分布式綜合化航空電子網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)

邱 征，魏雪菲，王世奎

（中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065）

0 引言

IMA（Integrated Modular Avionics）是一種先進(jìn)綜合航空電子技術(shù)。IMA 技術(shù)采用統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，采用標(biāo)準(zhǔn)、通用的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)減少航空電子系統(tǒng)開銷和重量［1］。IMA 綜合化架構(gòu)帶來功能綜合、資源集中與系統(tǒng)耦合的問題，目前僅能通過手動(dòng)方式優(yōu)化IMA 架構(gòu)設(shè)計(jì)與業(yè)務(wù)分配。國外提出一系列優(yōu)化算法針對功能分布、互聯(lián)拓?fù)浜唾Y源分配進(jìn)行優(yōu)化［2-4］，能夠較好地優(yōu)化航電架構(gòu)，但尚需考慮航電網(wǎng)絡(luò)本身通信延遲、交換容量、線纜重量等開銷和性能。這些指標(biāo)在分布式綜合化架構(gòu)（DIMA）下更加重要。AFDX 網(wǎng)絡(luò)［5］是一種主流的航電交換網(wǎng)絡(luò)，采用星型拓?fù)?。AFDX 網(wǎng)絡(luò)端系統(tǒng)通過交換機(jī)互聯(lián)通信，交換機(jī)可以轉(zhuǎn)發(fā)端系統(tǒng)、級(jí)聯(lián)交換機(jī)的消息。AFDX 網(wǎng)絡(luò)適合混合安全關(guān)鍵系統(tǒng)，它采用消息靜態(tài)路由、流量控制、鏈路劃分、帶寬分配等手段來保證通信確定性，同時(shí)還通過物理連通與邏輯同傳的雙冗余機(jī)制來保證信息的可靠性。

AFDX 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)核心在于受限條件下路由規(guī)劃和確定性調(diào)度機(jī)制［7］：物理鏈路余度、端到端延遲、帶寬預(yù)算分配、混合關(guān)鍵業(yè)務(wù)并發(fā)、信息可靠性等限制。Charara 提出一種半自動(dòng)端到端延遲證明與計(jì)算方法［8］。Zhang 提出一種自動(dòng)最小化平均網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的VL 路由方法［9］。Al Sheik［10］提出通過優(yōu)化消息載荷和速率降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。Carta 在連接和節(jié)點(diǎn)數(shù)一定的情況下，考慮帶寬隔離約束，提出一種自動(dòng)生成VL 路由方法［11］。

目前所有網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法均基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。針對?guī)模、延遲、開銷等目標(biāo)，本文提出一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠?jì)算模型與方法。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是計(jì)算獲取一個(gè)優(yōu)化的拓?fù)?，包含交換機(jī)數(shù)量、交換機(jī)位置和物理連接，包括：

1）功能業(yè)務(wù)特性的大量端系統(tǒng)部署信息；2）功能交互所需的一系列信號(hào)，需要帶寬、延遲、隔離約束；3）終端物理安裝位置和線纜路徑的物理長度；4）鏈路和交換機(jī)的屬性，包含重量、開銷、可靠性和端口數(shù)。

本文針對AFDX 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性作了兩處簡化假設(shè)。首先，路由是作為端到端通信計(jì)算，沒有采用多播VL。其次，雙冗余的AFDX 網(wǎng)絡(luò)中僅考慮單鏈路通信，假設(shè)兩條鏈路上的通信能力一致。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ团c多目標(biāo)優(yōu)化算法

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

AFDX 拓?fù)洳捎迷O(shè)備D 和連接L 描述。設(shè)備由一組端系統(tǒng)DE和一組交換機(jī)DS組成。兩個(gè)設(shè)備之間的連接是點(diǎn)對點(diǎn)通信。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢酝ㄟ^無向圖G=（V，E）進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)V={DE，DS}，邊E={E1，…，En}，其中Ei=（Vp，Vq）。AFDX 拓?fù)鋱D受更多限制：1）端系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)通常只有一個(gè)邊；2）交換機(jī)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)邊，但是節(jié)點(diǎn)邊的最大數(shù)量=交換機(jī)端口數(shù)目pmax；3）兩個(gè)端系統(tǒng)之間不能有邊。

AFDX 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可以涵蓋業(yè)務(wù)拓?fù)?、物理拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)目標(biāo)包括駐留在端系統(tǒng)DE上的任務(wù)T。所有任務(wù)T 的信號(hào)集S 特定，它是兩個(gè)任務(wù)之間的直接通信，例如Sk=（Ti，Tj）。信號(hào)不是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)，而是兩個(gè)任務(wù)之間通信預(yù)定義藍(lán)圖，藍(lán)圖需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于每一個(gè)信號(hào)Sk，它的路由必須能夠從源任務(wù)駐留設(shè)備DE（Ti）到目的任務(wù)駐留設(shè)備DE（Tj）。一個(gè)完整的路由（在圖論中為路徑P）可以采用設(shè)備、鏈接、交換機(jī)列表進(jìn)行定義，例如Pk=（D1E，L2，D2S，L3，…，D7E）。路由必須由源設(shè)備開始，到目的設(shè)備終止，并且拓?fù)渲虚g都是正確完整連接，且沒有物理斷開。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，每個(gè)交換機(jī)或連接上的信號(hào)數(shù)量、容量有限，可以通過一個(gè)簡單的資源模型表達(dá)。信號(hào)資源需求如式（1）：

索引1 到n 表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲惺褂貌煌Y源類型，最主要的資源類型為帶寬。另外，像CPU 負(fù)載、緩沖負(fù)載或者信號(hào)數(shù)等也可以考慮。

交換機(jī)和連接提供的每個(gè)資源類型ri∈R+，其資源都是一個(gè)正數(shù)。只有交換機(jī)、物理連接（虛擬連接）能滿足信號(hào)所需最小資源時(shí)，信號(hào)才能分配到該交換機(jī)或連接上。一旦分配完成，需要的資源數(shù)量就被消耗，其他信號(hào)就不能再使用該資源。交換機(jī)和鏈接上分配的信號(hào)所需要資源之和，必須小于等于其對應(yīng)的每個(gè)資源類型所擁有的可用資源。

此外，任務(wù)應(yīng)該考慮隔離約束δ，隔離約束定義：兩個(gè)任務(wù)不能在一樣的設(shè)備、設(shè)備類型、位置或者這三者的組合上。隔離任務(wù)的信號(hào)，除了有相同的源或目的，在它們的路徑中不能再有任何相同的節(jié)點(diǎn)或者邊。如果需要不同的安裝位置，鏈接必須采用單獨(dú)的物理線纜。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫芟抻诤诫娢锢順?gòu)型剖面。剖面可以通過網(wǎng)絡(luò)安裝位置I，線纜路由C 和連接點(diǎn)J 建模。每個(gè)端系統(tǒng)的位置已知，交換機(jī)位置也是從可供安裝的位置中選擇。交換機(jī)的布局同信號(hào)一樣，受相似的資源模型限制。安裝布局位置為每一個(gè)不同類型i 提供基礎(chǔ)資源ρi∈R+，ρi為交換機(jī)所需要消耗的資源。從而限制每個(gè)安裝位置的交換機(jī)數(shù)量。線纜路由是位置之間可能的物理鏈接，它的屬性通過長度進(jìn)行刻畫。線纜路由通過連接點(diǎn)進(jìn)行分割和連接。位置、線纜路由和連接點(diǎn)形成了剖面圖GA=（VA，EA），其中VA={I，J}，EA=C。

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化方法

通用的優(yōu)化方法是生成一個(gè)過設(shè)計(jì)的拓?fù)洌倩谀繕?biāo)函數(shù)和約束條件縮小該拓?fù)?。首先需要建立一個(gè)能滿足需求的初始拓?fù)?，再迭代?yōu)化該拓?fù)?。假定采用的輸入如下?/p>

1）所有已經(jīng)分配任務(wù)的端系統(tǒng)集合、信號(hào)列表、資源需求和隔離約束；2）網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)：包含由信號(hào)、基礎(chǔ)資源和端口數(shù)量刻畫屬性的交換機(jī)和同樣由可用資源進(jìn)行刻畫的鏈接；3）由位置、基礎(chǔ)資源及線纜路由組成的構(gòu)型剖面。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化的一般方法

過設(shè)計(jì)的拓?fù)涿麨樽畲蠡W(wǎng)絡(luò)，可通過圖1進(jìn)行描述。該最大化網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)位置按照基礎(chǔ)資源限制，擺放盡可能多的交換機(jī)。它為每個(gè)端系統(tǒng)和每個(gè)交換機(jī)引入一個(gè)鏈接，不考慮每個(gè)端系統(tǒng)只能有一個(gè)鏈接的限制。此外，為每一對交換機(jī)之間引入一個(gè)鏈接。按照此規(guī)則建立的最大網(wǎng)絡(luò)，擁有|DE|個(gè)端系統(tǒng)，可以布局|DS|個(gè)交換機(jī)，|DS|2+1/2|DE|+|DE||DE|條鏈接。在第2 階段，所有的信號(hào)在最大網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由，因此，最大網(wǎng)絡(luò)所有用到的要素形成優(yōu)化拓?fù)洌鐑?yōu)化目標(biāo)可以為交換機(jī)和鏈接的最小數(shù)目。優(yōu)化后的拓?fù)浔仨殱M足交換機(jī)和端系統(tǒng)的最大端口數(shù)目要求。

最大網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建是一個(gè)預(yù)處理步驟。以優(yōu)化拓?fù)錇槟繕?biāo)的信號(hào)路由是一個(gè)組合優(yōu)化問題。它可以通過一個(gè)二進(jìn)制程式（binary program，BP）進(jìn)行公式化。通常BP 是找到一個(gè)的二進(jìn)制向量x，將其最小化。

其中，x 是求解向量，f 是開銷向量，A 和Aeq包含一個(gè)任意數(shù)量的線性等式和不等式。

拓?fù)鋬?yōu)化問題解決向量編碼如式（4）：

對每一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)Vj，其資源類型k 的可用資源會(huì)限制該交換機(jī)上信號(hào)的最大數(shù)量。同理，表示每個(gè)鏈接Ej存在不等式：

|DS|+|E|資源不等式組成了Ar。

信號(hào)Si和Sj之間的隔離可用以下不等式表示：

上述不等式表示對于每對隔離的信號(hào)其每個(gè)交換機(jī)使用。所有的隔離不等式組成矩陣Aδ。

對于每個(gè)交換機(jī)|Vj|和鏈接|Ej|需要兩個(gè)不等式，將xP和xV、xE關(guān)聯(lián)起來。不等式如式（10）：

確保如果至少一個(gè)信號(hào)用到它，則使用變量為1，另外：

如果沒有信號(hào)分配給它們，則強(qiáng)制使用變量為0。使用約束由AE和AV組成。

最后，每個(gè)交換機(jī)和端系統(tǒng)最大鏈接數(shù)由以下不等式限定：

對于端系統(tǒng)b 為1，對于交換機(jī)b 為pmax。這個(gè)|DS|+|DS|的不等式組成了矩陣Aport。

BP 計(jì)算最大網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)信號(hào)的正確信號(hào)路徑，該路徑包括上述所有等式和不等式：

并且

1.3 優(yōu)化加速方法

BP 問題屬于一類NP 難題。路徑編碼部分（xP）的x 占變量大部分，它表示每個(gè)可能的路徑。為了減少變量數(shù)目，xP可以通過向量xR簡化。xR為每個(gè)信號(hào)i 編碼一個(gè)預(yù)計(jì)算路徑集合Ri1，…，Rim。所有信號(hào)路徑就從該預(yù)計(jì)算路徑集合中選擇。xR中變量個(gè)數(shù)受限于m|S|，用戶可以定義m。在Yen 的算法中建議最大網(wǎng)絡(luò)選擇從源到目的設(shè)備的m 最短路徑［12］。通過使用候選路由，路徑約束等式就可以簡化。BP中所有其他的等式和不等式，也需要相應(yīng)修改來適應(yīng)路由替換。例如，一個(gè)路由替換原路徑所消耗資源。使用預(yù)計(jì)算路可能不會(huì)達(dá)到全局最優(yōu)。上述問題可以通過混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）或者布爾可滿足性（SAT）解決。通過問題模型化可以計(jì)算全局最優(yōu)解。開銷向量f 增加的開銷可以分解到所有的交換機(jī)、鏈路或者路徑部分。因?yàn)楹娇针娮酉到y(tǒng)的設(shè)計(jì)（包括網(wǎng)絡(luò)）遵從多個(gè)目標(biāo)，因此提出一種多目標(biāo)的擴(kuò)展。替換掉一個(gè)開銷變量f，可以假定以下公式已經(jīng)最小化。

通常這些開銷存在部分沖突，不存在一個(gè)通用的最優(yōu)解。因此，在多目標(biāo)優(yōu)化中提出了計(jì)算Pareto最優(yōu)解。Pareto 最優(yōu)解是一個(gè)折中最優(yōu)解的集合。拓?fù)鋬?yōu)化中全局的Pareto 最優(yōu)解通過Pareto 前沿采樣（Pareto-Front-Sampling，PFS）計(jì)算。PFS 是由Ozlen［13］提出的一種迭代外部算法。它解決了一系列單目標(biāo)BP，通過變動(dòng)約束使得每次迭代都能找到一個(gè)有效解。每次迭代使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的BP 解決器。參見文獻(xiàn)［3］中使用的PFS 算法細(xì)節(jié)。

2 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c業(yè)務(wù)

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模包含交換機(jī)、鏈接線纜規(guī)模。交換機(jī)的規(guī)模固定，采用mS進(jìn)行定義。對于線纜鏈接，需要每種長度的規(guī)模，再通過單獨(dú)線纜長度相乘，得到總長度規(guī)模。鏈接的長度通過剖面模型的最短路徑獲取。對于每一個(gè)鏈接，其規(guī)模為miE。開銷向量為：

僅針對交換機(jī)計(jì)算操作中斷開銷（Operational Interruption Cost，OIC）。OIC 是因網(wǎng)絡(luò)失效導(dǎo)致的通信中斷延遲開銷，依賴于平均失效間隔時(shí)間MTBF給定的交換機(jī)可靠性。

2.1 A320 場景

通過類320 場景驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化。希望得到一個(gè)涵蓋4 個(gè)航空子系統(tǒng)，包含信號(hào)、任務(wù)和端系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓?fù)?。參照A320-200，定義通風(fēng)控制系統(tǒng)（VCS），放氣系統(tǒng)（BAS），充氣系統(tǒng)（PS）和過熱檢測系統(tǒng)（OHDS）。圖2 描述了系統(tǒng)的任務(wù)和信號(hào)。信號(hào)由源端到目的端函數(shù)的所有參數(shù)組成；可以包含幾個(gè)獨(dú)立的消息。每個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立的線纜，因此，它們的信號(hào)必須隔離。總共需要分配52 個(gè)信號(hào)。每個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)控制器。此外，在PS 和OHDS之間還有一個(gè)通用的外置交換機(jī)通信。

圖2 任務(wù)信號(hào)及隔離

端系統(tǒng)和交換機(jī)有7 個(gè)可安裝位置，包含鼻翼、中部和尾部。鼻翼位置可以駐留1 個(gè)交換機(jī)，中部和尾部分別駐留2 個(gè)交換機(jī)，航空電子中間位置最多可擺放4 個(gè)交換機(jī)。鼻翼位置到中間位置的訪問時(shí)間假定為5 min，中間位置到尾部的訪問時(shí)間假定為45 min。另外，給出可能的線纜拓?fù)溥B接。每個(gè)線纜路由根據(jù)飛機(jī)外部尺寸分配一個(gè)固定長度。

圖3 任務(wù)與端系統(tǒng)的映射

圖3 展示了IMA 模塊的系統(tǒng)功能分配。有4 個(gè)擁有控制器功能的核心計(jì)算模塊（CPM）和10 個(gè)連接外圍功能的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口單元（RDC）。

網(wǎng)絡(luò)由5 個(gè)端口，重0.4 kg 的交換機(jī)組成，MTBF 設(shè)置為100 000 飛行小時(shí)，連接線纜指定為0.1 kg/m。交換機(jī)沒有帶寬限制，可以假定這52 條消息在一個(gè)單獨(dú)的交換機(jī)或者鏈路上都可行。優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)是找到具有最低規(guī)模和OIC 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。初始拓?fù)浜吐酚煽梢允鞘止ざx，實(shí)現(xiàn)兩種自動(dòng)優(yōu)化：首先，算法的信號(hào)路由優(yōu)化，基于初始手動(dòng)拓?fù)潋?yàn)證改進(jìn)后的信號(hào)路由。其次，拓?fù)湟?guī)模和OIC的優(yōu)化，計(jì)算Pareto 優(yōu)化拓?fù)?。最后，在簡化預(yù)計(jì)算路徑的下重復(fù)拓?fù)鋬?yōu)化。同時(shí)評估所有研究的目標(biāo)值、拓?fù)浜瓦\(yùn)行時(shí)間。

2.2 類A380 場景

通過類A380 場景來驗(yàn)證大規(guī)模的拓?fù)鋬?yōu)化，并得到一個(gè)新規(guī)模的優(yōu)化拓?fù)?。目前A380 AFDX網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)屬性在文獻(xiàn)［6］中描述，系統(tǒng)位置信息來源于文獻(xiàn)［14］。網(wǎng)絡(luò)擁有104 個(gè)端系統(tǒng)，9 個(gè)AFDX 交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)支持100 Mb/s 通信帶寬，模擬機(jī)載系統(tǒng)業(yè)務(wù)消息與控制耦合，例如，每個(gè)系統(tǒng)域到座艙的高帶寬消息。主要的消息接收端有飛行管理（FM）、飛行告警（FW）、飛行控制與數(shù)據(jù)計(jì)算（FCDC）和座艙信息與數(shù)據(jù)系統(tǒng)（CIDS），可以確定有327 條速率為0.5 到4 Mb/s 的點(diǎn)到點(diǎn)連接。對于冗余系統(tǒng)線纜，存在45 條隔離約束。通過提出的方法和初始的拓?fù)淇梢缘玫揭粋€(gè)正確的優(yōu)化路由。假定交換機(jī)重2 kg，線纜重0.037 kg/m，安裝機(jī)柜規(guī)模為25.1 kg（包含9 個(gè)交換機(jī)和113 條鏈接）。

3 優(yōu)化算例

3.1 類A320 場景結(jié)果

手動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化拓?fù)淙鐖D4 所示，它擁有8 個(gè)交換機(jī)，4 個(gè)位于系統(tǒng)前后緣，在系統(tǒng)中間位置上下分別布局2 個(gè)。對稱的設(shè)計(jì)在飛機(jī)兩邊形成兩個(gè)并行路由，它們分別承載隔離的信號(hào)。總共有24 條鏈路，所有的交換機(jī)危險(xiǎn)程度都是NOGO。

圖4 手動(dòng)設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

解2 采用PS 系統(tǒng)和OHDS 系統(tǒng)之間的通信路由，替換掉中間位置之間的線纜。減少了兩條鏈接。此外，兩個(gè)交換機(jī)危險(xiǎn)程度降低為GOIF。規(guī)模和OIC 分別降低為20.1 kg 和746$/a。

解3 中規(guī)模達(dá)到最優(yōu)解，如圖5 所示。優(yōu)化后的拓?fù)渑c手工設(shè)計(jì)相似，但是在中間每個(gè)位置只有一個(gè)交換機(jī)，增加了一個(gè)長鏈接。拓?fù)渲挥? 個(gè)交換機(jī)和10 個(gè)鏈接，減少了重量和OIC，所有交換機(jī)又都達(dá)到NOGO 危險(xiǎn)程度。

圖5 解3-規(guī)模優(yōu)化拓?fù)?/p>

解4 給出OIC 最優(yōu)集，如圖6 所示。它同樣擁有6 個(gè)交換機(jī)，但是在飛機(jī)中間位置引入長卷纜柱（cabling）。這使得只有4 個(gè)交換機(jī)變?yōu)镹OGO，2 個(gè)變?yōu)镚O。它的規(guī)模為26.2 kg，在這些拓?fù)渲凶畲蟆?/p>

圖6 解4-中斷開銷優(yōu)化拓?fù)?/p>

通過預(yù)計(jì)算路徑方法，針對拓?fù)湟?guī)模和OIC 分別再次計(jì)算拓?fù)鋬?yōu)化。通過選擇路徑長度最短來創(chuàng)建路徑候選，得到最大網(wǎng)絡(luò)中的最少路徑。在本解中，得到的m=21，但這并不是拓?fù)湟?guī)模全局最小解，它需要8 個(gè)交換機(jī)。最終得到的全局最優(yōu)解m≥30。一個(gè)合理預(yù)計(jì)算路徑數(shù)目，并沒達(dá)到OIC 的全局最優(yōu)解。

通過下頁表1 對比可知，預(yù)計(jì)算路徑在運(yùn)行時(shí)間、變量數(shù)目和約束給定的情況下，能明顯節(jié)省時(shí)間。計(jì)算拓?fù)鋬?yōu)化的Pareto 最優(yōu)解花費(fèi)4 h，運(yùn)行時(shí)間最長。每個(gè)全局最優(yōu)拓?fù)淦骄ㄙM(fèi)1 h。使用預(yù)計(jì)算路徑簡化后，每個(gè)解為3 min，速度提升一個(gè)量級(jí)。

3.2 類A380 場景結(jié)果

類A380 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化拓?fù)?，擁? 個(gè)交換機(jī)和111條鏈接，重量約22 kg，比初始減少了12%。減少了座艙域中的兩個(gè)交換機(jī)，中間交換機(jī)獲得了一個(gè)多域的角色，并且移動(dòng)了位置，因此，位于圖的中心。每個(gè)交換機(jī)平均鏈接數(shù)目從15 條增加到19 條。這種方式打破了系統(tǒng)區(qū)域，但是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載沒有變化。類A380 優(yōu)化問題有139 071 個(gè)變量，相當(dāng)于類A320 優(yōu)化規(guī)模的15 倍（如表1 所示）。

表1 求解規(guī)模與運(yùn)行時(shí)間

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

類A320 場景的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明提出的方法可以針對不同維度找到優(yōu)化解。相對手動(dòng)設(shè)計(jì)，信號(hào)路由改進(jìn)效果較明顯。規(guī)模和OIC 都可以通過選擇非傳統(tǒng)路由方法改進(jìn)，但通過手動(dòng)設(shè)計(jì)方法無法預(yù)測。通過拓?fù)鋬?yōu)化的Pareto 最優(yōu)解能夠發(fā)現(xiàn)非傳統(tǒng)路由的全部潛在可行解。通過改進(jìn)拓?fù)?，?guī)模可降低9%，OIC 可降低30%，達(dá)到規(guī)模最優(yōu)。然而，由于OIC 目標(biāo)本身的復(fù)雜性，手動(dòng)優(yōu)化幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。不經(jīng)過優(yōu)化（通過手動(dòng)），即使能夠得到一部分最優(yōu)解，也不能確定該解是否為全局最優(yōu)解。本文提出的方法可以通過部分的自動(dòng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)調(diào)整，能夠達(dá)到全局最優(yōu)解。此外，通過折中解能顯示解的最優(yōu)特性和目標(biāo)之間的關(guān)系，而手動(dòng)設(shè)計(jì)則很難達(dá)到這種精度。BP 問題的大小和結(jié)果運(yùn)行時(shí)間難以考慮。計(jì)算4 個(gè)小時(shí)獲得Pareto 最優(yōu)解也可以接受，但是本文所研究的只是一個(gè)小規(guī)模的算例，隨著變量數(shù)量、交換機(jī)數(shù)目增長，計(jì)算復(fù)雜度呈指數(shù)值增長。類A380 拓?fù)鋬?yōu)化表明：當(dāng)目標(biāo)受限，將消息分組到更少的信號(hào)上時(shí)，在整個(gè)飛機(jī)級(jí)采用該方法是適用的。同時(shí)，可以采用預(yù)計(jì)算路徑方法限制運(yùn)行時(shí)間。但是，預(yù)計(jì)更多的候選路徑，并不能達(dá)到全局最優(yōu)的OIC。如果后續(xù)選擇候選路徑時(shí)能夠考慮OIC 的話，這一情況可能會(huì)得到進(jìn)一步改進(jìn)。使用預(yù)計(jì)算路徑不能保證達(dá)到全局最優(yōu)。因此，拓?fù)鋬?yōu)化不能替代網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員，而是一個(gè)有效的輔助分析手段。

4 結(jié)論

目前分布式綜合化航電架構(gòu)依賴高帶寬航電網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和開銷對航電系統(tǒng)效能影響很大。本文提出一種基于業(yè)務(wù)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约把舆t、距離約束下的多目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化算法，通過最大網(wǎng)絡(luò)的迭代優(yōu)化得到最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。?yōu)化的輸入?yún)?shù)包括功能、信號(hào)和資源需求模型、拓?fù)浒惭b位置、線纜路徑的模型。優(yōu)化模型的計(jì)算是一個(gè)BP 問題，最優(yōu)解是面向網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和OIC 的線性開銷函數(shù)的優(yōu)化拓?fù)?。另外，通過Pareto 采樣，能夠得出多目標(biāo)約束下的最佳折中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集。類A320 場景架構(gòu)優(yōu)化能夠提升30%。類A380 架構(gòu)優(yōu)化能夠提升12%，表明大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的可行性。