船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统

摘要

本发明公开一种船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统，该系统包括虚拟测试软件系统、传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块、电源、第二总线、供电线、信号线、总控制台；虚拟测试软件系统、传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块接入第二总线；电源、传感器组合、总控制台、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块接入供电线与信号线。传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块和电源分别具有至少一种虚拟故障模式；虚拟测试软件系统用于获取故障注入策略，根据故障注入策略控制各模块或电源进入相应的虚拟故障模式。本发明广泛应用于船舶智能化技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶智能化技术领域，尤其是一种涉及船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统。

背景技术

智能船舶，是集环境感知技术、物联网技术、人工智能技术以及通信技术等多个技术领域交叉融合的复杂系统。船舶智能研发与验证的核心是测试，船舶的智能功能的研发与实现依托于测试与验证技术在设计与实践阶段进行检测与试验。而在智能船舶投入到实际工业应用中之前，不仅需要对其远程驾驶、自主航行等功能进行系统性与可靠性的测试验证，还需要针对船舶随时可能出现的典型故障工况进行响应级测试。如果不在真实船舶上进行响应测试，虚拟船舶与真实情况相差较大，船舶工作人员在实际操作中解决故障的能力就难以训练和提高；如果采用真实船舶来进行故障工况响应级测试，会造成大量的资源浪费并对测试样本(船舶)本身造成损坏。

发明内容

本发明的目的通过故障注入模拟以测试船舶在故障工况下智能航行算法与理论的安全性与合理性。本发明利用虚拟仿真与模型试验视为整体设计船舶硬件模块部分，模块化嵌入式设备实现虚拟软件测试系统。硬件模块部分通过信号线相互连接，通过第二总线与虚拟软件测试系统连接，通过供电线电源和总控制台；每一个硬件模块分别具有不同的虚拟故障模式，高度还原真实船舶航行情况发生的故障。虚拟软件测试系统通过故障注入计算机实现模拟智能船舶硬件模块部分的虚拟故障模式并注入相应的故障注入策略。如此搭建的船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统成本低、搭建过程相对简单而且与真实情况接近，利于形成故障工况下船舶智能航行应对策略。

本发明提供的技术方案是：

一种船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统，包括虚拟测试软件系统、传感器组合、综合控制执行系统、外部输入设备、螺旋桨控制模块、舵机控制模块、电源、第二总线、供电线、信号线；

上述虚拟测试软件系统、传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块接入第二总线；上述电源、传感器组合、总控制台、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块接入供电线；上述传感器组合通过信号线接入综合执行系统；综合执行系统通过信号线分别接入螺旋桨控制模块和虚拟测试软件系统；螺旋桨控制模块通过信号线接入舵机控制模块；

上述传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块和电源分别具有至少一种虚拟故障模式；上述虚拟测试软件系统用于获取故障注入策略，根据故障注入策略控制传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块或电源进入相应的虚拟故障模式。

进一步地，船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统还包括：

外部输入设备，用于人为设置虚拟故障模式；

综合测试诊断系统，用于获取虚拟故障模式，检测故障发生的位置与原因；

虚拟测试控制台，用于执行控制指令；

第一总线，用于连接虚拟测试软件系统与虚拟测试控制台。

进一步地，电源的虚拟故障模式包括第一虚拟故障、第二虚拟故障、第三虚拟故障和第四虚拟故障。第一虚拟故障为传感器组合模块供电故障；第二虚拟故障为综合控制执行系统供电故障；第三虚拟故障为螺旋桨控制模块供电故障；第四虚拟故障为舵机控制模块供电故障。各种虚拟故障分别对应不同的故障注入策略。第一虚拟故障对应的故障注入策略为断开某单一传感器供电线；第二虚拟故障对应的故障注入策略为断开综合控制执行系统供电线；第三虚拟故障对应的故障注入策略为断开螺旋桨控制模块供电线；第四虚拟故障对应的故障注入策略为断开舵机控制模块供电线。

进一步地，第二总线通信的虚拟故障模式包括第五虚拟故障和第六虚拟故障。第五虚拟故障为综合控制执行系统总线通讯故障；第六虚拟故障为虚拟检测软件系统总线通讯故障。第五虚拟故障对应的故障注入策略为断开综合控制执行系统总线接口；第六虚拟故障对应的故障注入策略为断开虚拟测试软件系统总线接口。

进一步地，传感器组合的虚拟故障模式包括第七虚拟故障、第八虚拟故障、第九虚拟故障、第十虚拟故障、第十一虚拟故障、第十二虚拟故障。第七虚拟故障为差分GPS无信号；第八虚拟故障为毫米波雷达无数据输出；第九虚拟故障为激光雷达无图像显示；第十虚拟故障为螺旋桨转速为0；第十一虚拟故障为电罗经数值异常；第十二虚拟故障为舵角传感器数值异常。

第七虚拟故障对应的故障注入策略为断开差分GPS信号线、第八虚拟故障对应的故障注入策略为断开毫米波雷达信号线、第九虚拟故障对应的故障注入策略为断开激光雷达信号线、第十虚拟故障对应的故障注入策略为断开螺旋桨供电线、第十一虚拟故障对应的故障注入策略为断开电罗经信号线、第十二虚拟故障对应的故障注入策略为断开舵角传感器信号线。

进一步地，综合控制执行系统的虚拟故障模式包括第十三虚拟故障和第十四虚拟故障。第十三虚拟故障为螺旋桨控制失灵；第十四虚拟故障为舵机控制失灵。第十三虚拟故障对应的故障注入策略为断开螺旋桨信号输入接口；第十四虚拟故障对应的故障注入策略为断开舵机信号输入接口。

进一步地，螺旋桨控制模块的虚拟故障模式包括第十五虚拟故障、第十六虚拟故障和第十七虚拟故障。第十五虚拟故障为螺旋桨卡死；第十六虚拟故障为螺旋桨信号无法输入；第十七虚拟故障为电机定子线圈断路。第十五虚拟故障对应的故障注入策略为断开螺旋桨电机供电线；第十六虚拟故障对应的故障注入策略为断开螺旋桨控制信号线；第十七虚拟故障对应的故障注入策略为断开电机定子线圈。

进一步地，舵机控制模块的虚拟故障模式包括第十八虚拟故障、第十九虚拟故障和第二十虚拟故障。第十八虚拟故障为舵机卡死；第十九虚拟故障为舵角信号无法输入；第二十虚拟故障为编码器输出异常或无输出。第十八虚拟故障对应的故障注入策略为断开舵机供电线；第十九虚拟故障对应的故障注入策略为断开舵机控制信号线；第二十虚拟故障对应的故障注入策略为连接失效编码器。

进一步地，本发明还依托虚、实测试数据进行故障指标评估。实测试数据包含历史故障工况响应测试数据、历史实际故障工况数据等；虚拟测试数据由本发明模拟产生，虚拟测试数据的逻辑算法在数字孪生空间中实现，计算出不同虚拟故障模式下的船舶智能航行系统的有效应对率，以评估智能航行系统的安全性与可靠性。

本发明的有益效果：利用虚拟仿真与模型试验视为整体设计船舶硬件模块部分，模块化嵌入式设备实现虚拟软件测试系统。每一个硬件模块分别具有不同的虚拟故障模式，高度还原船舶航行的真实故障情形。虚拟软件测试系统通过故障注入计算机实现模拟智能船舶硬件模块部分的虚拟故障模式并注入相应的故障注入策略。如此搭建的船舶智能航行故障工况响应虚拟测试系统成本低、搭建过程相对简单而且与真实情况接近，利于船舶工作人员训练和提高在实际操作中解决故障的能力。

附图说明

图1是船舶智能航行故障响应虚拟测试系统结构组成及测试流程图。

具体实施方式

实施例1

本实施例中一种船舶智能航行故障工况响应测试系统，参照图1，包括：虚拟测试软件系统、虚拟测试控制台、综合测试诊断系统、外部输入设备、传感器组合、综合控制执行系统、螺旋桨控制模块、舵机控制模块、第一总线、第二总线、信号线、供电线、以及电源与总控制台。

虚拟测试软件系统接入第二总线并通过第一总线接入虚拟测试控制台；综合测试诊断系统接入第二总线；传感器组合分别接入第二总线与供电线；综合控制执行系统分别接入第二总线与供电线，并通过信号线接收来自传感器组合的脉冲信号，同时通过信号线接入虚拟测试软件系统；螺旋桨控制模块分别接入第二总线与供电线，并通过信号线接收来自综合控制执行系统的转速输入；舵机控制模块分别接入第二总线与供电线，并通过信号线接收来自综合控制执行系统的舵角输入。整个系统由电源与总控制台提供并控制供电线以电信号。

综合测试诊断系统可以接收虚拟故障模式、检测故障发生的位置与原因。

虚拟测试控制台(控制中心)，由船舶工作人员控制。工作人员通过虚拟测试控制台的命令行界面进行人机交互，从而实现模拟故障注入。

传感器组合包含GPS接收器、毫米波雷达、激光雷达、螺旋桨转速传感器、电罗经方向传感器、舵角传感器。传感器之间通过信号线组合连接。

虚拟测试软件系统获取模拟故障模式输入，包括电源通信故障、第二总线通信故障、传感器组合故障、综合控制执行系统故障、螺旋桨控制故障以及舵机控制模块故障。而且还能获取不同虚拟故障模式对应的故障注入策略。

电源通信模块包括四种虚拟故障模式，故障模式编号为第一虚拟故障、第二虚拟故障、第三虚拟故障、第四虚拟故障。具体地，第一虚拟故障模拟表现为“传感器组合模块供电故障”；第二虚拟故障模拟表现为“综合控制执行系统供电故障”；第三虚拟故障模拟表现为“螺旋桨控制模块供电故障”；第四虚拟故障模拟表现为“舵机控制模块供电故障”。如表1所示，当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开某单一传感器供电线”时，虚拟测试软件系统控制传感器组合模块的虚拟故障模式模拟出第一虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开综合控制执行系统供电线”时，虚拟测试软件系统控制综合控制执行系统的虚拟故障模式模拟出第二虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开螺旋桨控制模块供电线”时，虚拟测试软件系统控制螺旋桨控制模块的虚拟故障模式模拟出第三虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开舵机控制模块供电线”时，虚拟测试软件系统控制舵机控制模块的虚拟故障模式模拟出第四虚拟故障。

第二总线通信的虚拟故障模式包括两种故障模式，虚拟故障模式编号为第五虚拟故障、第六虚拟故障。具体地，第五虚拟故障模拟表现为综合控制执行系统总线通讯故障；第六虚拟故障模拟表现为虚拟测试软件系统总线通讯故障。如表1所示，当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开综合控制执行系统总线接口”时，虚拟软件测试系统控制综合执行系统的虚拟故障模式模拟出第五虚拟故障；当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开虚拟测试软件系统总线接口”时，虚拟软件测试系统控制综合执行系统的虚拟故障模式模拟出第六虚拟故障。

传感器组合的虚拟故障模式包括六种故障模式，这六种故障模式为第七虚拟故障、第八虚拟故障、第九虚拟故障、第十虚拟故障、第十一虚拟故障、第十二虚拟故障，具体地，第七虚拟故障模拟表现为“差分GPS无信号”现象的故障；第八虚拟故障模拟表现为“毫米波雷达无数据输出”；第九虚拟故障模拟表现为“激光雷达无图像显示”；第十虚拟故障模拟表现为“螺旋桨转速为0”；第十一虚拟故障模拟表现为“电罗经数值异常”；第十二虚拟故障模拟表现为“舵角传感器数值异常”。如表1所示，当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开差分GPS信号线”，虚拟测试软件系统控制传感器组合的虚拟故障模式模拟出第七虚拟故障；当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开毫米波雷达信号线”时，虚拟测试软件系统控制传感器组合的虚拟故障模式模拟出第八虚拟故障；当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开激光雷达信号线”时，虚拟测试软件系统控制传感器组合的虚拟故障模式模拟出第九虚拟故障；当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开螺旋桨供电线”时，虚拟测试软件系统控制传感器组合的虚拟故障模式模拟出第十虚拟故障；当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开电罗经信号线”时，虚拟测试软件系统控制传感器组合的虚拟故障模式模拟出第十一虚拟故障；当虚拟测试软件系统所获取的故障注入策略为“断开舵角信号传感器信号线”时，虚拟测试软件系统控制传感器组合的虚拟故障模式模拟出第十二虚拟故障。

综合控制执行系统的虚拟故障模式包括两种故障模式，故障模式编号为第十三虚拟故障、第十四虚拟故障。具体地，第十三虚拟故障模拟表现为“螺旋桨控制失灵”；第十四虚拟故障模拟表现为“舵机控制失灵”。如表1所示，当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开螺旋桨信号输入接口”时，虚拟测试软件系统控制综合控制执行系统的虚拟故障模式模拟出第十三虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开舵机信号输入接口”时，虚拟测试软件系统控制综合控制执行系统的虚拟故障模式模拟出第十四虚拟故障。

螺旋桨控制模块的虚拟故障模式包括三种故障模式，故障模式编号为第十五虚拟故障、第十六虚拟故障、第十七虚拟故障。具体地，第十五虚拟故障模拟表现为“螺旋桨卡死”、第十六虚拟故障模拟表现为“螺旋桨信号无法输入”、第十七虚拟故障模拟表现为“电机定子线圈断路”。如表1所示，当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开螺旋桨电机供电线”时，虚拟测试软件系统控制螺旋桨控制模块的虚拟故障为第十五虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开螺旋桨控制信号线”时，虚拟测试软件系统控制螺旋桨控制模块的虚拟故障为第十六虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开电机定子线圈”时，虚拟测试软件系统控制螺旋桨控制模块的虚拟故障为第十七虚拟故障。

舵机控制模块的虚拟故障模式包括三种故障模式，故障模式编号为第十八虚拟故障、第十九虚拟故障、第二十虚拟故障。具体地，第十八虚拟故障模拟表现为“舵机卡死”、第十九虚拟故障模拟表现为“舵机信号无法输出”、第二十虚拟故障模拟表现为“编码器输出异常或无输出”。如表1所示，当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开舵机供电线”时，虚拟测试软件系统控制舵机控制模块的虚拟故障为第十八虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“断开舵机控制信号线”时，虚拟测试软件系统控制舵机控制模块的虚拟故障为第十九虚拟故障；当虚拟测试软件系统获取的故障注入策略为“连接失效编码器”时，虚拟测试软件系统控制舵机控制模块的虚拟故障为第二十虚拟故障。

船舶工作人员可以通过外部输入设备人为设置故障类型。虚拟测试软件系统对外部输入设备传入的分析故障信息，诊断故障能否自我修复并通过诊断结果注入相应的故障注入策略。

表1智能船舶虚拟测试故障注入模式集及注入策略