基于AFDX的綜合航電系統(tǒng)余度技術(shù)研究

徐輝

（海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室 ，江西 南昌，330024）

0 引言

航電系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了獨(dú)立式、聯(lián)合式、綜合式和先進(jìn)綜合式4個階段的演變，高性能的航電系統(tǒng)已成為提高飛機(jī)綜合性能的關(guān)鍵因素。作為綜合航電系統(tǒng)的中樞神經(jīng)——數(shù)據(jù)總線及其控制器，直接決定了航電系統(tǒng)的可靠性，并影響飛行器的正常工作和作戰(zhàn)效能。如何保證航電系統(tǒng)在各種環(huán)境下安全可靠地運(yùn)行，保證在出現(xiàn)故障的情況下仍能正常完成航電系統(tǒng)的全部功能或部分功能,在設(shè)計(jì)之初就必須考慮容錯與余度問題。

航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AFDX)[1]是一種實(shí)時、確定的全雙工交換式網(wǎng)絡(luò)，近年來在綜合模塊化航電(IMA，integrated modular avionics)系統(tǒng)中得以運(yùn)用，其特征和優(yōu)勢已經(jīng)在眾多飛機(jī)上得到充分展現(xiàn)和發(fā)揮。針對綜合航電系統(tǒng)可能出現(xiàn)軟硬件故障的問題,本文提出了基于AFDX的綜合航電系統(tǒng)余度技術(shù),當(dāng)系統(tǒng)由于元器件失效、異常輸入和環(huán)境影響等因素產(chǎn)生異常行為時,通過系統(tǒng)容錯的方法維持系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和總線控制器正常工作，目的在于提高航電系統(tǒng)任務(wù)可靠性。本文重點(diǎn)介紹基于AFDX的綜合模塊化航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及控制器的余度設(shè)計(jì)方法。

1 綜合航電系統(tǒng)的容錯與余度

容錯技術(shù)是指當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)行時有錯誤被激活的情況下仍能保證不間斷提供服務(wù)的方法和技術(shù)[2]，其理論的提出最早始于20世紀(jì)50年代。1956年，Von Neumann首先提出用低可靠性的器件以余度設(shè)計(jì)方式來構(gòu)造高可靠性系統(tǒng)[3]。近年來,隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,對容錯技術(shù)的研究更加廣泛與深入，機(jī)載嵌入式系統(tǒng)的容錯重構(gòu)技術(shù)需求已經(jīng)從重要的飛控系統(tǒng)，擴(kuò)展到新一代航空電子系統(tǒng),從硬件容錯向軟件容錯和軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)容錯方式轉(zhuǎn)移[4]。

航電系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)中，控制器是重點(diǎn)關(guān)注的對象，控制器在航電系統(tǒng)中承擔(dān)大量的飛行任務(wù)執(zhí)行、控制以及全網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)度等工作，控制器一旦失效，則會對整個飛行任務(wù)造成不可估量的損失，所以系統(tǒng)大多會將關(guān)鍵的控制器設(shè)計(jì)成雙備份，以提高整個系統(tǒng)的可靠性[5]。針對控制器的容錯，目前進(jìn)行了很多研究工作，文獻(xiàn)[5]介紹了1553B總線主控制器和備份控制器的自動切換任務(wù)，圍繞此任務(wù)重點(diǎn)介紹了在系統(tǒng)啟動時如何確定主備控制器、故障檢測任務(wù)和狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)；文獻(xiàn)[6]分析了在通用服務(wù)器架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)雙機(jī)備份的兩種方案，然后根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種基于分布式存儲方式的嵌入式系統(tǒng)的雙機(jī)備份設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[7]討論了各種雙機(jī)冗余備份方案的特點(diǎn)，介紹了一種高可靠性雙機(jī)熱備份的嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案，提高了整個嵌入式系統(tǒng)的可靠性。

2 基于AFDX的雙余度數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

AFDX網(wǎng)絡(luò)由端系統(tǒng)(ES)、交換機(jī)和物理鏈路組成。端系統(tǒng)宿主在機(jī)載計(jì)算機(jī)上,完成機(jī)載計(jì)算機(jī)與AFDX網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換功能，一個端系統(tǒng)可以支持一個機(jī)載計(jì)算機(jī),也可以支持一個機(jī)載計(jì)算機(jī)的若干個分區(qū),形成綜合模塊化結(jié)構(gòu)的航空電子系統(tǒng)(IMA)[8]；交換機(jī)實(shí)現(xiàn)各端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與過濾功能；端系統(tǒng)之間通過邏輯上的虛擬鏈路(VL)來進(jìn)行通信。本文的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 AFDX網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸冗余設(shè)計(jì)

圖1 的網(wǎng)絡(luò)采用雙余度構(gòu)型設(shè)計(jì)，兩個交換機(jī)形成兩個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，端系統(tǒng)之間的通信覆蓋在兩個網(wǎng)絡(luò)上，這樣，對于任何的（單件的）網(wǎng)絡(luò)組件的失效，例如：一段鏈路或一臺交換機(jī)的失效，數(shù)據(jù)流可以得到保護(hù)。這樣的效果是保護(hù)兩個端系統(tǒng)之間的通信，抵御全網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的組件失效。

具體的冗余實(shí)現(xiàn)方案是以每條虛擬鏈路為基礎(chǔ)的。一個發(fā)送端系統(tǒng)和一個接受端系統(tǒng)通過一個特定的虛擬鏈路以如下的方式通信：一個使用發(fā)送端系統(tǒng)的分區(qū)準(zhǔn)備好一些數(shù)據(jù)并使它通過通信協(xié)議棧。這時一個順序號（SequenceNumber）被加入到每個幀，并且該順序號在前后連續(xù)的兩個幀中是遞增的。順序號的加入使接收功能部件能夠在將幀傳送到接收分區(qū)之前重新構(gòu)造出一條單一的、有次序的幀流，而不包含冗余復(fù)制的幀。每個幀同時通過圖1中的兩個網(wǎng)絡(luò)。在接收的時候，算法采用 “先到有效者勝出(First Valid Wins)”的策略，保證從其中一個網(wǎng)絡(luò)中得到帶有有效順序號的第一個幀將被接收，但帶有這個順序號的第二個幀被收到時，它將被簡單地丟棄[7]。

3 AFDX主備份控制器的余度設(shè)計(jì)

圖1中的兩個端系統(tǒng)承擔(dān)系統(tǒng)控制器的角色，連接在兩個網(wǎng)絡(luò)上，作為航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、顯示控制的中心。其中一個作為主控制器，另一個作為備份控制器?？紤]到航電系統(tǒng)的實(shí)時性要求，在實(shí)時系統(tǒng)中備份必須采用熱備份，即兩臺控制器任一臺均可成為主控制器或備份控制器，兩者運(yùn)行的軟件完全一致?；贏FDX的主備份控制器的設(shè)計(jì)包含兩個關(guān)鍵技術(shù)方法：網(wǎng)絡(luò)配置和控制器切換。

3.1 網(wǎng)絡(luò)配置

AFDX網(wǎng)絡(luò)通過虛擬鏈路(VL)進(jìn)行端系統(tǒng)之間消息幀的互換。在網(wǎng)絡(luò)中任意一個VL都只有唯一的一個源端系統(tǒng)。虛擬鏈路定義了一個邏輯上的單向連接，從一個源到一個或多個目的端系統(tǒng)。因此，兩個控制器發(fā)出的控制消息（即使是完全同樣的內(nèi)容）必須經(jīng)過不同的虛擬鏈路發(fā)送至目的端系統(tǒng)，如表1所示?？紤]系統(tǒng)中控制器需要向端系統(tǒng)n發(fā)送兩條消息的情況，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置時，需要配置兩份同樣的消息內(nèi)容，分別對應(yīng)A套與B套消息編號及虛擬鏈路，A套從控制器1發(fā)出，B套從控制器2發(fā)出。

表1 控制器發(fā)出消息網(wǎng)絡(luò)配置示例

同時，考慮熱備份數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)需要，采取實(shí)時備份的方式，即在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時保存處理。在網(wǎng)絡(luò)配置時，應(yīng)將其他端系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)同時發(fā)送至兩個控制器，依據(jù)虛擬鏈路的特性，允許從一個源到多個目的端系統(tǒng)，在AFDX網(wǎng)絡(luò)中完全可以實(shí)現(xiàn)，如表2所示?？紤]系統(tǒng)中端系統(tǒng)n需要向控制器發(fā)送兩條消息的情況，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置時，將兩條消息的目的配置為控制器1和控制器2。

表2 控制器接收消息網(wǎng)絡(luò)配置示例

3.2 控制器切換

系統(tǒng)啟動并完成硬件、軟件的初始化和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備后，嚴(yán)格規(guī)定主控制器和備份控制器的啟動順序，即通過地址識別出主、備份控制器后，在軟件分區(qū)初始化前將備份控制器延時T0秒啟動。

為了確保網(wǎng)絡(luò)中只有一臺控制器在承擔(dān)控制的任務(wù)，系統(tǒng)啟動后主控制器通過A套虛擬鏈路向各端系統(tǒng)發(fā)送控制消息；備份控制器不向端系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，只接收其他端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。同時備用控制器監(jiān)控主控制器的工作狀態(tài)，接收一條特定的消息即主控制器的消息，根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)的特性和傳輸周期，如果超過T1時間沒有收到消息，則認(rèn)為主控制器下線或故障，備份控制器成為新的主控制器，軟件控制啟動B套虛擬鏈路向各端系統(tǒng)發(fā)送控制消息 （此時A套虛擬鏈路自動被屏蔽發(fā)送），從而完成主、備份控制器的自動切換。

4 結(jié)語

本文基于AFDX實(shí)時、安全的總線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制器的余度設(shè)計(jì)，提出了在總線網(wǎng)絡(luò)配置中靜態(tài)分配虛擬鏈路的方法實(shí)現(xiàn)控制器的消息備份，通過軟硬件系統(tǒng)考慮，實(shí)現(xiàn)主、備份控制器的自動切換，提高了航電系統(tǒng)的可靠性。