【摘要】：航空電子系統(tǒng)是飛機的“大腦”和“神經(jīng)中樞”,其發(fā)展經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合模塊化(Integrated Modular Avionics,IMA)以及目前最新的分布式綜合模塊化(Distributed Integrated Modular Avionics,DIMA)的四代典型技術(shù)發(fā)展。DIMA的設(shè)計思想通過分布式綜合技術(shù),并結(jié)合時間觸發(fā)(Time-Triggered)通信和分區(qū)隔離調(diào)度機制,極大地增強了綜合電子系統(tǒng)在執(zhí)行任務時的實時性、可靠性和安全性,代表了未來武器裝備的發(fā)展趨勢,未來航空電子系統(tǒng)架構(gòu)逐步演變?yōu)榛诰W(wǎng)絡(luò)的分布式、綜合化、模塊化的通用系統(tǒng)平臺。時間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time-Triggered Ethernet,TTE)屬于時間觸發(fā)架構(gòu)下的航空機載總線,相比于傳統(tǒng)機載總線,TTE具備高可靠性和安全性、良好的兼容性以及消息傳輸確定性等優(yōu)點。在新一代綜合化航空電子系統(tǒng)中,采用時間觸發(fā)以太網(wǎng)作為底層通信網(wǎng)絡(luò)的DIMA系統(tǒng),即基于時間觸發(fā)的分布式綜合模塊化航空電子系統(tǒng)(Time-Triggered based Distributed Integrated Modular Avionics,TT-DIMA)可以滿足未來混合安全關(guān)鍵等級功能綜合化的發(fā)展趨勢,代表著未來航電系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向。本文研究面向DIMA應用的時間觸發(fā)以太網(wǎng)性能優(yōu)化與評估技術(shù),其研究成果已經(jīng)在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)、運載火箭控制系統(tǒng)、船舶分布式控制系統(tǒng)等典型應用場景下得到驗證,具有高時間確定性,強實時性和高可靠性等特點。本文的研究工作主要包括基于TT-DIMA業(yè)務約束的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、TT-DIMA系統(tǒng)時鐘同步控制、TT-DIMA混合安全關(guān)鍵業(yè)務調(diào)度、TT-DIMA流量模型優(yōu)化及性能評估四個主要研究內(nèi)容。論文的創(chuàng)新工作包括:(1)針對TT-DIMA網(wǎng)絡(luò)資源分配優(yōu)化問題,重點研究了TTE網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),目標是在滿足網(wǎng)絡(luò)應用的安全性和實時性要求的前提下,生成一個具有較低架構(gòu)成本、負載均衡、相對路徑短的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。本文在深入分析了以太網(wǎng)系統(tǒng)模型之后,提出一種新的網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化方法,該拓撲優(yōu)化算法充分考慮了TTE網(wǎng)絡(luò)通信本身具有的時間確定性和網(wǎng)絡(luò)拓撲的任意性,可以使得整體網(wǎng)絡(luò)拓撲架構(gòu)成本更低,整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點以及鏈路上的負載分布更加均勻,使時間觸發(fā)業(yè)務流編排更加合理,為DIMA系統(tǒng)提供全局性能最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。(2)針對DIMA系統(tǒng)應用業(yè)務不同步帶來應用系統(tǒng)延遲大、不確定、應用組合性差等問題,提出了網(wǎng)絡(luò)級和應用級兩級同步策略,目標是降低系統(tǒng)應用業(yè)務端到端之間的延遲。首先,詳細研究了TTE網(wǎng)絡(luò)時鐘高精度同步的方法,利用FPGA實現(xiàn)了TTE標準同步算法;然后,進一步研究分區(qū)操作系統(tǒng)VxWorks653與TTE通信網(wǎng)絡(luò)間的時鐘同步技術(shù),提出了一種分區(qū)操作系統(tǒng)時鐘和TTE網(wǎng)絡(luò)時鐘的高精度時隙對齊方法,使得系統(tǒng)的應用業(yè)務可以按照時間觸發(fā)的模式進行編排調(diào)度,有效降低業(yè)務端到端的通信延遲。最后,利用自研的TTE交換機和TTE節(jié)點機搭建了一整套TT-DIMA演示驗證系統(tǒng),在真實的硬件環(huán)境下,TTE網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的同步精度不超過48ns,應用分區(qū)間時鐘同步精度不超過70ns,端到端的應用消息通信延遲在[7.18μs,7.22μs]范圍之間,延遲抖動40ns,這些實驗結(jié)果驗證了同步算法的正確性和有效性,也為進一步開發(fā)TT-DIMA產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)支撐。(3)由于DIMA系統(tǒng)本身的業(yè)務特性,TTE網(wǎng)絡(luò)需要同時支持時間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種業(yè)務,以滿足不同安全等級的應用場景。為了進一步提高系統(tǒng)資源的利用率,提出了一種時間觸發(fā)業(yè)務靜態(tài)調(diào)度表生成算法,將調(diào)度表編排問題抽象成二維裝箱及帶約束的優(yōu)化問題,優(yōu)化目標是使得時間觸發(fā)業(yè)務盡可能的分散排布,從而得到數(shù)目最大的空閑時隙數(shù),為后續(xù)事件觸發(fā)業(yè)務提供均勻的時間資源以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真實驗結(jié)果表明,提出的優(yōu)化算法要優(yōu)于傳統(tǒng)裝箱算法對調(diào)度表的編排,在平均時延和時延抖動兩個指標上都有明顯的降低,保證了DIMA系統(tǒng)對關(guān)鍵業(yè)務的確定性通信延遲,同時最大限度地滿足非安全關(guān)鍵業(yè)務。(4)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)演算模型對系統(tǒng)時延分析存在較大的悲觀性,結(jié)合DIMA系統(tǒng)中業(yè)務特點提出了一種新的通信流量優(yōu)化模型和性能評估方法,通過引入時間觸發(fā)(TT)流量的缺包周期以及速率約束(RC)流量的調(diào)節(jié)因子,分別對RC流量的服務曲線及到達曲線進行了優(yōu)化并基于該模型進行了時延分析,時延分析結(jié)果更接近真實網(wǎng)絡(luò)運行情況,使系統(tǒng)調(diào)度表編排更加合理,提高了系統(tǒng)資源的利用率。
【圖文】：

圖 1.1 分布式模塊化電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在研究和應用實踐中，DIMA 系統(tǒng)體現(xiàn)出“綜合模塊化”與“分布式”兩大特征[14]：一方面，由于系統(tǒng)設(shè)計的綜合化與模塊化，硬件資源共享程度很高，模塊的可重用性較強，這將使系統(tǒng)整體設(shè)計的工作量大幅減小；另一方面，由于硬件資源的分布排布，允許子系統(tǒng)之間從物理層次實現(xiàn)隔離。圖 1.2 展示出 DIMA 與傳統(tǒng) IMA 在綜合化處理與互連方式上的對比示意。對于 DIMA 航電系統(tǒng)，涉及多個子功能區(qū)域的分布式集成，更加強調(diào)任務關(guān)鍵和安全關(guān)鍵等性能保障機制在系統(tǒng)集成過程中的一致性性能，并集中表現(xiàn)在系統(tǒng)完整性方面。完整性是指硬件、軟件或系統(tǒng)正確地符合設(shè)計要求的程度。傳感器/作動器傳感器/作動器

(SimulatedAnnealing，SA)。火最早是由 N. Metropolis 等人于 1953 年提出，1983 年 Kirkp引入到組合優(yōu)化領(lǐng)域，其出發(fā)點是基于物理中固體物質(zhì)的退火題之間的相似性。優(yōu)化問題中將搜尋空間內(nèi)每一點想象成空，就是它本身的動能；而搜尋空間內(nèi)的每一點，也像空氣分子該點對優(yōu)化問題的合適程度。算法先以搜尋空間內(nèi)一個任意擇一個“鄰居”，然后再計算從現(xiàn)有位置到達“鄰居”的概率值，則跳轉(zhuǎn)到“鄰居”；若概率較小，則停留在原位置不動。的一種，，也是一種貪心算法，但是它的搜索過程引入了隨機因時，以一定的概率來接受一個比當前解要差的解，因此有可能解，達到全局的最優(yōu)解。以圖 2.6 為例，假定初始解為左邊藍會快速搜索到局部最優(yōu)解 B，但在搜索到局部最優(yōu)解后，不定的概率接受向右邊移動的值，經(jīng)過幾次這樣的不是局部最優(yōu)最優(yōu)點 D，于是就跳出了局部最小值。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP393.11

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本文編號：2592225