综合化航空电子分区隔离的建模与设计方法

分区技术是航空电子系统综合化模块化发展中不可缺少的技术.针对航空电子系统安全关键性的要求,基于ARINC653标准,提出了分层分区的体系结构模型,该模型实现了不同安全关键级别应用软件之间的隔离.为了满足航空电子系统强实时可预测性的约束,双层分区模型中系统层采用轮转调度策略,区间层采用单调速率调度策略.然后对分区任务进行可调度分析,在充分保证航空电子系统强实时的前提下,提出了分区关键参数的设计方法,并推导了最坏情况下的系统可调度利用率.计算机仿真结果表明,该方法在保证实时性的同时,能支持更多的系统负载,具有优越性.      

TT-RMS:时间触发网络通信表生成算法

针对时间触发网络依据全局时间进行触发数据通信的特点,提出了一种基于单调速率调度(RMS)调度机制的通信表生成算法时间触发单调速率调度(TT-RMS),来生成时间触发网络的通信表.TT-RMS算法在安排消息时间槽过程中,首先根据消息周期,计算出各个链路的总负载,再根据链路的消息周期和总负载,通过RMS机制进行消息排序,确定出消息调度的先后顺序,最后根据时间槽的分配状态进行消息调度,优化了消息的调度过程.所提算法的计算时间复杂度为O(n2),空间复杂度为O(n).目前广泛研究和应用的可满足性理论(SMT)通信表生成方法,其计算时间复杂度通常是多项式级,有时计算时间不收敛.实验结果显示,TT-RMS调度的网络单个链路负载最大可接近100%,计算时间在1 ms左右,平均可调度网络负载是SMT方法可调度网络负载的两倍.TT-RMS通信表生成算法具有计算时间短,可调度消息负载多等优点,可以更好地满足航空航天复杂系统中上千条实时消息流的调度需要.      

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.     

强实时条件下光纤通道仲裁环带宽分配方法

光纤通道是一个为适应高性能信息传输要求而提出的计算机通讯协议,仲裁环是光纤通道的基本拓扑结构之一.为解决网络消息集实时发送的问题,研究了光纤通道仲裁环拓扑在强实时条件下的通信性能.依据实时系统中的周期任务模型和光纤通道仲裁环协议规定的访问公平机制,采用负载匹配算法提出了一种适用于仲裁环网络的带宽分配方法.推导并证明了采用该方法时在最坏情况下消息集强实时的网络可达负载率不低于50％.     

无线网络弱硬实时调度算法

提出了一种结合信道状况考虑的(m, k)-firm弱硬实时调度算法.该算法将消息划分为强制(mandatory)和可选(optional)2种类型,并优先调度强制消息.消息的类型由线下静态分配和线上动态调整共同决定.其中,静态分配使用(m, k)-pattern分配消息类型,动态调整是在不违反(m, k)-firm约束的前提下尽力减少强制消息在差信道状况下传输.理论分析证明:①在假设所有强制消息都实时成功传输的前提下,经动态调整的消息集仍然满足(m, k)-firm;②在使用平均分布(m, k)-pattern时,动态调整之后不改变消息集中强制消息的N次重传可调度性.仿真结果表明,该算法与仅使用静态分配消息类型的算法比较,能够改善弱硬实时的可调度性能,节省无线网络中带宽和能耗的开销.      

电液伺服速度系统的模糊增益调度控制

针对电液伺服速度系统的非线性和参数时变特性,提出了模糊增益调度控制方法.根据系统的输出误差和误差的一阶微分变化,利用模糊推理在线实时更改比例积分微分(PID,Proportion Integral Differential)控制器参数以适应工作点的变化,使系统控制参数达到全局优化,解决了一般增益调度中控制参数只是对于某一工作点局部优化的问题;在确定P和I隶属度函数时,引入指数函数保证了系统稳准前提下响应的快速性.试验研究表明,与单纯PID控制器相比,模糊增益调度缩短了动态响应时间、降低了超调、减小了负载扰动,说明该方法对非线性系统和未能精确建模系统大范围控制的有效性.      

电液负载敏感位置伺服系统自抗扰控制方法

针对电液负载敏感系统中泵阀控制的耦合问题，提出了一种基于自抗扰算法的解耦控制方法。首先，根据系统原理建立了负载敏感系统的状态空间模型。其次，针对阀控和泵控子系统分别设计了位置自抗扰控制器（ADRC）和压力自抗扰控制器，将2个系统间的动态耦合作用以及外部干扰和不确定性视作总扰动进行估计并给予补偿。最后，基于AMESim和MATLAB联合仿真平台进行了仿真分析。结果表明:所提的控制方法能够消除阀控子系统和泵控子系统的强耦合作用，提高系统的控制精度和鲁棒性。另外，在动态性能和节能效率方面与纯阀控和泵控系统进行对比分析，仿真结果表明:基于自抗扰控制的负载敏感系统的动态性能优于泵控系统，系统能效相对于阀控系统也有较大提升。      

航电系统SCI环型互连的可靠性建模研究

研究了SCI(可扩展一致性接口)环型互连的可靠性建模问题.结合SCI协议及航电系统ICD(接口控制文件)设计文件,提出了基于消息流的源-目的可靠度概念,建立SCI环型互连系统的可靠性模型,并针对3种环型拓扑进行了可靠性的建模分析,指出该可靠度指标对消息流的制定及航电系统任务的可靠度分配具有重要指导意义.      

基于时间触发的1553B总线实时调度设计

为了优化1553B总线传输性能,降低总线消息传输的等待时间,提高总线带宽利用率和紧急消息响应的实时性,对1553B总线调度方法进行了研究,将周期性调度和抢占式调度策略相结合,设计了一种基于时间触发的1553B总线实时调度方法。在时间触发的基准下按优先级对总线消息进行集中调度,总线帧在总线上传输的时间内,处理器无需等待,可以继续处理其他任务。利用总线数据区分区的特性,设计了紧急消息打断普通总线消息传输的抢占式调度策略,避免了非重要数据较长时间占用总线通信信道,使得紧急消息能够快速响应。试验结果表明,该调度方法实现了总线消息尽最大能力传输,不仅能够较大幅度地提高1553B总线传输效率和带宽利用率,而且紧急消息的响应时间稳定在2ms以内,为紧急消息的实时响应提供了保证。     

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.      

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.     

航空电子WDM网络的实时性能分析

对航空电子波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)网络实时性评估问题,采用网络演算理论,提出了一种周期消息在WDM复杂虚拓扑上多跳端对端最大延迟的计算方法.建立了波长路由器WDM网络模型,分析了消息流端对端延迟的组成部分.针对网络演算理论下的WDM网络通信模型,推导了消息经单节点和多节点波长路由器的最大延迟的计算公式.并结合实际航空电子系统对公式进行了修正,解决了突发度过大的问题.最终得到最大延迟的紧密上限.最后在OPNET仿真环境下验证了计算分析方法的有效性.     

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.     

航空电子高速交换式网络的服务质量保证方法

以保证航空电子高速交换式网络的实时性和高带宽为目的,提出光纤通道(FC,Fibre Channel)通信协议承载于波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)传输机制之上的架构.采用适用于实时交换的周期性数据流模型,提出了基于负载匹配的输出轮询(LOR,Load-matching Output Round)调度算法.该算法仅使用一次仲裁即可达到输入/输出的最大匹配(100%).给出LOR算法的核心代码,时间复杂度仅为O(1),易于在硬件中实现.最后通过将LOR算法嵌入到网络处理器中,注入时间敏感的负载流量,以服务质量特性(延迟、吞吐和超时消息数)为性能衡量指标进行实验,结果表明LOR算法在轻负载(30%)下,服务质量特性与经典算法(iSLIP, DRR, EDRR)基本持平;在重负载(70%)下,仅LOR算法能满足延迟的实时性要求,且LOR吞吐率高于经典算法近10个百分点,超时消息数比经典算法少了100个以上.      

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。      

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。      

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。      

IEEE-1394b光纤总线系统的QoS分析

为解决航电系统的网络延迟和阻塞问题,对应用于其上的IEEE-1394b光纤总线系统进行了带宽预留机制和平均响应时间等关键特性的分析.基于IEEE-1394b协议的带宽预留机制,提出了等时数据传输和异步数据传输的服务质量(QoS,Quality of Service)满足的条件(硬QoS).在QoS服务准入控制的等时和异步请求混合的情况下,利用排队论进行了IEEE-1394b异步请求的QoS分析(软QoS),得到了忽略响应间隔时间,IEEE-1394b异步请求队列的平均响应时间.最后通过IEEE-1394b光纤总线实验系统进行了IEEE-1394b的QoS服务评估,验证了理论分析结果.对IEEE-1394b驱动层QoS的设计具有一定的指导意义.      

基于度中心性的AFDX网络拓扑生成

航空电子系统随着任务需求和技术的发展不断向深度综合演进,其系统的复杂性给网络的设计和验证带来了巨大的挑战,如何通过网络生成实现受限资源条件下航电信息交互的实时性能保障是目前亟待解决的问题。针对目前存在的无法对航电网络进行实时性调控的拓扑设计方法进行改进,依据终端节点之间所有虚拟链路的最大通信帧长之和的大小关系,提出一种基于度中心性理论的航空电子全双工交换式以太网（AFDX）网络拓扑生成算法。将终端节点之间数据帧长作为节点度的衡量标准,对所有终端节点进行集合划分,并根据集合中终端节点的数据帧长对交换机进行连接。采用确定性网络演算以及仿真的方法对基于度中心性的AFDX网络拓扑生成算法进行效能评估。利用确定性网络演算方法,在小规模虚拟链路（VL）的组网下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中75%的VLs实时性能优于原始人工设计的网络拓扑,且端到端延迟平均减小9.37%。利用OMNet++仿真方法,在1 400条虚拟链路的组网规模下,结果显示:基于度中心性的拓扑生成算法生成的网络拓扑中94.3%的VLs实时性能优于人为规划网络拓扑,且端到端延迟平均减小50.2%。由此表明:基于度中心性的拓扑生成算法很大程度上提高了网络的实时性能保障。