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。     

基于TTE端系统的时钟同步设计与实现

随着航空电子体系架构的日益更新,航空机载总线技术得到了飞速发展.时间触发以太网作为新一代的航空总线适合在分布式综合模块化电子系统中应用.时钟同步机制是该网络的核心技术,通过该技术建立的高精度全局同步时钟是保障TTE的数据通信强实时性和确定性的先决条件.本文在分析研究TTE时钟同步算法的基础上,提出了符合SAE AS6802协议标准的TTE端系统的时钟同步机制的设计方案,并在FPGA硬件上得以实现.     

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。     

基于重要性抽样的时间触发调度表生成方法

时间触发以太网(TTE)是分布式综合模块化航空电子(DIMA)系统互连中的骨干网络，需要生成无冲突的时间触发(TT)流量调度表。形式化SMT求解可以抽象地表述多种调度约束；但TT流量间，以及TT流量与分区调度之间存在作业链依赖关系，较复杂的约束会降低求解器的效率。将重要性抽样(IS)方法应用于TT调度表的启发式求解，通过统计“尽可能快”(ASAP)求解的尝试偏移量的经验分布，扭转该变量的抽样分布进行迭代寻优；并针对调度的可行性及作业链的及时性，将IS求解分为2个阶段进行。案例研究表明：第1阶段的IS会演化得出易于保证严格周期调度或抖动较小的尝试偏移量分布，第2阶段IS则会进一步根据作业链的最坏总延迟最小准则进行迭代优化，并且对于分区调度与TT流量调度存在或不存在同步关系的场景都具有适用性。     

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。     

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。     

基于时钟偏斜的DIMA系统通信调度方法

针对分布式集成的DIMA网络系统提出一种基于时钟偏斜的时间触发通信调度方法。该方法在考虑时钟同步误差和时钟漂移造成的时钟偏斜情况下,对时间触发消息流传输路径相邻上下级联设备的调度窗口进行紧密排布,在时钟偏斜误差范围内实现了时间触发消息的无冲突传输。案例表明,该调度算法实现的消息传输时延与消息最小传输时延一致,保障了时间触发消息端到端传输的确定性;即使考虑时钟偏斜影响,采用该算法所带来的传输延时误差不超过5μs,具有接近消息最好传输延时的保障能力。     

板级互连网关的时间触发消息转发调度方法

针对航天电子综合化系统时间触发通信中跨越骨干网互连和板级芯片间互连的网关转发调度,以保证TT消息间顺序关系和减少网关中等待时间为目标,进行转发调度方法及其网关中等待时间算法的研究.首先分别以减少网关内等待时间和保序为目标给出了不保序和完全保序的TT消息转发调度方法,并重点给出了其网关内等待时间算法;然后提出了考虑应用规...     

片间综合化互连时间触发通信调度方法

未来先进的分布式综合化航空电子系统需要实现跨越计算体系结构的信息综合,对微小型智能器件间的综合化互连提出要求。通过构建一种具有开放式接口的芯片间综合化互连结构,提出一种相应的时间触发（TT）通信调度方法。首先建立片间综合化互连模型和时间触发流量传输模型,给出负载均衡的选径方法;随后依据传输路径中各级节点各流量的发送时间偏移量计算流量传输的等待时间可行值,利用遗传算法优化调整各芯片发送端口的调度表相位,更新各流量在发送端口的时间偏移量,缩短最坏情况下的最大等待时间,得到具有全局优化意义的时间触发调度表。与使用Yices等SMT形式化求解器的TT调度表生成方法相比,本方法不会出现长时间不停机而无法判定的问题,且不论对于对称或非对称结构,案例研究表明本方法的可调度规模至少增加30%。此外,以流量传输等待时间占周期的比例作为归一化的传输延迟度量,与既有的基于特征任务的调度方法相比,案例研究表明本方法得到的传输延迟最多仅为后者的2%。     

Hybrid partition- and network-level scheduling design for distributed integrated modular avionics systems

Distributed Integrated Modular Avionics (DIMA) develops from Integrated Modular Avionics (IMA) and realizes distributed integration of multiple sub-function areas. Time-triggered network provides effective support for time synchronization and information coordination in DIMA systems. However, inconsistency between processing resources and communication network destroys the time determinism benefiting from partitions and time-triggered mechanism. To ensure such time determinism and achieve guaranteed real-time performance, system design should collectively provide a global communication scheme for messages in network domain and a corresponding execution scheme for partitions in processing domain. This paper firstly establishes a general DIMA model which coordinates partitioned processing and time-triggered communication, and then proposes a hybrid scheduling algorithm using Mixed Integer Programming to produce feasible system schemes. Furthermore, incrementally integrating new functions causes upgrades or reconfigurations of DIMA systems and will generate integration cost. To control such cost, this paper further develops an optimization algorithm based on Maximum Satisfiability Problem and guarantees that the scheduling design for upgraded DIMA systems inherit their original schemes as much as possible. Finally, two typical cases, including a simple fully connected DIMA system case and an industrial DIMA system case, are constructed to illustrate our DIMA model and validate the effectiveness of our hybrid scheduling algorithms.     

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。     

开放式FADEC系统的数据总线研究

研究了容错数据总线这个从集中式向开放式架构过渡的关键技术.在深入研究确定性、一致性、开放性、拓扑结构、调度策略、容错机制和传输带宽等开放式FADEC(全权限数字电子控制)数据总线关键特征的基础上,分析了总线数据传输的时间不确定性问题.从性能、可靠性和可用性的角度深入研究了TTP/C(time-triggered protocol/automotive class C),ARINC659,TTCAN(time-triggered controller area network)和FlexRay这4种时间触发架构数据总线的关键特征.研究结果表明:TTP/C总线是开放式FADEC的最佳选择,最后提出了一种基于TTP/C总线的航空发动机模块化DEEC(digital electronic engine controller)硬件架构.      

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.     

Time-triggered State-machine Reliable Software Architecture for Micro Turbine Engine Control

Time-triggered (TT) embedded software pattern is well accepted in aerospace industry for its high reliability. Fi-nite-state-machine (FSM) design method is widely used for its high efficiency and predictable behavior. In this paper, the time-triggered and state-machine combination software architecture is implemented for a 25 kg thrust micro turbine engine (MTE) used for unmanned aerial vehicle (UAV) system; also model-based-design development workflow for airworthiness software directive DO-178B is utilized. Experimental results show that time-triggered state-machine software architecture and development method could shorten the system development time, reduce the system test cost and make the turbine engine easily comply with the airworthiness rules.     

到达航班排序与调度优化的遗传算法研究

解决机场到达航班的排序与调度(ASS)问题是保持空中交通通畅、减少航班延迟的主要途径.本文针对ASS问题的特点,建立了以航班总延误时间为目标函数的排序模型,提出了基于格里芬斯塔特编码和滚动时域优化策略的遗传算法,并对排序模型进行了仿真分析.结果表明:与先到先服务算法相比,本文算法能显著减少航班总延迟,同时较常规遗传算法...     

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.     

基于多目标帝国竞争算法的进场排序与调度

为兼顾空管、机场、航司以及民众的不同诉求,提出了基于多目标帝国竞争算法的进场排序与调度方法,达到平衡交通需求与进场管理的目的。首先,借鉴机器调度领域研究成果,梳理与精简进场排序与调度的评价指标,并结合运行约束构建多目标进场排序与调度模型。接着,引入非支配排序,设计多目标帝国竞争算法,给出衡量帕累托解集优劣的评价指标。最后,采用通用数据集与长沙黄花机场实际运行数据实施案例进行仿真与验证。结果表明：提出的多目标帝国竞争算法,相对于带精英策略的非支配排序遗传算法以及多目标模拟退火算法而言,解集更占支配地位、分布更均匀、收敛性更好,求解的效率也更高;提出的算法能有效实现进场排序与调度,即便以标准间隔的1.8倍实施仿真,总延误时间、总飞行时间和最大飞行时间,相对于实际运行分别降低了41.2%、11.4%和8.6%。