嵌入式船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)設(shè)計

方小平，許自龍

(南昌大學 共青學院，江西 南昌 330100)

0 引 言

隨著各國航海領(lǐng)域的不斷擴大，海洋中不斷出現(xiàn)大量航行的船舶[1]，但是，船舶在航行過程中常常會遇到多種障礙，如礁石、漩渦等惡劣海洋環(huán)境，導致船舶航行安全常常受到嚴重威脅[2]，對船舶造成重大的經(jīng)濟損失。為此，設(shè)計有效的船舶操作控制系統(tǒng)，可以避免船舶陷入危險環(huán)境中[3]。

有較多學者對船舶操作與控制進行研究，錢巨等[4]。研究基于場景模型的DDS 架構(gòu)一體化船舶任務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對船舶任務(wù)處理進行研究，并結(jié)合場景模型實現(xiàn)測試了控制效果，但該系統(tǒng)無法精準控制船舶避障，使得船舶在遭遇嚴重危險時無法及時躲避。楊元龍等[5]研究基于數(shù)字孿生的船舶蒸汽動力總體模型框架，該模型利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了實現(xiàn)船舶的有效控制，但該模型僅能夠控制蒸汽動力船舶，無法全面控制多種船舶類型。

嵌入式技術(shù)是一種結(jié)合計算機技術(shù)與硬件設(shè)備的操作處理技術(shù)，該技術(shù)可以有效實現(xiàn)多任務(wù)、多線程并行處理，因此廣泛應(yīng)用于航海等領(lǐng)域，可以使不同設(shè)備得到精準的控制[6]。為此，本文研究基于嵌入式技術(shù)的船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)設(shè)計，利用嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)船舶的有效控制。

1 船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)設(shè)計

1.1 嵌入式船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)總體設(shè)計

船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)分為兩部分，一部分是通過嵌入式技術(shù)設(shè)計的具備網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的服務(wù)端，將嵌入式處理器嵌入到船舶中實現(xiàn)；另一部分為遠程船舶操作的客戶端。2 部分通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程連接，總體實現(xiàn)過程如圖1 所示。

圖1 通用軟件架構(gòu)總體實現(xiàn)過程Fig. 1 Overall implementation process of common software architecture

服務(wù)端部分主要通過控制處理單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元以及本地接口單元實現(xiàn)。在本地接口單元中，主要通過電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，該電路負責電傳接口與RS-232C 接口之間的轉(zhuǎn)換，使控制處理單元與電傳接口中的數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸[7,8]；控制處理單元通過嵌入式處理器S3C44B0X 及其外圍電路構(gòu)成，該單元主要用于串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)；網(wǎng)絡(luò)接口單元通過以太網(wǎng)控制器RTL8019AS 與RJ45 接口組成，該單元負責網(wǎng)絡(luò)接入功能，通過該單元可以實現(xiàn)控制處理單元與通用軟件的鏈接。

客戶端通過一臺接入網(wǎng)絡(luò)的PC 機構(gòu)成，在客戶端中包含詳細的通用軟件內(nèi)容，在客戶端中，對嵌入式技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的收發(fā)與處理。在客戶端中發(fā)送命令至電傳接口，當裝備獲取命令后迅速響應(yīng)，并利用嵌入式處理器以及RJ45 發(fā)送信息至客戶端，在客戶端中通過不同服務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。

1.2 操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)詳細設(shè)計

為增強船舶操作系統(tǒng)的可用性，結(jié)合ASAAC，ARINC653 軟件結(jié)構(gòu)模型，對PC 機上運行的船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)進行詳細設(shè)計，將軟件架構(gòu)自頂向下劃分為4 層，分別為嵌入式資源層、模塊支持層、操作系統(tǒng)層以及應(yīng)用層，具體軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 通用軟件架構(gòu)設(shè)計Fig. 2 General software architecture design

其中，該軟件架構(gòu)最高的即為應(yīng)用層，該層負責完成各項通用軟件功能，具體包括航向控制、均在控制等船舶操作內(nèi)容；操作系統(tǒng)層主要用分區(qū)管理、進程管理以及服務(wù)管理等工作，通過該層可以實現(xiàn)嵌入式處理器數(shù)據(jù)的存儲；資源支持層用于實現(xiàn)資源訪問服務(wù)，通過該層訪問嵌入式處理器中的數(shù)據(jù)，而嵌入式資源層用于獲取船舶的運行數(shù)據(jù)，并將其他層提供的指令傳輸給船舶。

通過這一形式構(gòu)造的通用軟件架構(gòu)每項功能之間相互獨立，且均按照相應(yīng)接口標準實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，因此該通用軟件架構(gòu)更便于系統(tǒng)軟件擴展，可隨時升級系統(tǒng)中的新內(nèi)容與新技術(shù)。

1.3 航向控制模塊

對操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)內(nèi)的應(yīng)用進行詳細設(shè)計，構(gòu)建航向控制模塊，通過航向PID 控制器實現(xiàn)船舶航向控制，完成航向控制功能搭建。

現(xiàn)階段較為流行的船舶控制模式是通過比例-微分-積分（PID）控制功能實現(xiàn)船舶自動舵控制，該控制方程為：

式中： δ表示PID 控制器控制結(jié)果；Kp，Kd，Kt分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)； φ0為航行參數(shù)。本文向PID 控制器中加入積分環(huán)節(jié)，使航行過程中可以降低舵機的高頻運動，使船舶更加穩(wěn)定，這一控制方式依靠偏航角的積累值，通過舵葉在首尾線上的自動偏轉(zhuǎn)，生成一個恒定的轉(zhuǎn)船力矩，以此使船舶在安全狀態(tài)下運行。此時，PID 控制器根據(jù)船舶設(shè)定值r(t) 與實際運行輸出值c(t) 生 成控制誤差e(t)，即：

該誤差的控制規(guī)律可表示為：

式中，u(t)為誤差控制律；此時，Ti和Td分別為積分時間常數(shù)與微分時間常數(shù)。還可以將控制過程寫為傳遞函數(shù)形式，公式為：

式中：G(s) 為 船舶控制結(jié)果的傳遞函數(shù)，U(s)為控制規(guī)律傳遞函數(shù)；E(s)為控制誤差傳遞函數(shù)。通過這一形式，實現(xiàn)船舶航行控制，使船舶按照理想的航線航行，避免發(fā)生事故。

2 實驗分析

通過仿真模擬方式將已構(gòu)建的船舶操作系統(tǒng)嵌入到某一仿真運行的船舶中，對船舶航行狀態(tài)進行控制操作，同時搭建仿真模擬海景地圖，在該地圖中驗證操作系統(tǒng)的控制能力，表1 為該船的具體運行參數(shù)。

表1 船舶運行參數(shù)設(shè)計Tab. 1 Design of ship operation parameters

驗證本文系統(tǒng)在復(fù)雜海域環(huán)境下的航行控制效果，分析在本文操作系統(tǒng)的控制下，船舶能否及時躲避障礙物，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 船舶控制效果分析Fig. 3 Analysis of ship control effect

可知，在本文操作系統(tǒng)的控制下，船舶在較少障礙點海域環(huán)境內(nèi)可實現(xiàn)有效避障，且在本文控制的航線可以實現(xiàn)最短航行距離，避免船舶出現(xiàn)過多損耗；當海域環(huán)境較為惡劣時，即海洋不僅存在障礙點，還存在風浪漩渦以及危險區(qū)域下，經(jīng)本文方法控制后依然能夠有效避開海域障礙點，實現(xiàn)精準避障，并迅速前往目的地。因此，在本文系統(tǒng)的控制下，可以保障船舶安全的行駛。

應(yīng)用本文系統(tǒng)控制船舶的航行速度，在航行過程中不斷調(diào)整航速，在初始運行階段，將速度設(shè)置為15 km/h，當行駛60 min 時，提升速度，調(diào)整為30 km/h，繼續(xù)行駛至120 min 時，提升航速為40 km/h，當航行達到240 min 后，向下調(diào)整航速為30 km/h，驗證本文系統(tǒng)的控制能力，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 航行速度控制能力分析Fig. 4 Analysis of Navigation Speed Control Capability

可知，在本文系統(tǒng)的控制下，船舶可按照理想速度運行，每當調(diào)整航速時，船舶均能夠迅速響應(yīng)，快速調(diào)整到相應(yīng)速度，且在該速度航行，船舶并未發(fā)生較大的速度波動，始終處于穩(wěn)定的方式運行，因此本文系統(tǒng)可以保證船舶運行速度得到很好的控制。

3 結(jié) 語

設(shè)計于嵌入式技術(shù)的船舶操作系統(tǒng)通用軟件架構(gòu)，結(jié)合嵌入式技術(shù)，構(gòu)建船舶操作系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)中的通用軟件架構(gòu)進行詳細設(shè)計，同時利用仿真實驗驗證該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。在未來研究過程中，可結(jié)合現(xiàn)有船舶操作系統(tǒng)內(nèi)容，繼續(xù)深入優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用軟件，使該系統(tǒng)能夠全面控制船舶，保證船舶能夠更安全穩(wěn)定航行。