航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

劉蕓　陳伊卿　吳姣　劉鴿

摘要：文章深入研究了多種航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)航空網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和具體應(yīng)用的需求，分析總結(jié)了航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)中存在的多種故障模式，并針對(duì)各種故障模式提出了適用于航空網(wǎng)絡(luò)的切實(shí)可行的故障檢測(cè)方法。該方法目前已在多個(gè)型號(hào)飛機(jī)的機(jī)電、航電網(wǎng)絡(luò)上論證并實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)室和機(jī)上大量的功能測(cè)試和驗(yàn)證，可滿足具體型號(hào)的技術(shù)要求，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中的已定義故障，具有良好的可用性和可靠性。

關(guān)鍵詞： 航空網(wǎng)絡(luò)；故障檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）03-0035-03

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，多種適用于航空電子的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如AFDX網(wǎng)絡(luò)、FC總線、1394總線、1553總線技術(shù)）也得到了大力發(fā)展。航空網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有連線少、資源能共享能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)、易于維護(hù)和擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高了飛機(jī)的綜合性能。為了提高航空網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，這就需要自主研發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)，用以保證整個(gè)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

航電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各類(lèi)傳感器、終端設(shè)備和接口數(shù)量眾多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性和正確性的要求非常高，一般的網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)無(wú)法滿足其需求。因此，應(yīng)該大力研究和發(fā)展航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)。本文根據(jù)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)要求，重點(diǎn)研究了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)故障模式，并針對(duì)故障模式提出了對(duì)應(yīng)的故障檢測(cè)方法。

1 航空網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)的需求

航空網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)，不僅應(yīng)該在系統(tǒng)規(guī)定的條件下檢測(cè)出已定義的故障，還必須滿足其自身的特殊需求，即：

1）實(shí)時(shí)性：故障檢測(cè)技術(shù)必須能夠高效監(jiān)視航空網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的狀態(tài)，必須能夠在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)檢測(cè)出已定義故障；

2）可靠性：故障檢測(cè)技術(shù)本身必須是可靠的，能夠技術(shù)檢測(cè)出故障且不會(huì)誤報(bào)不存在的故障；

3）低流量：盡管被監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備數(shù)量眾多、位置分散，但故障檢測(cè)技術(shù)作為一種基礎(chǔ)服務(wù)引入網(wǎng)格環(huán)境中，要求其對(duì)整個(gè)網(wǎng)格通信性能影響到盡可能的小，所耗費(fèi)的資源盡可能低；

4）靈活性：航空網(wǎng)絡(luò)中的故障檢測(cè)技術(shù)會(huì)用于網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)不同的設(shè)備，要與不同類(lèi)型的應(yīng)用程序兼容，要求故障檢測(cè)技術(shù)能夠根據(jù)應(yīng)用程序類(lèi)型的不同和需求的不同，相應(yīng)調(diào)整檢測(cè)策略。

2 航空網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)分析

航空網(wǎng)絡(luò)的故障模式與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議特性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，分析故障模式時(shí)必須考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 航空網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議特性

航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多種多樣，他們具有如下共同的特點(diǎn)：

1）可靠性：航空網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)通信的可靠性要求較高，希望各設(shè)備按照事先定義的方式穩(wěn)定運(yùn)行，不允許既定數(shù)據(jù)丟失，也不允許產(chǎn)生不希望的數(shù)據(jù)。

2）實(shí)時(shí)性：航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)通信的時(shí)間有著嚴(yán)格的要求，即規(guī)定了多個(gè)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信應(yīng)該在固定的時(shí)間內(nèi)完成，不可拖延。

3）確定性：航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有可定義性，且各個(gè)消息應(yīng)該在規(guī)定的范圍內(nèi)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，該時(shí)間范圍可確定。

2.2 航空網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)一般為星型或總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中比較有代表性的有星型結(jié)構(gòu)的AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，和總線結(jié)構(gòu)的ARINC825CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。AFDX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為可拓展的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由端系統(tǒng)（End System）、交換機(jī)（Switch）和傳輸鏈路組成，每個(gè)交換機(jī)允許連接若干個(gè)端系統(tǒng)，多個(gè)交換機(jī)可以互聯(lián)組成更大的網(wǎng)絡(luò)。ARINC825網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)為總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)通過(guò)與公共總線連接，組成總線型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以是對(duì)等的關(guān)系，也可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)為主從模式。

3 故障模式分析和檢測(cè)

航空網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)機(jī)和連接節(jié)點(diǎn)機(jī)的設(shè)備組成。可以按照故障所在的位置，將航空網(wǎng)絡(luò)中的故障分為單節(jié)點(diǎn)故障和網(wǎng)絡(luò)連接故障。

3.1 單節(jié)點(diǎn)故障分析和檢測(cè)

單節(jié)點(diǎn)故障是指網(wǎng)絡(luò)中某一單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障，該故障只對(duì)本節(jié)點(diǎn)的相關(guān)功能有影響，不應(yīng)影響網(wǎng)絡(luò)整體功能。該故障有以下幾種類(lèi)型。

1）硬件故障

硬件故障是指構(gòu)成節(jié)點(diǎn)設(shè)備的各部分硬件出現(xiàn)的故障。硬件故障一般與時(shí)間和環(huán)境相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，硬件故障可能是FLASH故障、CPU故障、SDRAM故障、DPRAM故障、時(shí)鐘故障、PCI總線故障等。該故障的檢測(cè)方法分為以下幾種：對(duì)于DPRAM或SDRAM等具有存儲(chǔ)功能的部件，檢測(cè)一般為方法讀寫(xiě)操作或CRC校驗(yàn)和對(duì)比；對(duì)于CPU或DSP等具有計(jì)算功能的部件，檢測(cè)方法一般為算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

2）軟件故障

軟件故障是指軟件沒(méi)有按照既定的方式運(yùn)行，或無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)的異常時(shí)產(chǎn)生的故障。該故障一般為邏輯級(jí)故障、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)故障、軟件差錯(cuò)和系統(tǒng)級(jí)的故障。 軟件故障的檢測(cè)方法有：看門(mén)狗、心跳檢測(cè)、狀態(tài)監(jiān)控、異常中斷。

3）通道故障

通道故障是指節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信通道出現(xiàn)了故障，無(wú)法接入網(wǎng)絡(luò)。通道故障的檢測(cè)方法較多，但最可靠的檢測(cè)方法為收發(fā)環(huán)路法，即節(jié)點(diǎn)機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中的另一設(shè)備發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，并在固定的時(shí)間內(nèi)收到該請(qǐng)求的正確響應(yīng)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)連接故障分析和檢測(cè)

鏈路故障是指網(wǎng)絡(luò)中連接各節(jié)點(diǎn)機(jī)的鏈路發(fā)生了故障，該故障可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常通信。該故障有如下幾種類(lèi)型。

1）核心設(shè)備故障

航空網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵部件，一般是指星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的交換機(jī)，或者總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的總線連接設(shè)備。核心設(shè)備故障故障是指這些關(guān)鍵設(shè)備無(wú)法正常工作，從而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)不能通信，成為一個(gè)個(gè)孤立的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

2）網(wǎng)絡(luò)斷裂

網(wǎng)絡(luò)斷裂是指網(wǎng)絡(luò)中某處通道連接的故障，導(dǎo)致多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的整體網(wǎng)絡(luò)斷裂成若干個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)，雖然各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信功能正常，但無(wú)法執(zhí)行整體的網(wǎng)絡(luò)功能。

3）節(jié)點(diǎn)脫離

節(jié)點(diǎn)脫離是指某節(jié)點(diǎn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接斷開(kāi)，無(wú)法了接入網(wǎng)絡(luò)中。該故障會(huì)導(dǎo)致此節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)脫離，成為孤立的節(jié)點(diǎn)。

從以上分析可知，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接中的故障，不僅要檢測(cè)單個(gè)節(jié)點(diǎn)，還應(yīng)充分考慮所有節(jié)點(diǎn)的相互通信?？梢砸刖W(wǎng)絡(luò)管理的概念，在網(wǎng)絡(luò)中定義一個(gè)管理端，其他的節(jié)點(diǎn)作為代理端。管理端可以主動(dòng)的向代理端發(fā)送Get請(qǐng)求，代理端收到請(qǐng)求后將自身的狀態(tài)信息整理好發(fā)回管理端，管理端就可以獲取網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，從而獲取網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)（包括節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)和與網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)）。

4 故障檢測(cè)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

4.1 單節(jié)點(diǎn)故障檢測(cè)方法

對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障，采用BIT（Build-In-Test）的方法進(jìn)行檢測(cè)。BIT可根據(jù)運(yùn)行時(shí)機(jī)分為三類(lèi)：上電BIT、周期BIT、維護(hù)BIT。

1）上電BIT：該功能在設(shè)備上電時(shí)執(zhí)行，檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵部件是否存在異常，如CPU、存儲(chǔ)設(shè)備（FLASH、DPRAM）、時(shí)鐘。該項(xiàng)檢測(cè)應(yīng)該在很短的時(shí)間內(nèi)完成，并存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果。

2）周期BIT：該功能在設(shè)備正常工作時(shí)周期的執(zhí)行，在不影響正常功能的情況下檢測(cè)設(shè)備中的部件是否存在異常，該檢測(cè)應(yīng)注重實(shí)時(shí)狀態(tài)，如軟件是否正常運(yùn)行，時(shí)鐘是否穩(wěn)定增長(zhǎng)。該檢測(cè)應(yīng)周期執(zhí)行，并存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果。

3）維護(hù)BIT：該檢測(cè)在設(shè)備處于維護(hù)狀態(tài)時(shí)執(zhí)行，應(yīng)該全面的檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況，檢測(cè)范圍可以很廣，檢測(cè)時(shí)間可以較長(zhǎng)。該檢測(cè)在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)禁止使用。

三類(lèi)BIT的使用規(guī)則為：上電后立即執(zhí)行上電BIT，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中周期的執(zhí)行周期BIT，設(shè)備在維護(hù)狀態(tài)下執(zhí)行維護(hù)BIT。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備多種多項(xiàng)，所以BIT的檢測(cè)項(xiàng)和檢測(cè)方法可根據(jù)具體情況來(lái)定義。三類(lèi)BIT綜合使用，可以全面的檢測(cè)出設(shè)備中已定義的故障。將三類(lèi)BIT的檢測(cè)結(jié)果綜合處理，形成節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，并將該狀態(tài)信息妥善存儲(chǔ)，將周期BIT的檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)更新到該信息中。

4.2 網(wǎng)絡(luò)連接故障檢測(cè)方法

網(wǎng)絡(luò)連接故障檢測(cè)的基本思想為：網(wǎng)絡(luò)管理。在網(wǎng)絡(luò)中，將某一節(jié)點(diǎn)定義為管理端，其他節(jié)點(diǎn)定義代理端。管理端可以向所有代理端發(fā)送請(qǐng)求，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到各個(gè)代理端的響應(yīng)消息，根據(jù)收到響應(yīng)消息的情況判斷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的故障類(lèi)型。但由于管理端本身也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也有可能出現(xiàn)連接故障和設(shè)備故障，所以網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置兩個(gè)管理端互為備份。

使用網(wǎng)絡(luò)管理方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接故障檢測(cè)的判斷準(zhǔn)則如下：

1）管理端向某節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求后，沒(méi)有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到響應(yīng)消息，則可判斷該節(jié)點(diǎn)故障。故障類(lèi)型可能為連接故障或節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障。通過(guò)查看該節(jié)點(diǎn)的自身狀態(tài)信息，判斷故障為連接故障還是節(jié)點(diǎn)故障。

2）管理端向某節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到了響應(yīng)消息，但響應(yīng)中的狀態(tài)信息中存在異常情況，即可檢測(cè)出該節(jié)點(diǎn)中存在的具體故障。

3）管理端向某節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求后，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到了響應(yīng)消息，且響應(yīng)中的狀態(tài)信息中不存在異常情況，則說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有任何故障，可正常工作。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)方法已完成工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)了大量測(cè)試驗(yàn)證，其功能和性能滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。該技術(shù)對(duì)我國(guó)自主研發(fā)新一代飛機(jī)的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有重要意義和價(jià)值。

由于機(jī)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與升級(jí)，且網(wǎng)絡(luò)中存在的故障很難定義全面，還應(yīng)該深入分析網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提高存在故障的定義率；并考慮故障檢測(cè)技術(shù)的可靠性、安全性需求，進(jìn)一步改進(jìn)和完善適用于航空網(wǎng)絡(luò)的故障檢測(cè)技術(shù)。

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