一種遙控水下作業(yè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)及其調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種遙控水下作業(yè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)及其調(diào)度方法。系統(tǒng)包括主要由水上主、從控制器構(gòu)成的水上子網(wǎng)絡(luò)，以及主要由水下主、從控制器構(gòu)成的水下子網(wǎng)絡(luò)，將控制功能下放到各控制器，以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和容錯能力。調(diào)度包括水上主控制器調(diào)度和水下主控制器二部分，均包括主循環(huán)過程和定時中斷服務(wù)過程。調(diào)度方法采用雙主從并發(fā)調(diào)度方法使交換機(jī)內(nèi)不存在端口報文發(fā)送沖突，提高控制系統(tǒng)通信的確定性和實時性；并嵌入完備的通信錯誤檢測機(jī)制，保證報文的完整性及系統(tǒng)的自檢能力，提高系統(tǒng)的可靠性。還采用應(yīng)急處理方法，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)通信故障時具備應(yīng)急回收能力。
【專利說明】一種遙控水下作業(yè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)及其調(diào)度方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信技術(shù)，特別涉及遙控水下作業(yè)系統(tǒng)及其通信調(diào)度方法。

【背景技術(shù)】
[0002]水下作業(yè)技術(shù)是非常廣泛的領(lǐng)域，涉及國防軍事、水利設(shè)施建設(shè)、抗洪搶險、海洋資源開發(fā)利用等。相比于陸地，水下作業(yè)環(huán)境更加惡劣，作業(yè)系統(tǒng)失效后救援回收困難，易造成重大人員或財產(chǎn)損失。因此水下智能作業(yè)系統(tǒng)是典型的安全關(guān)鍵系統(tǒng)，需要在設(shè)計時充分考慮系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急功能。隨著水下作業(yè)任務(wù)要求的不斷提高，水下作業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜度也越來越高。傳統(tǒng)的集中式控制結(jié)構(gòu)存在主控制器負(fù)荷大、功能擴(kuò)展難、容錯能力差、故障率高等缺點(diǎn)；而基于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的分布式控制結(jié)構(gòu)則可以通過把控制功能下放到各本地控制器降低控制風(fēng)險，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和容錯能力。
[0003]傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)一般采用專用網(wǎng)絡(luò)，如各種現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，多為短報文數(shù)據(jù)交換，強(qiáng)調(diào)通信延時的確定性和傳輸可靠性。由于以太網(wǎng)技術(shù)具有成本低、速度高、通用性等特點(diǎn)，目前已經(jīng)逐步應(yīng)用到一些實時控制領(lǐng)域，以取代原有的專用網(wǎng)絡(luò)。為適應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)的實時性要求，工業(yè)以太網(wǎng)多采用基于時間片的分時調(diào)度方法，如Powerlink，Profinet I/O, EPA等，或者采用集總幀的方法，如EtherCAT。這些方法都需要專用的設(shè)備或協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)精確的時間同步，在一定程度上提高了系統(tǒng)的成本。而對于非實時數(shù)據(jù)，工業(yè)以太網(wǎng)仍采用傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的遙控水下作業(yè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，目的在于將該系統(tǒng)的控制功能下放到各控制器，以提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和容錯能力；本發(fā)明還設(shè)計了該通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度方法，能夠滿足系統(tǒng)控制器之間通信的軟實時性和可靠性要求。
[0005]本發(fā)明提供的一種用于遙控水下作業(yè)的通信系統(tǒng)，其特征在于，它包括水上子網(wǎng)絡(luò)和水下子網(wǎng)絡(luò)二部分，其中，
[0006]所述水上子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器，M個水上從控制器，以及水上工業(yè)交換機(jī)，水上波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成，水下子網(wǎng)絡(luò)由水下主控制器，N個水下從控制器，以及水下工業(yè)交換機(jī)，水下波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成；
[0007]水上、水下子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器和水下主控制器通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交換；
[0008]水上主控制器負(fù)責(zé)收集M個水上從控制器對水下作業(yè)平臺的控制指令，并將這些指令打包成一個集成指令報文通過工業(yè)交換機(jī)和波分復(fù)用收發(fā)器發(fā)送給水下主控制器；水上主控制器還用于檢測與水上從控制器及水下主控制器之間的通信錯誤；
[0009]水下主控制器受控于水上主控制器，用于接收到集成指令報文后，將集成指令報文分解轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的N個水下從控制器，接收各水下從控制器反饋的狀態(tài)信息，并將其打包成一個水下網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息報文反饋給水上主控制器；水下主控制器還用于檢測與水下從控制器及水上主控制器之間的通信錯誤；各水上從控制器和水下從控制器均用于被動響應(yīng)主控制器的調(diào)度報文；
[0010]水上、水下工業(yè)交換機(jī)用于連接水上控制器和水下控制器，并采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制以消除各端口的報文發(fā)送沖突；
[0011]水上、水下波分復(fù)用收發(fā)器用于實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸。
[0012]本發(fā)明提供的一種用于上述通信系統(tǒng)的調(diào)度方法，其特征在于，包括水上主控制器調(diào)度和水下主控制器調(diào)度二部分；
[0013]所述水上主控制器調(diào)度包含水上定時中斷服務(wù)過程和水上主循環(huán)過程；水上定時中斷服務(wù)過程用于完成調(diào)度報文的發(fā)送及其發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)水上從控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測；所述水上主循環(huán)過程用于實時接收各水上從控制器的反饋報文并進(jìn)行報文接收錯誤檢測，同時檢查所有水上從控制器的通信錯誤計數(shù)器值，若有水上從控制器的通信錯誤計數(shù)器值超過用戶設(shè)定的容忍閾值，則提示用戶進(jìn)行系統(tǒng)檢查或水下平臺的應(yīng)急回收；
[0014]所述水下主控制器同樣包括水下定時中斷服務(wù)過程和水下主循環(huán)過程，其中，水下定時中斷服務(wù)過程由接收到來自水上主控制器的集成指令報文AB的事件使能，進(jìn)行調(diào)度報文的發(fā)送、調(diào)度報文發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測；調(diào)度結(jié)束后，水下主控制器禁止定時器中斷；
[0015]水下主循環(huán)過程用于實時接收處理水上主控制器發(fā)送來的指令報文AB及水下從控制器的所有饋報文，檢測報文接收錯誤，將水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值寫入狀態(tài)反饋集成報文BA并發(fā)送給水上主控制器；水下主循環(huán)過程還用于檢測水下主控制器與水上主控制器之間的通信狀態(tài)，當(dāng)診斷出永久通信故障時，水下主控制器釋放應(yīng)急浮筒，進(jìn)入應(yīng)急回收狀態(tài)。
[0016]本發(fā)明針對大型遙控水下作業(yè)系統(tǒng)的實時性及可靠性要求，提出一種通信系統(tǒng)及其調(diào)度方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計雙主從并發(fā)調(diào)度方法使交換機(jī)內(nèi)不存在端口報文發(fā)送沖突，提高控制系統(tǒng)通信的確定性和實時性；
[0018](2)調(diào)度方法中嵌入完備的通信錯誤檢測機(jī)制，保證報文的完整性及系統(tǒng)的自檢能力，提高系統(tǒng)的可靠性。
[0019](3)設(shè)計應(yīng)急處理方法，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)通信故障時具備應(yīng)急回收能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明提出的遙控水下作業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0021]圖2為本發(fā)明提出的一種雙主從以太網(wǎng)調(diào)度時序圖；
[0022]圖3為本發(fā)明提出的水上主控制器定時調(diào)度處理流程圖；
[0023]圖4為本發(fā)明提出的水上主控制器主循環(huán)流程圖；
[0024]圖5為本發(fā)明提出的水下主控制器主循環(huán)流程圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0026]本發(fā)明提出的一種遙控水下作業(yè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)分為水上和水下兩部分，水上主控制器，M個水上從控制器，以及水上工業(yè)交換機(jī)，水上波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成水上網(wǎng)絡(luò)，水下主控制器，N個水下從控制器，以及水下工業(yè)交換機(jī)，水下波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成水下網(wǎng)絡(luò)。M、N為大于等于I的正整數(shù)。
[0027]水上、水下子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器和水下主控制器通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交換。
[0028]水上主控制器負(fù)責(zé)收集M個水上從控制器對水下作業(yè)平臺的控制指令，并將這些指令打包成一個集成指令報文發(fā)送給水下主控制器。
[0029]水下主控制器接收到集成指令報文后，將控制指令分解轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的N個水下從控制器，接收這些從控制器反饋的狀態(tài)信息，并將其打包成一個水下網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息報文反饋給水上主控制器。
[0030]水上、水下工業(yè)交換機(jī)用于連接水上控制器和水下控制器。
[0031 ] 水上、水下波分復(fù)用收發(fā)器用于實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸。
[0032]從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖峡?，水上網(wǎng)絡(luò)和水下網(wǎng)絡(luò)分別以各自的工業(yè)交換機(jī)為根節(jié)點(diǎn)形成星型網(wǎng)絡(luò)。若不進(jìn)行通信調(diào)度管理，所有控制器均具有主動發(fā)起通信的能力，交換機(jī)通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來消除各端口的報文發(fā)送沖突，理論上講沖突不會造成報文的丟失，但會造成報文延時的不確定性，特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)荷比較重時，這種延時的不確定性更加突出，以西門子工業(yè)交換機(jī)為例，有報文沖突時最高延時可達(dá)100毫秒，難以滿足控制系統(tǒng)的實時性、確定性要求。
[0033]本發(fā)明針對上述水下作業(yè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)提出一種雙主從確定性調(diào)度方法，使交換機(jī)所有端口不出現(xiàn)報文發(fā)送沖突，因而，節(jié)點(diǎn)間的通信時延僅由交換機(jī)的報文處理速度來決定，是確定性的。以西門子工業(yè)交換機(jī)為例，無報文沖突時交換機(jī)內(nèi)的最高延時為10毫秒。水上主控制器是水上網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)調(diào)度管理水上的M個從控制器；水下主控制器是水下網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)調(diào)度管理水下的N個從控制器。水下主控制器同時受控于水上主控制器，只有當(dāng)其接收到水上主控制器的指令報文后，才開始將該指令報文調(diào)度分發(fā)給水下其他控制器。
[0034]雙主從以太網(wǎng)調(diào)度方法主要在水上主控制器和水下主控制器中實現(xiàn)，水上、水下各從控制器只需被動響應(yīng)主控制器的調(diào)度報文。
[0035]假定水上主控制器代號為A，水下主控制器代號為B，Ai (i = 1,2,…，Μ)為水上主控制器對水上從控制器i的查詢報文，iA為水上從控制器i對水上主控制器回復(fù)的指令報文；AB為水上主控制器發(fā)送給水下主控制器的含有水上各從控制器對水下各從控制器指令的集成指令報文；Bj(j = 1,2,…，N)為水下主控制器對水下從控制器j的指令報文，JB為水下從控制器j對水下主控制器回復(fù)的控制器狀態(tài)報文；BA為水下主控制器發(fā)送給水上主控制器的水下各控制器狀態(tài)集成報文。本發(fā)明提出的調(diào)度時序如圖2所示。
[0036]微調(diào)度時刻是指調(diào)度報文的發(fā)送時刻，即t = KT時刻，微調(diào)度周期是指兩個相鄰微調(diào)度時刻之間的間隔，即T。
[0037]其中T為微調(diào)度周期，其取值決定于從控制器對主控制器調(diào)度報文的響應(yīng)時間，一般最小取所有從控制器最長響應(yīng)時間的2?3倍。圖2中上方時間軸為水上主控制器的調(diào)度時序，水上主控制器在各微調(diào)度時刻依次向水上從控制器i發(fā)送調(diào)度報文Ai，并在下一個微調(diào)度時刻到來之前完成對水上從控制器i反饋報文iA的接收，從而消除了水上工業(yè)交換機(jī)內(nèi)的報文沖突；圖2中下方時間軸為水下主控制器的調(diào)度時序，水下主控制器在各微調(diào)度時刻依次向水下從控制器j發(fā)送調(diào)度報文Bj，并在下一個微調(diào)度時刻到來之前完成對水下從控制器j反饋報文jB的接收，從而消除了水下工業(yè)交換機(jī)內(nèi)的報文沖突。水下主控制器的調(diào)度由正確接收到水上主控制器發(fā)送來的集成指令報文AB條件觸發(fā)，即水下主控制器只有正確接收到AB報文后，才開始對各水下從控制器進(jìn)行調(diào)度通信，并在調(diào)度結(jié)束后把所有水下從控制器反饋的狀態(tài)信息打包到BA報文中去，反饋給水上主控制器。
[0038]為充分利用時隙，提高通信頻率，本發(fā)明提出的調(diào)度方法在保證交換機(jī)內(nèi)不出現(xiàn)報文沖突的前提下，對水上網(wǎng)絡(luò)和水下網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并發(fā)調(diào)度。
[0039]具體實施方法為:水上主控制器和水下主控制器均以Ta = Tb = Max (M, N) *T為宏調(diào)度周期進(jìn)行調(diào)度，水上主控制器在第k個宏調(diào)度周期的最后一個微調(diào)度時刻(k+l)*TA向水下主控制器發(fā)送集成指令報文ABk，k為正整數(shù)，表示宏調(diào)度周期的序號，不等待水下主控制器的反饋報文即開始下一個宏調(diào)度周期的調(diào)度，并在接收到水下主控制器的反饋報文BAk后的下一個微調(diào)度時刻，立即向水下主控制器發(fā)送新一輪的集成指令報文AB(k+1)。該方案使水上主控制器充分利用水下網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度時間，來準(zhǔn)備新的集成指令報文AB，形成水上、水下網(wǎng)絡(luò)的并發(fā)調(diào)度，提高整個網(wǎng)絡(luò)的實時性。
[0040]圖2給出的是水上從控制器個數(shù)M小于水下從控制器個數(shù)N的情形，為實現(xiàn)水上、水下網(wǎng)絡(luò)的宏調(diào)度周期一致，避免出現(xiàn)報文沖突的情況，水上網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度每個宏調(diào)度周期有N-M個空閑微調(diào)度時刻，而水下網(wǎng)絡(luò)則處于滿負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)水上從控制器個數(shù)M大于水下從控制器個數(shù)N時，水上網(wǎng)絡(luò)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，而水下網(wǎng)絡(luò)有M-N個空閑微調(diào)度時刻。當(dāng)M等于N時，該調(diào)度方案通信效率達(dá)到最高。
[0041]為保證報文的完整性，本發(fā)明在需要進(jìn)行報文交換的各控制器之間建立邏輯連接，并采用帶確認(rèn)的數(shù)據(jù)通信機(jī)制。因此，水上主控制器能夠檢測與水上從控制器及水下主控制器之間的報文發(fā)送錯誤和報文接收錯誤；水下主控制器能夠檢測與水下從控制器及水上主控制器之間的報文發(fā)送錯誤和報文接收錯誤。此外，本發(fā)明提出的調(diào)度方法還在水上主控制器和水下主控制器中進(jìn)行響應(yīng)超時檢測。例如水上主控制器向水上從控制器i發(fā)送調(diào)度報文Ai后，水上從控制器i必須在時間T內(nèi)正確回復(fù)水上主控制器iA報文，否則將產(chǎn)生響應(yīng)超時錯誤，有可能引發(fā)報文沖突，造成調(diào)度失敗。
[0042]水上主控制器為每個水上從控制器設(shè)計三個通信錯誤計數(shù)器，分別是報文發(fā)送錯誤計數(shù)器、報文接收錯誤計數(shù)器和報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器。
[0043]當(dāng)水上主控制器向某水上從控制器成功發(fā)送一個報文時，該控制器的報文發(fā)送錯誤計數(shù)器減一，直至減為零后不再累減，定義為飽和減一；相反，當(dāng)水上主控制器向該控制器發(fā)送報文產(chǎn)生錯誤時，該控制器的報文發(fā)送錯誤計數(shù)器加一，直至達(dá)到一個用戶設(shè)定的發(fā)送錯誤容忍閾值后不再累加，定義為飽和加一。同理，當(dāng)水上主控制器正確接收某水上從控制器的報文時，該控制器接收錯誤計數(shù)器飽和減一；反之，該控制器的接收錯誤計數(shù)器飽和加一。響應(yīng)超時計數(shù)器也按照相同的機(jī)制進(jìn)行處理。
[0044]水上主控制器同時檢測與水下主控制器之間的報文發(fā)送錯誤、報文接收錯誤及報文接收超時錯誤。報文發(fā)送錯誤與報文接收錯誤的定義及檢測方法與前述相同，不再贅述。報文接收超時錯誤是指水上主控制器連續(xù)L個宏調(diào)度周期未接收到水下主控制器的狀態(tài)反饋集成報文BA，其中L是用戶設(shè)置的容忍閾值，一般可取3?4。
[0045]水下主控制器為每個水下從控制器設(shè)計三個通信錯誤計數(shù)器，分別是報文發(fā)送錯誤計數(shù)器、報文接收錯誤計數(shù)器和報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器。錯誤計數(shù)器操作方法與水上主控制器相同。
[0046]為使水上主控制器實時掌握水下網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)，水下主控制器將水下從控制器的三個通信錯誤計數(shù)器打包到BA報文中反饋給水上主控制器。
[0047]水下主控制器同時檢測與水上主控制器之間的報文發(fā)送錯誤、報文接收錯誤及報文接收超時錯誤。報文發(fā)送錯誤與報文接收錯誤的定義及檢測方法與前述相同，不再贅述。報文接收超時錯誤是指水下主控制器連續(xù)L個宏調(diào)度周期未接收到水上主控制器的集成指令報文AB，其中L是用戶設(shè)置的容忍閾值，一般可取3?4。
[0048]本發(fā)明提出的調(diào)度方案中，正常工況下水上主控制器能夠獲得所有水上從控制器和水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值，當(dāng)有從控制器的發(fā)送/接收/響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的閾值時，水上主控制器觸發(fā)聲光報警，提醒用戶檢查通信網(wǎng)絡(luò)或進(jìn)入應(yīng)急回收工況。水上主控制器同時檢測與水下主控制器之間的報文發(fā)送、接收及報文接收超時錯誤，當(dāng)檢測到與水下主控制器之間報文發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的閾值或產(chǎn)生BA報文接收超時錯誤時，水上主控制器斷定與水下主控制器發(fā)生永久性通信故障，此時水上主控制器停止調(diào)度，觸發(fā)聲光報警以提醒用戶進(jìn)入應(yīng)急回收工況，應(yīng)急回收具體方法如下:
[0049]水上主控制器啟用與平臺應(yīng)急上浮相關(guān)的水下控制器(即進(jìn)排水控制器，控制高壓氣閥對壓載水艙排水，實現(xiàn)平臺上浮)的備用邏輯連接，嘗試與該控制器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)急通信。若能成功，則表明水下主控制器故障，但以太網(wǎng)物理鏈路仍工作正常，因而水上主控制器可以使用原通信鏈路與進(jìn)排水控制器通信，對平臺進(jìn)行應(yīng)急回收。若不能建立應(yīng)急通信，則表明水上/水下通信鏈路故障，水上主控制器不動作，等待水下主控制器執(zhí)行應(yīng)急動作，建立備用應(yīng)急通信鏈路。
[0050]本發(fā)明提出的調(diào)度方案中，正常工況下，水下主控制器將所有水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值打包入BA報文中反饋給水上主控制器。
[0051]當(dāng)水下主控制器檢測到與水上主控制器之間的報文發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的閾值或產(chǎn)生AB報文接收超時錯誤時，水下主控制器斷定與水上主控制器產(chǎn)生永久性通信故障，則水下主控制器停止調(diào)度，釋放應(yīng)急浮筒，將應(yīng)急通信電纜(應(yīng)急通信電纜采用零浮力電纜，正常時纏繞在應(yīng)急浮筒上，一端與進(jìn)排水控制器相連接，另一端用水密接頭密封固定在應(yīng)急浮筒上)帶上水面，以便于操作人員把應(yīng)急通信電纜的另一端通過水密接頭連接到水上主控制器上，建立水上主控制器與進(jìn)排水控制器的應(yīng)急通信鏈路，對水下平臺進(jìn)行應(yīng)急回收。之后水下主控制器退出工作狀態(tài)。
[0052]本發(fā)明提供的調(diào)度方法主要包括水上主控制器調(diào)度過程和水下主控制器調(diào)度過程二部分。水上從控制器和水下從控制器只需被動響應(yīng)主控制器的調(diào)度報文即可。
[0053]水上主控制器主要包含兩個過程:定時中斷服務(wù)過程和主循環(huán)過程。其中，定時中斷服務(wù)過程中，調(diào)度定時器的周期設(shè)置為微調(diào)度周期T，完成調(diào)度報文的發(fā)送及其發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測。主循環(huán)過程是一個無限循環(huán)，用于實時接收各控制器的反饋報文并進(jìn)行報文接收錯誤檢測，同時檢查所有控制器的通信錯誤計數(shù)器值，若有控制器的通信錯誤計數(shù)器值超過用戶設(shè)定的容忍閾值，則提示用戶進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)檢查或水下平臺的應(yīng)急回收。具體而言，如圖3所示，水上主控制器的定時中斷處理過程主要包括如下步驟:
[0054]I)計算當(dāng)前需要發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號，計算方法如下:假定上一微調(diào)度時刻水上主控制器發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號為i_l，則當(dāng)前需要調(diào)度的控制器編號為i ;當(dāng)i = 1,2,…，M時，水上主控制器當(dāng)前需要調(diào)度的控制器為水上從控制器i ;若水上從控制器個數(shù)M大于等于水下從控制器個數(shù)N，則當(dāng)i = M+1時，水上控制器當(dāng)前需要調(diào)度的控制器為水下主控制器；若M小于N，則當(dāng)i = M+l，-,N-1時，水上主控制器不調(diào)度，當(dāng)i = N時，水上主控制器調(diào)度水下主控制器；調(diào)度時序如圖2中上方時間軸所示；
[0055]2)水上主控制器向當(dāng)前被調(diào)度的水上從控制器發(fā)送調(diào)度報文Ai或向當(dāng)前被調(diào)度的水下主控制器發(fā)送調(diào)度報文AB ；
[0056]3)水上主控制器檢測水上從控制器1-Ι (當(dāng)i = 2,3,…，M+1時)是否已經(jīng)回復(fù)報文，若是，則將水上從控制器i_l的報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器飽和減一；否則，將水上從控制器1-ι的報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器飽和加一；
[0057]4)水上主控制器檢測調(diào)度報文Ai (i = 1,2,…，Μ)或AB是否已正確發(fā)送，若正確發(fā)送，則將相應(yīng)控制器的發(fā)送錯誤計數(shù)器飽和減一；若產(chǎn)生發(fā)送錯誤，則將相應(yīng)控制器的發(fā)送錯誤計數(shù)器飽和加一；
[0058]5)若當(dāng)前被調(diào)度的控制器為水下主控制器，則水上主控制器將當(dāng)前被調(diào)度控制器編號清零，表明當(dāng)前一個宏調(diào)度周期已經(jīng)結(jié)束；
[0059]6)結(jié)束。
[0060]如圖4所示，水上主控制器主循環(huán)過程主要包括如下步驟:
[0061]I)啟動BA報文接收超時定時器；
[0062]2)嘗試接收水上從控制器及水下主控制器的反饋報文，若接收到水上從控制器i的反饋報文iA(i = 1，2，…，M)，轉(zhuǎn)入步驟3)，否則轉(zhuǎn)入步驟4)；
[0063]3)判斷接收到的反饋報文iA是否正確，如果是，將水上從控制器i的接收錯誤計數(shù)器飽和減一，否則將水上從控制器i的接收錯誤計數(shù)器飽和加一；
[0064]4)若接收到水下主控制器的反饋報文BA，則重啟BA報文接收定時器，轉(zhuǎn)入步驟5)，否則轉(zhuǎn)入步驟6)；
[0065]5)判斷接收到的反饋報文BA是否正確，如果是，將水下主控制器的接收錯誤計數(shù)器飽和減一，否則將水下主控制器的接收錯誤計數(shù)器飽和加一；
[0066]6)判斷BA報文接收超時定時器是否溢出，若是，則置位BA報文接收超時錯誤標(biāo)志，并重啟BA報文接收超時定時器；否則轉(zhuǎn)入步驟7)；
[0067]7)檢查所有從控制器的通信錯誤計數(shù)器，包括所有水上從控制器及BA報文中所含有的水下從控制器的發(fā)送/接收/響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器，若有計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的容忍閾值(容忍閾值越大，系統(tǒng)對偶然發(fā)生的通信錯誤越不敏感，一般取3?4即可)，則水上主控制器以聲光報警的方式提示操作人員進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)檢查或水下平臺的應(yīng)急回收；否則轉(zhuǎn)入步驟8)；
[0068]8)檢查水下主控制器的報文發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器和BA報文接收超時錯誤標(biāo)志，若計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的容忍閾值或產(chǎn)生BA報文接收超時錯誤，則水上主控制器觸發(fā)聲光報警，提醒操作人員對水下平臺進(jìn)行應(yīng)急上浮回收；否則轉(zhuǎn)入步驟9)；
[0069]9)若操作人員使能應(yīng)急回收，則水上主控制器退出調(diào)度，與進(jìn)排水控制器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)急通信，回收平臺；否則轉(zhuǎn)入步驟2)；
[0070]10)結(jié)束。
[0071]水下主控制器同樣包括兩個過程:定時中斷服務(wù)過程和主循環(huán)過程。，其中，定時中斷服務(wù)過程中，調(diào)度定時器定時周期為微調(diào)度周期T，由接收到來自水上主控制器的集成指令報文AB使能定時中斷，進(jìn)行調(diào)度報文的發(fā)送及相應(yīng)的報文發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測。定時器中斷服務(wù)處理過程與水上主控制器相同，調(diào)度時序如圖2中下方時間軸所示，這里不再贅述。主循環(huán)過程也是一無限循環(huán)，實時接收處理水上主控制器發(fā)送來指令報文AB及水下從控制器的所有饋報文，檢測報文接收錯誤，將水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值寫入BA報文并反饋給水上主控制器。主循環(huán)還檢測水下主控制器與水上主控制器之間的通信狀態(tài)，當(dāng)診斷出永久通信故障時，水下主控制器釋放應(yīng)急浮筒，并退出工作狀態(tài)，平臺進(jìn)入應(yīng)急回收狀態(tài)。具體而言，如圖5所示，水下主控制器主循環(huán)過程主要包括如下步驟:
[0072]I)啟動AB報文超時定時器，將該定時器周期設(shè)置為L*TA，其中L為用戶設(shè)置的容忍閾值，一般取3?4, Ta為宏調(diào)度周期；
[0073]2)嘗試接收來自水上主控制器和水下從控制器的報文；若接收到來自水上主控制器的報文AB，轉(zhuǎn)入步驟3);否則，轉(zhuǎn)入步驟4)；
[0074]3)重啟AB報文超時定時器，判斷AB報文接收是否正確，若是，則水下主控制器將水上主控制器接收錯誤計數(shù)器飽和減一，并啟動調(diào)度定時器T ;否則水下主控制器將水上主控制器接收錯誤計數(shù)器飽和加一，不對水下從控制器調(diào)度；
[0075]4)若接收到來自水下從控制器j(j = I, 2，— ,N)的反饋報文jB，則轉(zhuǎn)入步驟5)；否則轉(zhuǎn)入步驟6)；
[0076]5)判斷jB報文接收是否正確，若是，則水下主控制器將水下從控制器j的接收錯誤計數(shù)器飽和減一；否則將水下從控制器j的接收錯誤計數(shù)器飽和加一；
[0077]6)根據(jù)最后一個水下從控制器N是否已經(jīng)回復(fù)報文判斷水下調(diào)度是否結(jié)束，若是，則禁止調(diào)度定時器T，并向水上主控制器發(fā)送BA報文；若否，轉(zhuǎn)入步驟7)；
[0078]7)判斷AB報文超時定時器是否溢出或水上主控制器發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器值是否達(dá)到用戶設(shè)定的閾值，若是，則水下主控制器釋放應(yīng)急浮筒，平臺進(jìn)入應(yīng)急回收狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟8);否則，轉(zhuǎn)入步驟2)；
[0079]8)水下主控制器退出主循環(huán)，結(jié)束。
[0080]以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于遙控水下作業(yè)的通信系統(tǒng)，其特征在于，它包括水上子網(wǎng)絡(luò)和水下子網(wǎng)絡(luò)二部分，其中， 所述水上子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器，M個水上從控制器，以及水上工業(yè)交換機(jī)，水上波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成，水下子網(wǎng)絡(luò)由水下主控制器，N個水下從控制器，以及水下工業(yè)交換機(jī)，水下波分復(fù)用收發(fā)器構(gòu)成； 水上、水下子網(wǎng)絡(luò)由水上主控制器和水下主控制器通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)交換； 水上主控制器負(fù)責(zé)收集M個水上從控制器對水下作業(yè)平臺的控制指令，并將這些指令打包成一個集成指令報文通過工業(yè)交換機(jī)和波分復(fù)用收發(fā)器發(fā)送給水下主控制器；水上主控制器還用于檢測與水上從控制器及水下主控制器之間的報文發(fā)送錯誤和報文接收錯誤； 水下主控制器受控于水上主控制器，用于接收到集成指令報文后，將集成指令報文分解轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的N個水下從控制器，接收各水下從控制器反饋的狀態(tài)信息，并將其打包成一個水下網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息報文反饋給水上主控制器；水下主控制器還用于檢測與水下從控制器及水上主控制器之間的報文發(fā)送錯誤和報文接收錯誤；各水上從控制器和水下從控制器均用于被動響應(yīng)主控制器的調(diào)度報文； 水上、水下工業(yè)交換機(jī)用于連接水上控制器和水下控制器，并采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制以消除各端口的報文發(fā)送沖突； 水上、水下波分復(fù)用收發(fā)器用于實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于遙控水下作業(yè)的通信系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)水上主控制器代號為A，水下主控制器代號為B，i表示水上從控制器序號，j表示水下從控制器序號，i=1,2,…，M，j = l，2，…，N，Μ、N分別表示水上從控制器和水下從控制器的數(shù)量； 所述水上主控制器用于在各微調(diào)度時刻依次向水上從控制器i發(fā)送調(diào)度報文Ai，并在下一個微調(diào)度時刻到來之前完成對水上從控制器i反饋報文iA的接收，以消除水上工業(yè)交換機(jī)內(nèi)的報文沖突； 所述水上主控制器為每個水上從控制器設(shè)有三個通信錯誤計數(shù)器，分別是報文發(fā)送錯誤計數(shù)器、報文接收錯誤計數(shù)器和報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器，分別用于對與水上從控制器之間的報文發(fā)送錯誤、報文接收錯誤及報文接收超時錯誤進(jìn)行計數(shù)； 所述水上主控制器同時檢測與水下主控制器之間的報文發(fā)送錯誤、報文接收錯誤及報文接收超時錯誤； 所述水下主控制器用于在正確接收到水上主控制器發(fā)送來的集成指令報文AB后，在各微調(diào)度時刻依次向水下從控制器j發(fā)送調(diào)度報文Bj，并在下一個微調(diào)度時刻到來之前完成對水下從控制器j反饋報文jB的接收，以消除水下工業(yè)交換機(jī)內(nèi)的報文沖突。
3.一種用于權(quán)利要求1所述通信系統(tǒng)的調(diào)度方法，其特征在于，包括水上主控制器調(diào)度和水下主控制器調(diào)度二部分； 調(diào)度過程中各調(diào)度定時器的周期均設(shè)置為微調(diào)度周期T，水上主控制器和水下主控制器均以Max(M，N)*T為宏調(diào)度周期進(jìn)行調(diào)度； 所述水上主控制器調(diào)度包含水上定時中斷服務(wù)過程和水上主循環(huán)過程；水上定時中斷服務(wù)過程用于完成調(diào)度報文的發(fā)送及其發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)水上從控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測；所述水上主循環(huán)過程用于實時接收各水上從控制器的反饋報文并進(jìn)行報文接收錯誤檢測，同時檢查所有水上從控制器和BA報文中包含的水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值，若有水上/水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值超過用戶設(shè)定的容忍閾值，則提示用戶進(jìn)行系統(tǒng)檢查或水下平臺的應(yīng)急回收； 所述水下主控制器同樣包括水下定時中斷服務(wù)過程和水下主循環(huán)過程，其中，水下定時中斷服務(wù)過程由接收到來自水上主控制器的集成指令報文AB使能，進(jìn)行調(diào)度報文的發(fā)送及報文發(fā)送錯誤檢測，以及對上一微調(diào)度周期對應(yīng)控制器的報文響應(yīng)超時錯誤檢測；調(diào)度結(jié)束后，水下主控制器禁止定時中斷服務(wù)過程； 水下主循環(huán)過程用于實時接收處理水上主控制器發(fā)送來的指令報文AB及水下從控制器的所有饋報文，檢測報文接收錯誤，將水下從控制器的通信錯誤計數(shù)器值寫入BA報文并反饋給水上主控制器；水下主循環(huán)過程還用于檢測水下主控制器與水上主控制器之間的通信狀態(tài)，當(dāng)診斷出永久通信故障時，水下主控制器釋放應(yīng)急浮筒，進(jìn)入應(yīng)急回收狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)度方法，其特征在于，所述水上定時中斷服務(wù)過程包括下述步驟: (al)更新當(dāng)前需要發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號，設(shè)當(dāng)前被調(diào)度的水上從控制器編號為i ; (a2)水上主控制器向當(dāng)前被調(diào)度的水上從控制器發(fā)送調(diào)度報文Ai或向當(dāng)前被調(diào)度的水下主控制器發(fā)送調(diào)度報文AB ； (a3)檢測水上從控制器i_l是否已經(jīng)回復(fù)報文，若是，則水上從控制器i_l的報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器飽和減一；否則，水上從控制器i_l的報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器飽和加一；(a4)檢測調(diào)度報文Ai是否已正確發(fā)送，若正確發(fā)送，則水上從控制器i的發(fā)送錯誤計數(shù)器飽和減一；若出現(xiàn)發(fā)送錯誤，則水上從控制器i的發(fā)送錯誤計數(shù)器飽和加一。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)度方法，其特征在于，所述水下定時中斷服務(wù)過程包括下述步驟: (bl)更新當(dāng)前需要發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號，設(shè)當(dāng)前被調(diào)度的下上從控制器編號為j ; (b2)水下主控制器向當(dāng)前被調(diào)度的水下從控制器j發(fā)送調(diào)度報文Bj ； (b3)檢測第j_l個水下從控制器是否已經(jīng)回復(fù)報文，若是，則水下從控制器j_l的報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器飽和減一；否則，水下從控制器j_l的報文響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器飽和加一； (b4)檢測調(diào)度報文Bj是否已正確發(fā)送，若正確發(fā)送，則水下從控制器j的發(fā)送錯誤計數(shù)器飽和減一；若出現(xiàn)發(fā)送錯誤，則水下從控制器j的發(fā)送錯誤計數(shù)器飽和加一。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的調(diào)度方法，其特征在于，更新當(dāng)前需要發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號的方法如下: 對于水上控制器而言，假定上一微調(diào)度時刻水上主控制器發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號為i_l，則當(dāng)前需要調(diào)度的控制器編號為i ;當(dāng)i = 1,2,…，M時，水上主控制器當(dāng)前需要調(diào)度的控制器為水上從控制器i ;若水上從控制器個數(shù)M大于等于水下從控制器個數(shù)N，則當(dāng)i = M+1時，水上控制器當(dāng)前需要調(diào)度的控制器為水下主控制器；若M小于N，則當(dāng)i =M+1，…，N-1時，水上主控制器不調(diào)度，當(dāng)i = N時，水上主控制器調(diào)度水下主控制器；對于水下控制器而言，假定上一微調(diào)度時刻水下主控制器發(fā)送調(diào)度報文的控制器編號為j-1，則當(dāng)前需要調(diào)度的控制器編號為j，j = 1,2,…，N。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的調(diào)度方法，其特征在于，所述水上主循環(huán)過程包括下述過程: (cl)啟動BA報文接收超時定時器，將該定時器周期設(shè)置為L*TA，其中L為用戶設(shè)置的容忍閾值，Ta為宏調(diào)度周期； (c2)嘗試接收水上從控制器及水下主控制器的反饋報文，若接收到水上從控制器i的反饋報文iA, i = 1,2, ".,M,轉(zhuǎn)入步驟(c3),否則轉(zhuǎn)入步驟(c4)； (c3)判斷接收到的反饋報文iA是否正確，如果是，將水上從控制器i的接收錯誤計數(shù)器飽和減一，否則將水上從控制器i的接收錯誤計數(shù)器飽和加一； (c4)若接收到水下主控制器的反饋報文BA，則重啟BA報文接收定時器，轉(zhuǎn)入步驟(c5)，否則轉(zhuǎn)入步驟(c6)； (c5)判斷接收到的反饋報文BA是否正確，如果是，將水下主控制器的接收錯誤計數(shù)器飽和減一，否則將水下主控制器的接收錯誤計數(shù)器飽和加一； (c6)判斷BA報文接收超時定時器是否溢出，若是，則置位BA報文接收超時錯誤標(biāo)志，并重啟BA報文接收超時定時器；否則轉(zhuǎn)入步驟(c7)； (c7)檢查所有從控制器的通信錯誤計數(shù)器，包括所有水上從控制器及BA報文中所含有的水下從控制器的發(fā)送計數(shù)器、接收計數(shù)器和響應(yīng)超時錯誤計數(shù)器的數(shù)值，若有計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的容忍閾值，則水上主控制器以聲光報警的方式提示操作人員進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)檢查或水下平臺的應(yīng)急回收；否則轉(zhuǎn)入步驟(c8)； (c8)檢查水下主控制器的報文發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器和BA報文接收超時錯誤標(biāo)志，若計數(shù)器值達(dá)到用戶設(shè)定的容忍閾值或產(chǎn)生BA報文接收超時錯誤，則水上主控制器觸發(fā)聲光報警，提醒操作人員對水下平臺進(jìn)行應(yīng)急上浮回收；否則轉(zhuǎn)入步驟(c9)； (c9)若操作人員使能應(yīng)急回收，則水上主控制器退出調(diào)度，與進(jìn)排水控制器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)急通信，回收平臺；否則轉(zhuǎn)入步驟(c2)； (clO)結(jié)束。
8.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一所述的調(diào)度方法，其特征在于，所述水下主循環(huán)過程包括下述過程: (dl)啟動AB報文超時定時器，將該定時器周期設(shè)置為L*TA，其中L為用戶設(shè)置的容忍閾值，Ta為宏調(diào)度周期； (d2)嘗試接收來自水上主控制器和水下從控制器的報文；若接收到來自水上主控制器的報文AB，轉(zhuǎn)入步驟(d3);否則，轉(zhuǎn)入步驟(d4)； (d3)重啟AB報文超時定時器，判斷AB報文接收是否正確，若是，則水下主控制器將水上主控制器接收錯誤計數(shù)器飽和減一，并啟動調(diào)度定時器T ;否則水下主控制器將水上主控制器接收錯誤計數(shù)器飽和加一，不對水下從控制器調(diào)度； (d4)若接收到來自水下從控制器j的反饋報文jB，則轉(zhuǎn)入步驟(d5);否則轉(zhuǎn)入步驟(d6), j = 1,2, — ,N； (d5)判斷jB報文接收是否正確，若是，則水下主控制器將水下從控制器j的接收錯誤計數(shù)器飽和減一；否則將水下從控制器j的接收錯誤計數(shù)器飽和加一； (d6)根據(jù)最后一個水下從控制器N是否已經(jīng)回復(fù)報文判斷水下調(diào)度是否結(jié)束，若是，則禁止調(diào)度定時器T，并向水上主控制器發(fā)送BA報文；若否，轉(zhuǎn)入步驟(d7)； (d7)判斷AB報文超時定時器是否溢出或水上主控制器發(fā)送/接收錯誤計數(shù)器值是否達(dá)到用戶設(shè)定的閾值，若是，則水下主控制器釋放應(yīng)急浮筒，平臺進(jìn)入應(yīng)急回收狀態(tài)，轉(zhuǎn)入步驟(d8);否則，轉(zhuǎn)入步驟(d2)； (d8)水下主控制器退出主循環(huán)，結(jié)束。
【文檔編號】H04L29/08GK104168313SQ201410384522
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】秦元慶, 徐國華, 張琦, 周純杰, 夏英凱, 趙寅 申請人:華中科技大學(xué)