基于动态优先级的核心处理安全分区优化设计

在分区管理模型应用于航空电子核心处理系统的研究中,合理的分区参数设计是保障航空电子系统任务关键和安全关键的一个重要因素.在标准模型的基础上,建立了上层调度器采用动态优先级调度策略的分区管理模型;通过对处理器忙周期进行考察,提出了给定请求时间长度下分区最大抢占影响的计算算法,能从微观的角度解释动态优先级下原子时间抢占行为的影响;通过对分区内任务集的计算负载进行计算,并考虑到计算负载在分区最后一次执行时间内的请求执行时间长度带来的抢占影响,得到了下层调度器采用固定优先级和动态优先级策略下的分区安全设计方法;通过计算仿真评估,结果表明提出的安全分区设计方法比基于虚拟处理资源方法具有更优的设计结果.      

航空电子双层任务分区调度设计

针对严格实时的航空电子分区调度问题,建立了操作系统采用轮转调度策略,分区里采用动态优先级调度策略的双层任务调度模型.针对可调度性分析问题,利用轮转调度周期和分区任务执行系数作为关键参数,在任务时间需求函数的基础上,计算系统消耗时间,得出了系统可调度性的判定定理;同时考察存在释放抖动的时候可调度情况,提出了可调度性的计算边界;通过考察任务周期和轮转调度长度的关系,得出了分区可调度情况下任务负载的理论上限.针对分区设计问题,通过考察关键时刻点,给出了分区调度关键参数的解析模型,在此基础上提出了分区可设计的判定定理,最后给出实例进行具体说明.      

实时单核和谐周期分区系统时间窗口分配算法

目前航空电子系统正快速朝着综合模块化方向发展。为了防止同一计算平台上的应用相互干扰,IMA软件普遍采用分区机制。由于时间分区的引入,传统的实时周期任务可调度性分析已经不再适用。为此研究了一类特殊的分区系统——和谐周期分区系统在单处理器下的可调度性。给出了和谐周期分区系统的形式化定义以及系统中任务可调度性的充分必要条件,并基于此提出了一种分区时间窗口分配算法。该算法为每个分区在主时间帧内分配多个时间窗口,并且保证只要和谐周期分区系统在理论上可调度,该算法就一定能生成一个可行的调度表,使得当全局调度器按照此调度表周期地调度分区时,各个分区中的任务不会超时。本文提出的算法可以运用在实际的工程中。      

ARINC 653分区实时系统的主时间框架设计

综合模块化航空电子系统中的ARINC 653标准规定系统采用分区内调度和分区间调度双层调度机制。根据标准,分区内的调度由分区设计者指定,分区之间则按照静态的主时间框架进行调度。如何基于多个分区应用设计用于分区间调度的主时间框架是系统集成阶段需要解决的问题。首先利用可调度分析导出了分区的有界延迟模型参数,进一步将该参数转化为分区的调度参数用于分区间调度。然后进行分区间调度生成主时间框架,提出了最少窗口数目匹配-最佳匹配（MFBF）算法用于减少分区窗口的切换次数。提出的从分区参数推导到分区间调度流程能够基于若干分区应用生成ARINC 653系统的主时间框架。实验结果表明:时间窗口优化算法能有效减少分区窗口切换次数。      

航空电子WDM网络多信道强实时调度设计

对航空电子强实时网络,提出了一种广播选择型和波长路由型混合波分复用体系结构和其调度结构模型.针对航电多信道强实时消息,提出了多信道负载比例轮转调度方法,以消息的负载比例在多信道上分配权值.分析了子系统内部消息和子系统外部消息在体系结构中调度模式的不同,推导了经过单次调度的子系统内部消息和经多次调度的子系统外部消息的多信道强实时调度约束条件,从而满足了航电系统所有消息的端对端的实时传输.针对航电实际系统,从系统资源和稳定性等角度提出了关键性参数的设计优化方法.最后用一个航电消息集实例进行具体说明.     

基于AFDX的航空电子系统可调度性分析

航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)是新一代大型飞机机载网络的首选方案,构建其上的航空电子系统应保证强实时应用在时限内完成.针对现有AFDX实时性研究仅给出网络延迟上界的不足,综合考虑了任务的响应时间以及实时消息在AFDX网络中的传输延迟.建立了使用AFDX网络的航空电子系统模型,分析了分布式任务序列的整体时间需求.应用全局分析思想,给出任务序列的最坏情况响应时间,为系统实时性的评价和优化提供了理论依据.仿真结果表明该分析给出了紧凑的任务序列响应时间上界.     

AFDX交换机在强实时条件下的分组调度

研究了航空电子全双工交换式以太网(AFDX,Avionics Full Duplex Switched Ethernet)交换机分组调度方法的实时性能,采用实时通信中的周期性任务模型,依据AFDX协议"确定性网络"中关于交换机支持双优先级消息调度原则,推导出了相应的交换机关键参数的数学表达,提出了强实时约束下基于双优先级调度的负载匹配的分组调度方法(DP-LM,Dual Priority-Load Match),比较了单/双优先级分组调度的不同(消息调度、关键参数和匹配方法),算例结果表明:由于低优先级消息的引入将会对高优先级消息的实时传输产生重要影响.     

基于DDQN的片上网络混合关键性消息调度方法

对片上网络（NoC）承载的混合关键性消息进行实时调度是其应用于航空电子系统片上多核通信的关键。为解决可满足性模理论（SMT）法求解效率低、低优先级消息等待延迟大的问题,提出了一种基于双深度Q网络（DDQN）的混合关键性消息调度方法。将虫孔交换机制下的消息调度问题建模为马尔可夫决策过程,建立包含环境、动作、状态、奖励的多层感知调度模型;随机生成多组分布不同的混合关键性消息作为训练样本,采用DDQN算法求解该调度模型;在此基础上,提出并实现了带孔隙DDQN算法,在保证时间触发（TT）消息可调度前提下为速率约束（RC）消息预留用于虫孔交换的时隙。算例研究表明:所提方法的求解时长及TT消息确定性端到端延迟的平均值均低于SMT法;带孔隙DDQN算法的RC消息延迟较不带孔隙DDQN算法和SMT法显著降低。      

临近空间中子辐射环境分析及其引起的单粒子效应预计研究

使用Space Radiation 7.0工具分析临近空间中子辐射环境，研究其与海拔高度、太阳活动和经纬度的关系及内在原因.在此基础上，提出了一种基于蒙特卡罗方法的大气中子实时错误率预计方法，并以航空电子系统关键集成电路FPGA为例，预计其单粒子翻转敏感模块包括配置存储器、块存储器和用户触发器，单粒子功能中断敏感模块包括上电复位电路、SelectMAP接口等的实时飞行错误率.结果表明，配置存储器中发生的单粒子翻转达到总单粒子翻转率的77%，而上电复位电路和SelectMAP接口中发生的单粒子功能中断各占总单粒子功能中断率的36%.根据RTCA DO-254对飞行系统失效等级的划分，该FPGA器件不可用于航空电子系统关键位置.      

航空电子系统机载网络实时性能评价技术

机载网络是航空电子系统中实现信息实时可靠传输的手段，其发展程度和能力决定了航空电子系统的总体构型及信息综合效能。不同于一般计算机网络，机载网络更加强调组网的实时性，需要采用苛刻高效的方法实现其实时性能的分析与评价。以交换式网络中消息传输过程为分析对象，研究了消息端到端传输延迟模型，给出了实时性能评价方法在评估悲观性和计算紧性的对比指标；对解析分析、行为仿真和模型检查等典型机载网络实时性评价关键技术进行了梳理和分析，给出了各种实时性能评价方法在计算紧性和效率等方面的差异和实现途径。以简单网络和工业规模网络为研究案例对上述方法进行了验证说明，并对比分析了各种方法在计算紧性的差异，探讨了航空电子系统机载网络实时性能评价技术的发展趋势。      

网络分区中混合消息集传输模式的精确配置

针对分布式综合模块化航空电子网络分区方法,指出其对消息传输模式配置存在不确定性;通过形式化描述将问题转化为包括实时性约束、带宽约束、缓存约束的最优化问题;提出了基于遗传模拟退火的传输模式配置算法,以系统的消息端到端延迟均衡为优化目标.通过给出两个具体算例对算法有效性进行了验证,同时比较了本算法与传统遗传算法的性能.对比结果表明,本算法能够解决传输模式的配置问题,尽管计算时间较传统遗传算法高出18.1%,但所得到的适应度值高出28.7%.本算法为网络分区在实际航电系统中的应用提供了参考.     

航空电子WDM光网络可靠性建模

为了构建先进综合化航空电子系统的统一网络,提出了基于WDM （Wave-length Division Multiplexing）光网络的航电骨干网与外接边缘网互连方式的航电统一网络,并采用多跳ShuffleNet网络作为航电光骨干网的模型.针对综合化航电网络的可靠性问题,建立了基于航电任务与任务路径的可靠性建模方法,给出了保证任务执行成功的可靠度计算公式.以ShuffleNet航电光骨干网作为建模实例,通过对航电任务可靠度的分析计算,得到了系统任务的执行时间、网络规模、任务路径的跳数对系统可靠度影响最大,而同等条件下光纤链路的复用波长数对任务可靠度影响不明显的结论.仿真结果显示,基于任务的可靠性建模与计算方法可以为航电系统的可靠性分析提供理论基础.     

基于强化学习的时间触发通信调度方法

未来航空电子系统中将会更广泛地选择基于时间触发的通信机制进行信息传输,以保证信息交互的确定性。如何合理地进行时间触发通信调度设计是时间触发应用于航空电子互连系统的关键。针对时间触发调度的周期性任务,提出了一种基于强化学习的周期调度时刻表生成方法。首先,将流量调度任务转换为树搜索问题,使之具有强化学习所需要的马尔可夫特性;随后,利用基于神经网络的强化学习算法对调度表进行探索,不断缩短延迟时间以优化调度表,且在训练完成后,可以直接使用到消息分布相近的任务中。与使用Yices等可满足模理论（SMT）形式化求解时间触发调度表方法相比,所提方法不会出现无法判定的问题,能够保证时间触发调度设计结果的正确性和优化性。对于包含1 000条消息的大型网络,所提方法的计算速度为SMT方法的数十倍以上,并且调度生成消息的端到端延迟在SMT方法的1%以下,大大提高了消息传输的及时性。      

AADL2ECPN模型转换方法及其在IMA上的应用

在综合模块化航空电子（IMA）系统应用集成的过程中,对IMA系统的资源配置建模和安全性分析至关重要。首先利用模型转换的方法,提出一套从架构分析和设计语言（AADL）模型到扩展着色Petri 网（ECPN）模型的转换规则,将AADL模型转换为ECPN模型,并且确保在模型转换过程中不丢失任何关键资源建模元素;然后基于目标模型进行后续的安全性分析研究;最后用一个简单例子演示如何应用提出的模型转换方法。结果表明,AADL2ECPN模型转换方法分析IMA系统安全性的可行性。      

芯片间时间触发通信综合规划方法及其优化

随着片上系统（SoC）的处理能力逐渐接近传统的综合核心处理模块，航空电子系统向着微小型综合化的芯片间系统发展；时间触发交换式互连可以保证芯片间消息传递的严格时间确定性。考虑芯片间互连交换结构轻量化和收发端口有限的特点，在拓扑、路由和调度时刻等网络资源相互制约的条件下，提出了芯片间时间触发通信综合规划方法，即根据时间触发消息集合和芯片端口配置，同时求解得到芯片间网络拓扑结构、消息路由和调度时刻表的规划结果。其中，采用免疫算法整体优化了各条消息在网络资源分配过程中的求解次序。仿真实验表明，与不考虑整体优化的综合规划方法相比，优化后的规划结果在减少拓扑结构中多余路径开销的同时，避免消息传输路径拥堵，降低消息端到端延迟，保证了消息集的可调度性。