводами левого и правого борта, а вычислители управления подключены к видеомонитору через цифровые однонаправленные многоабонентные каналы связи.
Техническим результатом заявленной системы является возможность совместить малые временные параметры загрузки и перезагрузки системы, необходимые для управления быстроходными судами, с развитой графикой, необходимой для современных систем управления по курсу и траектории, и территориально расположенной как в пульте индикации и управления, так и вне его, например, в интегрированном мостике судна.
На фигуре представлена блок-схема заявленной системы.
Заявленная система содержит вычислители 1 управления, разбитые на две группы: группу 2 управления двухканальными приводами 3 кормовых рулевых поверхностей 4 судна и группу 5 управления двухканальными приводами 3 носовых рулевых поверхностей 6 судна. Имеющиеся в системе датчики 7 состояния и положения судна объединены в две дублирующие друг друга группы 8 и 9 и служат для определения, например, положения штурвала (на фигуре не показан), углового положения судна, его угловых скоростей, перегрузок и т.д.
В качестве рулевых поверхностей могут быть носовые и кормовые рули или закрылки крыльевой системы судна.
Для наглядности описания вычислителям 1 управления на фигуре условно присвоены наименования: "носовой" (Н), "кормовой" (К), "левый" (Л) и "правый" (П).
Вычислители 1 управления приводами 3 левого и правого борта судна связаны с видеомонитором 10 с развитыми графическими возможностями пульта 11 индикации и управления по цифровым однонаправленным многоабонентным каналам связи 12 (например, RS-422), а также с соответствующими кнопками сдвоенных кнопок управления 13 пульта 11 индикации и управления по аналоговым интерфейсам 14 разовых команд.
Как видно из фигуры, вычислители 1 управления системы связаны между собой всеми возможными прямыми и перекрестными связями и образуют отказоустойчивую систему управления, способную к реконфигурации структуры при отказах. Для сохранения функций управления всеми рулевыми поверхностями судна в системе достаточно, чтобы сохраняли работоспособность хотя бы два вычислителя 1 из имеющихся четырех, причем один из них должен находиться в группе 2 кормовых вычислителей, а другой - в группе 5 носовых вычислителей. Из фигуры также видно, что при любой реконфигурации системы любой из возможных каналов управления всеми рулевыми поверхностями судна остается подключенным к датчикам 7 и пульту 11 индикации и управления.
Система работает следующим образом.
Режим управления судном (системой) задается с пульта 11 индикации и управления разовой командой путем нажатия соответствующей сдвоенной кнопки управления 13, соединенной по аналоговым интерфейсам 14 со всеми вычислителями 1 управления групп 2 и 5 системы, формирующими для приводов 3 групп 4 и 6 системы законы управления по сигналам с датчиков 7 групп 8 и 9. В свою очередь вычислители 1 посылают в видеомонитор 10 с развитыми графическими возможностями пульта 11 индикации и управления по однонаправленным цифровым многоабонентным каналам связи 12 всю необходимую для качественного отображения и управления движением судна информацию о параметрах движения судна, положении его рулевых поверхностей и состоянии системы на графическом цветном дисплее, входящем в состав видеомонитора (на фигуре не показан).
В качестве вычислителя видеомонитора 10 с развитыми графическими возможностями может быть использован встраиваемый PC-компьютер. При этом заданные значения параметров управления формируются не в пульте 11 индикации и управления, а в самих вычислителях 1 управления с учетом информации от датчиков 7 групп 8 и 9 системы и по цифровым каналам связи 12 передаются для отображения в видеомонитор 10 пульта 11 системы и в другие подобные видеомониторы вне пульта 11.
Совокупность из четырех вычислителей 1 управления системы можно рассматривать как один сверхнадежный центральный вычислитель, сохраняющий возможность управления всеми рулевыми поверхностями судна при отказах. Например, при отказе обоих вычислителей 1 управления правого борта (ПН и ПК) управление приводами 3 правого борта будет осуществляться вычислителями 1 левого борта за счет двухканальности приводов 3, а также датчиков 7 каналов связи левого борта.
Связи между вычислителями 1 управления необходимы для организации развитой системы встроенного контроля (на фигуре не показана), позволяющей осуществлять реконфигурацию структуры при отказах с отключением отказавших каналов управления приводами 3, а также рестарт вычислителей 1 управления с сохранением заданных режимов и параметров управления.
Таким образом, суть заявленного в полезной модели технического решения состоит в том, что пульт индикации и управления содержит кнопки управления и видеомонитор, не связанные друг с другом, при этом функции управления и индикации в системе разделяются друг от друга так, что с точки зрения использования программных средств в системе управления быстроходными судами пульт 11 индикации и управления становится пассивным и не влияет на процессы управления. При зависаниях вычислителя видеомонитора 10 пульта 11 управление всеми рулевыми поверхностями судна сохраняется, при этом используется всегда имеющаяся на борту автономная индикация положения рулевых поверхностей судна (на фигуре не показана) или точно и такой же дублированный видеомонитор. Более того, видеомонитор может быть вынесен за пределы пульта 11 и установлен дополнительно, например, в интегрированном мостике судна за счет многоабонентности цифровых каналов связи 12.
Распределенная вычислительная система управления движением для скоростных судов, содержащая две группы вычислителей управления, каждая из которых содержит пару дублирующих друг друга вычислителей, связанных с двухканальными приводами соответственно носовых и кормовых рулевых поверхностей судна и подключенных к остальным вычислителям управления и к соответствующей группе дублирующих друг друга датчиков состояния и положения судна, а также к пульту индикации и управления, отличающаяся тем, что пульт индикации и управления содержит сдвоенные кнопки управления, непосредственно подключенные к соответствующим вычислителям управления приводами левого и правого бортов, а также видеомонитор с развитыми графическими возможностями, подключенный через цифровые однонаправленные многоабонентные каналы связи к вычислителям управления системы.
