基于时间触发架构的网络技术研究与设计

随着航空电子系统架构朝着网络化的方向发展,机载电子系统时间关键性和安全关键性的通信应用需求加大,交互的信息量级不断提升,传统的机载总线技术已无法胜任。时间触发以太网(TTE)在引入了高精度时钟同步机制的基础上,采用一致性通信、故障容忍和冗余设计等技术提高了通信的实时性、稳定性和安全性。以TTE和时间触发协议(TTP)为例,综合TTE和TTP的优势,提出跨网段的一体式时间触发网络设计方法,为航空机载电子系统领域提供了基于时间触发架构的统一网络服务。     

基于随机网络演算的TTE网络时延分析

时间触发以太网(TTE)是一种新颖的混合型时间触发和事件触发的通信网络,通过引入时间触发(TT)流量,增强了航空电子全双工(AFDX)交换式以太网的确定性。虽然TT流量具有完全的时间确定性,但是与AFDX中虚拟链路(VL)兼容的速率约束(RC)流量仍具有一定非确定性。传统用于AFDX网络实时性能分析的方法在考虑TT流量固定分区调度时隙的影响下已不再适用,为了保障RC流量的实时性能,分别提出了基于确定性网络演算和随机网络演算两种延迟分析模型。在确定性网络演算下,通过构造TT流量的聚合到达曲线和RC流量的服务曲线以得到RC的确定性延迟上界;在随机网络演算下,通过切诺夫(Chernoff)边界定理构造RC流量的两状态伯努利分布模型,得到概率保证下的延迟上界。对比实验结果表明:随机网络演算模型可以有效减小确定性网络演算模型对RC流量性能分析的悲观性,同时从一定程度上验证了两种理论分析模型的正确性。     

网络控制系统方法、实时性分析及其应用

对分布式控制计算机系统进行了详细的论述,分析了分布式控制系统的结构、特点和时间限制要求,提出网络传输的实时性和可靠性是满足端到端时间限制的关键,在研究和分析现场总线、工业以太网和实时网等控制通信局域网的基本实现技术及其局限性的基础上,综合运用1553B总线、以太网和SBS实时网技术,完成了航电模拟器系统的设计。     

机载网络时间触发通信调度设计优化与评价方法

机载网络是航空电子系统实现信息传输与功能综合的关键组成,引入时间触发（TT）机制并安排合理通信调度可以有效保证机载网络实时可靠通信,但需要首先面对多种调度设计方法的选择问题。在总结了时间触发通信过程与特征的基础上,以时间触发以太网为分析对象,给出了基于可满足性模理论（SMT）、混合整数规划（MIP）和启发式算法等不同约束引导下的调度模型,并形成了基于强化学习（RL）的调度方法;从调度设计的求解能力与性能保障角度出发,建立了包括求解时间、可求解规模、传输延迟和调度模式的评价指标。以工业规模网络为研究案例对不同调度方法进行了验证分析,在评价指标的引导下对比分析了各种方法的适用场景,其中SMT方法可支持小规模案例,MIP方法具有明显的TT消息传输和调度求解运算优势,以遗传算法为典型的启发式方法和RL方法可实现大规模案例调度,虽然其TT延迟略高于MIP方法,但速率约束消息延迟优化程度分别达到7.97%和12.35%。在此基础上,进一步探讨了未来航电系统机载网络时间触发通信调度设计优化技术的发展趋势。     

基于TTE网络的分布式系统分区同步方法

先进分布式综合飞行器管理系统对通信网络的实时性和确定性有严格要求。研究了时间触发以太网(TTE)的同步服务、提出了在符合ARINC653标准的分区操作系统下,基于TTE网络的分布式系统分区同步方法,建立分区同步测试平台,并对分区同步精度进行测试分析。测试结果表明,基于TTE网络的分布式系统分区同步的精度和抖动均可达到μs级,可满足先进分布式综合飞行器管理系统的网络时间同步的要求。     

时间触发以太网拜占庭容错方法的形式化验证

对于时间触发以太网的拜占庭容错方法,已有的推理性论证表明网络的分布式时钟同步机制有利于容错过程中实现交互一致性。为对该容错方法的正确性进行严格验证,进一步采用模型检查的形式化分析手段,通过符号分析实验室(SAL)形式化工具,构建了网络节点模型,建立了时间触发体系结构下的拜占庭容错场景,设定了容错操作活性、一致性和有效性等属性的形式化定理。模型检查的结果表明:在三冗余独立路径条件下,该方法可以容忍一个拜占庭故障,且在存在指令/监视对(COM/MON pair)的条件下可以容忍2个高完整性配置节点的"不一致遗漏"故障。与推理论证手段相比,SAL模型检查为时间触发交换式网络在航空航天高安全关键等级系统中的容错配置提供了更规范的依据。     

基于时间触发架构的系统通信设计应用研究

本文详细介绍了基于时间触发架构的应用系统通信模型设计方法：结合某型飞机综合数据管理系统（IDMS）应用功能的通信需求,利用“PDevelopmentCluster系统设计工具,构建基于时间触发协议（TTP）的IDMS通信系统仿真模型。TTP精确的全局时钟同步可以为系统提供精确的时钟和单元之间的精确同步,协议的容错机制为...     

时间触发以太网同步及调度机制的研究

说明并分析时间触发以太网（1TrE,Time—Triggered—Ethernet）的时间同步机制,对于采用时间触发机制调度的周期性任务,提出生成周期调度时刻表的方法,利用方法可以根据离线生成的调度时刻表进行调度,也可以动态地将通信任务加入或撤出调度时刻表,调度时刻袁的设计避免时间触发的数据包争用物理链路。构造相应的网络通信场景,通过生成调度时刻表的算例与仿真结果进行了验证。     

小型涡扇发动机分布式控制系统总线触发机制研究

为分析比较2种总线触发机制(时间触发和事件触发)对航空发动机实时控制的影响,以某小型涡扇发动机为对象,采用智能节点型分布式结构,构建了其分布式控制系统数字仿真平台;利用True Time/Matlab工具箱展开网络实时仿真研究,系统各节点通过CAN总线进行数据通信。以此仿真平台为基础,对2种触发机制下发动机的转速响应以及对应的时延统计结果表明:在事件触发机制下发动机转速超调量比时间触发机制下的大2.32%;在不同网络负载下,在事件触发机制下的时延大小和尖峰数均大于在时间触发机制下的。最终认为时间触发机制更适合于航空发动机分布式控制系统。     

时间触发以太网标准研究

根据航空电子体系结构的发展趋势和要求,说明时间触发以太网（TTE）的发展状况和国内外标准化工作的进展。分析了SAE AS6802时间触发以太网标准的范围与特色,重点说明SAE AS6802标准定义的TTE网络分布式时钟同步机制及其容错方法,并说明利用微秒级精度的全局时钟提高航空电子系统完整性的方法。