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GSPN的机载液压作动系统可靠性模型

机载液压系统具有余度降级、故障检测、隔离等动态时序过程,传统基于两元可靠性模型很难描述其动态行为和性能降级过程.针对这一问题,采用分层聚类和广义随机Petri网相结合建立了机载液压系统可靠性模型.利用该模型,详细分析了故障检测装置的故障检测率对系统可靠性的影响.分析结果表明,由于故障检测装置故障检测率的影响,机载液压作...     

优先级驱动的泛化航电网络实时性能分析

交换式网络利用空分交换结构大大提高了网络的整体通信容量,已成为新一代航空电子系统组网互联的典型手段,可以采用泛化网络演算实施典型组网特性下的机载网络实时性能画像和预测,但缺乏优先级策略下的网络实时性能分析手段。在对机载交换式网络优先级控制策略特征参数抽象化的基础上,利用网络演算理论实施了高低优先级控制的泛化网络演算建模,在突发度包络函数的边界约束下完成了不同优先级流量占比的端到端确界延迟分析,并给出了优先级占比分配方案推荐。在典型机载网络拓扑结构下利用随机生成案例对优先级驱动的泛化网络演算模型进行实验验证。结果表明：相比于采用详细流量配置的演算结果,本文提出的泛化网络演算的有效性超过33%,实现了基于组网特征的机载网络性能预估。     

机载机电系统可靠性的计算机辅助分析方法

 为了提高机载机电系统的可靠性，机载机电系统常采用余度系统，以达到故障容错，进而实现整个飞机系统的高可靠性和安全性。开发适应于余度间耦合、动态性能降级的ReliaApp可靠性分析评价软件平台，通过有效综合故障模式影响（FMEA）、故障树分析（FTA）和Markov状态转移链法，实现不同容错设计方案的选择、机电系统的可靠性定量评价并给出系统的薄弱环节，为系统的余度配置和改进设计提供软件设计与评估平台，以确保飞机系统的高可靠性和安全性。实例应用表明该软件平台是飞机机载机电系统可靠性设计与评价有效的计算机辅助工具。     

基于发布订阅架构的在线时间触发调度方法

混合关键性消息的调度优化是其应用于航空电子系统的关键，而日益增加的动态应用更加依赖于时间触发调度的在线求解。现有时间触发网络调度多基于离线调度设计，面对大规模组网应用其调度表生成耗时较长且生成后难以在线调整。为了更快地求解调度表，并适应在线调整需求，结合数据分发系统中的发布/订阅机制，构建了基于发布/订阅架构的时间触发网络模型；在其基础上提出了基于统一时间分片的时间触发调度在线求解算法，将连续时间离散为时间分片，并基于统一长度约束优化调度求解空间，极大地减少了调度表生成时间；进一步，根据时间分片长度度量链路负载情况，在消息调度过程中实现链路负载均衡的目的，在保障时间触发消息传输延迟需求的条件下降低速率约束消息的端到端延迟。实验结果表明：对于包含300条消息的网络，所提算法的求解速度是可满足性模理论求解的数千倍，同时速率约束消息的最坏端到端延迟比可满足性模理论求解降低了17.4%。对于包含2 000条时间触发消息的网络，所提方法生成调度表的时间为100 ms数量级。     

具有量化器的网络控制系统稳定性分析

数字设备硬件性能的提高和网络控制系统的发展使得量化问题成为目前研究的热点。由于网络控制系统具有带宽约束的特点,数据的传输和处理是零传输延迟和无限高精度的这一假定不再合适,有必要对量化对于控制系统性能的影响进行研究。针对考虑量化器的状态反馈镇定系统的模型从非线性的角度研究了量化器对于控制对象状态动态特性的影响。进而推广到考虑量化器的周期通信的网络控制系统模型上。用Matlab／Simulink仿真算倒,验证了结论的有效性。     

控制器故障下的软件定义机载网络数据平面迁移策略

软件定义网络（SDN）为突破机载网络功能僵化所造成的瓶颈提供了新的契机。针对软件定义机载网络控制域内控制节点故障问题,提出一种基于时延和负载均衡的传输节点迁移策略,将故障控制节点所管控数据平面中的传输节点迁移至其他正常控制节点,恢复网络的正常管控。以迁移时延和负载均衡率为目标,建立迁移优化模型,提出基于时延和负载均衡的传输节点迁移算法,指导数据平面中的迁移动作,最终对两个性能目标进行综合权衡。实验结果表明,与距离就近迁移（DCM）策略和分布式逐跳（DHA）策略相比,所提策略在迁移时延和负载均衡率2个方面进行了合适的折中,避免出现迁移时延过大或控制节点负载失衡的情况,有效解决机载网络故障恢复问题。     

基于贝叶斯网络的多状态机载系统安全性评估方法

传统的安全性评估方法不适用于具有多状态属性的现代机载系统。根据系统与系统组成单元之间的状态关系,构建了基于贝叶斯网络的机载系统多状态安全性模型;运用通用生成函数给出了贝叶斯网络非根节点的条件概率表,基于变量消元法提出了系统失效状态发生概率计算方法,推导了系统组成单元重要度算法。结合某型飞机副翼控制系统给出了应用实例。结果表明,方法为解决多状态机载系统的安全性评估问题提供了一种简洁直观的方法,能够有效评估机载系统的安全性水平,确定各单元对系统安全性中的影响。     

机载网络数据的采集及同步传输

主要介绍了机载局域网数据采集遵循的协议、方法和时间同步问题,提出了解决局域网内网络数据采集、数据包结构和数据的时间同步问题的思路,探讨了不同数据包之间数据融合的方法,并给出了网络数据包的编排规则和同步传输的性能指数。     

具有网络调度的航空发动机分布式控制系统协同容错控制

为解决航空发动机分布式控制系统中网络参数与控制性能之间的冲突问题,提出了一种基于线性矩阵不等式理论的网络参数与保成本容错控制器协同设计方法。建立MEF-TOD调度协议作用下状态变量和控制变量的传输特性;将采样周期和数据包容量作为未知量引入航空发动机分布式控制系统的建模过程,得到调度协议约束下的网络参数与控制系统参数联合模型;给出联合闭环系统渐进稳定且存在成本函数上界的充分条件,并给出了网络参数与控制器增益的具体求解步骤。仿真结果显示,控制器与网络参数的协同设计方法能够求解出最优采样周期和数据包容量,据此得到容错控制器能够使航空发动机分布式控制系统在发生主动丢包故障的情况下,联合闭环系统渐进稳定,且低压转子转速超调量降低了80%,参数摆动降低了66.7%,保证控制器动态性能最优。     

光纤通道交换网络WRR实时调度算法分析

 随着综合航电系统的发展,1553B总线已经不能满足发展的需要,光纤通道交换式网络作为新一代高性能网络通信协议被引入到航电系统中,其性能指标与整个航电系统的总体指标有着密切的关系.为了解决系统消息实时发送的问题,研究了光纤通道交换网络实时条件下加权轮询调度算法的通信性能,利用随机Petri网对光纤通道交换网络的调度过程进行了建模,通过对模型的仿真和分析,得到了数据传输量及传输时限变化时系统网络负载、延迟时间、超时消息所占比例等重要性能指标,并分析了调度算法的性能.仿真结果证明光纤通道交换式网络具有高速稳定性,加权轮询调度算法能够满足消息传输的实时性、公平性要求.     

Real-time and reliability analysis of time-triggered CAN-bus

Real-time performance and reliability are two most important issues in applications of time-triggered controller area network (CAN) bus systems at present. A scheduling matrix of time-triggered CAN-bus system is established using average-loading algorithm. Periodic messages are guaranteed to transmit without delay by distributing independent transmission windows within the system matrix. Considering the traditional CAN-bus transmission mechanism and the time-triggered feature, an algorithm is improved to calculate the worst-case delay of event-triggered messages in time-triggered CAN-bus systems. The failure probability is calculated for event-triggered messages whose worst-case delay exceeds their deadlines. Different levels of redundant structures of CAN-bus circuits are analyzed and the maintenance management is proposed to improve the system reliability. Finally, the reliabilities of different structures are calculated and the influences of maintenance on the system reliability are analyzed.     

A novel BIST scheme for circuit aging measurement of aerospace chips

The avionics working environment is bad, easy to accelerate aging of circuits. Circuit aging is one of the important factors that influence the reliability of avionics, so circuit aging testing is of great significance to improve the reliability of avionics. As continuing aging would degrade circuit performance, aging can be monitored through precise measurement of performance degradation. However, previous methods for predicting circuit performance have limited prediction accuracy. In this paper, we propose a novel Built-In Self-Test (BIST) scheme for circuit aging measurement, which constructs self-oscillation loops employing parts of critical paths and activates oscillations by specific test patterns. An aging signature counter is then used to capture the oscillation frequency and in turn measure the aging state of the circuit. We propose to implement this measurement process by BIST. Experimental results show that the proposed in-field aging measurement is robust with respect to process variations and can achieve a precision of about 90%. The application of this scheme has a certain value to improve the reliability of avionics systems.     

面向无人机蜂群的航电云多层任务调度模型

在航空作战体系中，基于航电云的无人机（UAV）蜂群作战是提高未来无人机综合作战能力的一种新模式。针对无人机蜂群作战的航电云架构，如何将云端作战任务派发到无人机且保证作战任务完成时间是其中关键。在无人机蜂群分层分簇网络结构和模块级资源虚拟化的基础上，对传统单层平台级任务调度模型进行改进，提出了一种细化到模块级的多层任务调度模型，将作战任务从云端逐层调度到无人机功能模块上执行。利用OMNeT++对无人机蜂群多层任务调度模型以及传统的单层任务调度模型分别进行仿真，云端以攻击使命组为例构建使命组集进行分配，并对任务吞吐量、消息平均端到端延时和任务完成时间进行性能对比。仿真结果表明：与平台级单层任务调度相比，在执行任务方面，模块级多层任务调度模型将单个任务平均完成时间降低了46.2%，将使命组完成时间降低了52.1%，在保证任务吞吐量的基础上具有对复杂任务更稳定的调度能力；在网络性能方面，模块级多层任务调度模型消息端到端延时更低，延时分布更集中，提高了网络消息传输的实时性。     

基于QoS的卫星网络端-端通信可靠性分析

针对卫星网络动态环境下的高速信息传输、业务类型差异大等特点，提出一种综合考虑各业务QoS（Quality of Service）指标的可靠性分析方法。在卫星通信网络实际运行周期内，通信系统往往处于逐渐劣化过程中，导致卫星的节点和链路除正常工作和完全失效外，还存在部分失效的工作状态。本文在链路多状态基础上基于最小路集算法（Minimum Path Set Algorithms，MPSA）在不同业务的QoS指标（时延、带宽和丢包率）约束下，得出满足该业务QoS约束的所有可靠路径集，对路径集中路径进行不交化处理得到网络端-端可靠性。研究结果表明，不同业务由于QoS需求的差异导致网络端-端可靠性不同，所提算法与传统算法相比更加符合实际。由于实际卫星网络环境中会采用端-端并行多路径传输（Multi-Path Transmission，MTP），本文在上述研究的基础上，进一步对多路径的端-端可靠性进行了研究，结果表明多路径数据传输可靠性高。     

Open systems avionics network to replace MIL-STD-1553

This paper is a proposal for a future method of avionics data communication. The need for this proposal results from the shortcomings in the current avionics architecture, video distribution network, and in the MIL-STD-1553 data communication system. The separately wired video and data communication systems can be combined to save weight, which is especially critical for rotorcraft. Aircraft, once fielded, have limited capacity for modification and improvement due to fixed computer throughput and processing performance, network bandwidth, and space available in the avionics equipment bays. The changes proposed by this paper are to be made in conjunction with the replacement of the redundant computer boxes with open system avionics functions on industry standard circuit cards. This open architecture approach was developed over the last ten years and is now being implemented in many aircraft applications including the F-22 and the RAH-66 programs. The V-22 rotorcraft, which although just entering production, is being modified for joint service customers where modern computer performance and expanded data network bandwidth is needed. The changes of this proposal will fill this need, reduce the weight of upcoming production models, and provide growth or spare capability so that additional video and data components can be added with minimal effect on existing components. This paper examines the current V-22 avionics video and data communication hardware and wiring and propose a new implementation of open system architecture standards with integrated digital video and data communication based on ANSI standard copper fibre channel     

基于SCI的未来航空电子高速数据总线测试系统

详细阐述了作为未来航空电子高速数据总线首选标准的SCI网络性能测试系统的设计原理 ,并说明了SCI平台下数据通信的实现方法。     

余度舵机系统的性能降级与可靠性分析

余度舵机是电传飞控系统的关键部件,其通道间存在着较严重的力纷争现象。在建立四余度舵机数学模型的基础上,研究了力均衡算法,对四余度舵机一次故障、二次故障情况下的性能降级和可靠性进行了仿真分析。仿真结果标明,优化的力均衡算法可以有效解决力纷争的问题,四余度舵机可以在一次故障、二次故障的情况下持续工作。采用动态故障树分析方法进行了四余度舵机可靠性分析,证明了其具有非常高的可靠性。     

Reliability evaluation of PMS considering coupling effect of functional and physical dependency

Aviation and aerospace system are typical Phased-Mission Systems(PMSs) featured with varying configuration, phased load condition and cross phase failure correlation. The coupling effect of Functional Dependency(FDEP) and Physical Dependency(PDEP) has a unique influence on the failure behavior of PMS. In this article, the coupling effect is analyzed, and the degradation of components is modeled with the positive drift wiener process, in which the drift coefficient is related to environmental con...