基于時(shí)間觸發(fā)通信的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)可靠性

馬 躍，朱紀(jì)洪，楊佳利

(清華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京 100084)

0 引 言

隨著航空電子技術(shù)的不斷發(fā)展，航空電子系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)歷了從早期的聯(lián)合式向綜合模塊化(integrated modular avio-nics，IMA)以及最新的分布式綜合模塊化(distributed integrated modular avionics，DIMA)發(fā)展的過程[1]。DIMA在IMA的基礎(chǔ)上，將綜合模塊分布式放置，具有分布計(jì)算、可擴(kuò)充、便于維修等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低了系統(tǒng)重量、體積和復(fù)雜性，是未來航空電子系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向。

分布式架構(gòu)對機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的帶寬、實(shí)時(shí)性和可靠性提出了更高要求，以1553B總線為代表的傳統(tǒng)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)存在通信速率低、過度依賴總線控制器和故障隔離困難等問題，難以滿足DIMA的發(fā)展需求。奧地利的Kopetz教授根據(jù)時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，提出時(shí)間觸發(fā)協(xié)議(time-triggered protocol，TTP)，后推廣至交換式網(wǎng)絡(luò)中，提出了時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(time-triggered Ethernet，TTE)技術(shù)。TTE具有確定性、高可靠、低延遲等特點(diǎn)，能夠滿足分布式航空電子系統(tǒng)高速率、高可靠和故障隔離的要求，適應(yīng)未來DIMA的發(fā)展需求[2]。

航空電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性不僅關(guān)乎各種飛行控制指令的完成，更關(guān)系到飛行器本身的安全。本文分析了TTE在航電系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性問題，并探討通過余度設(shè)計(jì)增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種概率圖型模型，在不確定知識表達(dá)和推理領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，本文將使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型分析TTE網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1 機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)特性和需求

相比于普通以太網(wǎng)，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)有拓?fù)浜鸵?guī)模固定、通信任務(wù)周期性強(qiáng)、通信任務(wù)需求明確等特性，而航空電子系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展也對機(jī)載組網(wǎng)提出了更高的要求。本章對機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的兩種通信機(jī)制：事件觸發(fā)機(jī)制和時(shí)間觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了對比，總結(jié)了兩種機(jī)制在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了未來DIMA架構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

1.1 機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)技術(shù)特性

根據(jù)航空電子設(shè)備的工作特點(diǎn)和需求，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要有以下技術(shù)特性。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜鸵?guī)模固定

飛行器一旦研制成型后，其電子設(shè)備的數(shù)量和位置相對固定，通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般不會改變，無需考慮設(shè)備接入帶來的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化問題。

1.1.2 通信任務(wù)周期性強(qiáng)

飛行器的航空電子設(shè)備主要包括核心處理機(jī)、信息采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)及作動系統(tǒng)等，各系統(tǒng)之間的工作有明確的邏輯順序。由于飛行器大多采用周期性采樣與控制方式，所以電子設(shè)備各系統(tǒng)之間的通信任務(wù)也存在明顯的周期性，且通信周期基本固定不變。

1.1.3 通信任務(wù)需求明確

為保證飛行任務(wù)的安全可靠，飛行器設(shè)計(jì)時(shí)要對通信任務(wù)需求進(jìn)行分析計(jì)算。一般情況下，飛行過程中各子系統(tǒng)的通信任務(wù)需求不會發(fā)生變化，不會出現(xiàn)臨時(shí)增加通信任務(wù)的情況。

1.2 DIMA系統(tǒng)的組網(wǎng)需求

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)作為航空電子系統(tǒng)的互連通道，對整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重要影響。DIMA對機(jī)載網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在帶寬、實(shí)時(shí)性和可靠性等方面。

1.2.1 帶寬

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求取決于航空電子各子系統(tǒng)的集成綜合程度。早期的聯(lián)合式架構(gòu)中，各子系統(tǒng)獨(dú)立完成信息處理，子系統(tǒng)之間的交互性較弱，對帶寬要求比較低。在DIMA系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)分布在各個(gè)子系統(tǒng)，需要通過機(jī)載網(wǎng)絡(luò)共享中間計(jì)算結(jié)果，使得網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求大大增加。

1.2.2 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性表征了系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成預(yù)定目標(biāo)的能力，一般用任務(wù)的最壞響應(yīng)時(shí)間與截止期限對比。航空電子系統(tǒng)是安全關(guān)鍵實(shí)時(shí)系統(tǒng)，作為系統(tǒng)的信息互連通道，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)必須保證數(shù)據(jù)的傳輸滿足實(shí)時(shí)性要求。

1.2.3 可靠性

可靠性的定義請參見文獻(xiàn)[3]，其主要表征了產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間和條件下，完成規(guī)定功能的能力。

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)是對系統(tǒng)可靠性要求的定量規(guī)定，可靠性的規(guī)定有4種基本方法：平均壽命、任務(wù)可靠度、成功概率和故障率。平均壽命指不可修復(fù)產(chǎn)品發(fā)生失效情況前工作時(shí)間的平均值或可修復(fù)產(chǎn)品兩次相鄰故障間工作時(shí)間的平均值；任務(wù)可靠度指在規(guī)定任務(wù)時(shí)間內(nèi)的正常工作概率，反映了產(chǎn)品在規(guī)定任務(wù)時(shí)間內(nèi)完成要求功能的能力；成功概率適用于規(guī)定一次使用裝置的可靠性(與時(shí)間無關(guān))；故障率指規(guī)定時(shí)間內(nèi)的故障率，適用于長壽命或故障率很小的產(chǎn)品的可靠性。航空電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性可使用故障率作為指標(biāo)度量。

飛行器對航空電子系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力要求極高，機(jī)載網(wǎng)絡(luò)作為航空電子系統(tǒng)重要組成部分，其可靠性對飛行器的可靠性有著重要影響。網(wǎng)絡(luò)可靠性主要包括路徑連通可靠性和信息流通可靠性[4]，前者主要依賴于硬件基本可靠性，而后者關(guān)注網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可靠性。TTE通信是由通信任務(wù)調(diào)度表驅(qū)動，可以避免網(wǎng)絡(luò)流量擁堵并具有確定的延遲[5]，在信息流通可靠性方面有著天然的優(yōu)勢。

1.3 消息觸發(fā)機(jī)制

傳統(tǒng)的機(jī)載通信網(wǎng)絡(luò)，如1553B總線、CAN總線、AFDX等，均采用事件觸發(fā)機(jī)制的通信方式，即當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)有通信需求時(shí)，盡快將消息發(fā)送至通信鏈路中。事件觸發(fā)機(jī)制有靈活性高、按需分配、節(jié)省鏈路資源等優(yōu)勢。但當(dāng)鏈路負(fù)擔(dān)過重時(shí)，事件觸發(fā)機(jī)制的通信性能嚴(yán)重下降。此外，高靈活性通常意味著不確定性，由此會帶來故障檢測和隔離的難度增加。

時(shí)間觸發(fā)機(jī)制指在統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)下，根據(jù)一個(gè)預(yù)先安排的時(shí)間調(diào)度表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換[6]，可以避免事件觸發(fā)機(jī)制中潛在的消息沖突問題，不會出現(xiàn)因?yàn)榕抨?duì)而導(dǎo)致的不確定性問題，顯著提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。此外，時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的確定性也增強(qiáng)了故障檢測和隔離的能力。總體來看，時(shí)間觸發(fā)機(jī)制具有實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)和可預(yù)測等優(yōu)勢，但上述優(yōu)勢是以犧牲靈活性為代價(jià)的，因此在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)中，需要綜合考慮靈活性、確定性和可靠性等因素。

事件觸發(fā)機(jī)制與時(shí)間觸發(fā)機(jī)制的對比見表1。結(jié)合機(jī)載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的技術(shù)特性，可采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制來保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、確定性和可靠性，為DIMA架構(gòu)的發(fā)展提供支撐。

2 TTE在航空電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

美國汽車工程師學(xué)會(society of automotive engineers，SAE)于2011年發(fā)布了SAE AS6802時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，AS6802在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上規(guī)定可用于時(shí)間觸發(fā)通信的同步協(xié)議，具有確定性、高可靠性和高帶寬利用率等特點(diǎn)，可有效滿足航空電子安全關(guān)鍵系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

表1 事件觸發(fā)機(jī)制與時(shí)間觸發(fā)機(jī)制對比

2.1 TTE的研究現(xiàn)狀

近年來，TTE技術(shù)已經(jīng)得到許多制造企業(yè)的重視，國外航空航天、車載控制、工程機(jī)械等領(lǐng)域已出現(xiàn)TTE產(chǎn)品的應(yīng)用。NASA將TTE作為部分航天系統(tǒng)主干網(wǎng)，成功應(yīng)用到其獵戶座多用途載人飛船中。歐洲宇航局也計(jì)劃在其重型運(yùn)載火箭中應(yīng)用TTE網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。

2.2 TTE在航空電子系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢

航空電子系統(tǒng)的高度綜合化，對航空電子網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求。航空電子網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)航空電子系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的相互通信，必須具有可靠性、實(shí)時(shí)性和開放性等特性，這些需求與TTE的特性完全契合，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.2.1 系統(tǒng)集成和擴(kuò)展

TTE可以在保證TT消息最高優(yōu)先級的基礎(chǔ)上兼容ET消息，實(shí)現(xiàn)相對靈活的信息處理方式[7]。TTE集群內(nèi)的所有終端和交換機(jī)具有相同的同步優(yōu)先級，不同集群可獨(dú)立運(yùn)作，多個(gè)集群可以進(jìn)一步構(gòu)成更大的集群網(wǎng)絡(luò)，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。

2.2.2 消息傳遞確定性

TTE內(nèi)各通信節(jié)點(diǎn)在全局統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下，通過離線調(diào)度表，使TT消息具有完全的時(shí)間確定性。TTE的最小化延遲和消息傳輸可確定性，可以滿足系統(tǒng)的傳輸確定性要求[8]。同時(shí)，得益于完全的確定性，相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)，TTE可以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬資源利用率。

2.2.3 容錯(cuò)策略和故障隔離

TTE的通信具有良好的可預(yù)測性，便于系統(tǒng)快速發(fā)現(xiàn)故障問題，減少故障判定時(shí)間[9]。TTE的容錯(cuò)策略可以使系統(tǒng)所有正確節(jié)點(diǎn)對哪些是錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，對故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隔離，消除誤差傳播[10]，盡量避免由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效導(dǎo)致系統(tǒng)失效的情況，方便系統(tǒng)重新配置和恢復(fù)。

3 可靠性分析

航空電子系統(tǒng)的可靠性要求極高，要求一定時(shí)間范圍內(nèi)系統(tǒng)的失效概率低至可以忽略的程度[11]。本章將探討航空電子系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究方法，重點(diǎn)分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在可靠性分析中的應(yīng)用。

3.1 可靠性分析方法

可靠性分析方法的研究經(jīng)過了多年的發(fā)展，總體來說，主要有數(shù)學(xué)模型法、上下限法、蒙特卡洛法等，其中，數(shù)學(xué)模型法根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)部件的可靠概率，通過概率模型，應(yīng)用狀態(tài)枚舉、容斥原理、圖形拓?fù)涞确椒?，?jì)算系統(tǒng)的可靠性概率。故障樹分析(fault tree analysis，F(xiàn)TA)方法是數(shù)學(xué)模型法的一種，它以系統(tǒng)最不期望發(fā)生的事件(稱頂事件)作為分析的目標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的部件失效與頂事件之間的邏輯關(guān)系，用倒立樹狀因果關(guān)系圖形表示出來。

FTA在可靠性分析方面有著諸多優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)清晰、使用靈活等，但也存在著一些缺陷和不足，一是FTA只能解決二態(tài)性器件組成系統(tǒng)的可靠性問題；二是FTA只能解決器件之間的靜態(tài)邏輯組合關(guān)系，無法解決動態(tài)系統(tǒng)的各部件間的順序邏輯關(guān)系構(gòu)成的故障分析問題。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具備了描述事件多態(tài)性和動態(tài)性邏輯關(guān)系的能力[12]，因此，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的故障樹模型，可較好地解決上述問題。

3.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由節(jié)點(diǎn)和連接節(jié)點(diǎn)的有向邊組成的有向無環(huán)圖，圖中的節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，邊代表隨機(jī)變量之間的相互依賴關(guān)系[13]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都附有各自的概率分布，其中根節(jié)點(diǎn)所附的是先驗(yàn)分布，非根節(jié)點(diǎn)X所附的是X的條件概率分布Pr{X|pa(X)}，其中pa(X)為X的所有父節(jié)點(diǎn)的集合。

有向圖蘊(yùn)含了條件獨(dú)立性假設(shè)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中所有變量 {X1,X2,…,Xn} 的聯(lián)合概率分布表示為

(1)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的顯式表示及其蘊(yùn)含的條件獨(dú)立假設(shè)降低了模型概率的復(fù)雜度，為概率推理提供了很大的方便。同時(shí)，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)還能得到更加豐富的信息，比如當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可推測導(dǎo)致故障發(fā)生的最有可能的原因。

3.3 故障樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

從故障樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的原理來看，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)于故障樹中的事件，因此可以根據(jù)故障樹中事件的邏輯關(guān)系，建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的依賴關(guān)系。以故障樹中的邏輯與門為例，說明故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化的方法。與門表示當(dāng)兩個(gè)底事件都發(fā)生時(shí)，頂事件才發(fā)生的情況，頂事件T與底事件A、B間的概率關(guān)系為

Pr(T=1|A=1,B=1)=1,Pr(T=1|else)=0.

(2)

其轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1所示。

圖1 邏輯與門轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)

類似的，還可以將或門、非門、k/n門等故障樹中的邏輯門轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)的依賴關(guān)系，從而將故障樹轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

4 TTE網(wǎng)絡(luò)可靠性分析

本章，我們利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對機(jī)載TTE網(wǎng)絡(luò)的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，并基于分析結(jié)果，總結(jié)TTE網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥x擇和余度設(shè)計(jì)原則。

4.1 前提和假設(shè)

對TTE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性分析，假設(shè)如下：

(1)系統(tǒng)中的鏈路、通信板卡和交換機(jī)等部件有正常工作和故障兩種狀態(tài)，且不同部件的狀態(tài)相互獨(dú)立；

(2)系統(tǒng)可靠性指全端可靠性[14]，即系統(tǒng)中所有通信板卡之間保持連通的概率；

(3)在雙余度及多余度通信網(wǎng)絡(luò)中，信息流不能跨越通信板卡傳播，即在與通信板卡連接的兩條或多條鏈路中，信息不能從一條鏈路到達(dá)板卡內(nèi)節(jié)點(diǎn)N1后，經(jīng)板卡內(nèi)另一節(jié)點(diǎn)N2，流通至與N2相連的另一條鏈路。

4.2 多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性分析

TTE網(wǎng)絡(luò)的信息交換可以采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如環(huán)形拓?fù)洹⒕W(wǎng)狀拓?fù)?、星型拓?fù)涞?，如圖2所示。我們以6個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，說明各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性。

圖2 3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

取系統(tǒng)各部件的基本失效率見表2。

表2 系統(tǒng)各部件失效率

以環(huán)形拓?fù)涞目煽啃苑治鰹槔?，說明由故障樹向貝葉斯網(wǎng)的轉(zhuǎn)化方法，轉(zhuǎn)化過程如圖3和圖4所示。

圖3 環(huán)形拓?fù)涔收蠘?/p>

圖4 環(huán)形拓?fù)涔收县惾~斯網(wǎng)

考慮系統(tǒng)的全端可靠性，則環(huán)形拓?fù)渲腥我煌ㄐ虐蹇ǖ氖Щ虼笥?條鏈路的失效都會導(dǎo)致系統(tǒng)故障，則系統(tǒng)故障事件T的發(fā)生依賴于所有通信板卡、鏈路的失效情況，轉(zhuǎn)化到貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，可認(rèn)為T=1代表系統(tǒng)正常，T=0代表系統(tǒng)故障，A、L依此類比，則對事件T，其概率分布為

Pr(T=1|A=1,L=1)=1
Pr(T=1|esle)=0

(3)

對事件A，其概率分布為

Pr(A=1|Ai=1,i=1,2,3,…,6)=1
Pr(A=1|esle)=0

(4)

對事件L，其概率分布為

Pr(L=1|sum(Li)>4,i=1,2,3,…,6)=1
Pr(L=1|esle)=0

(5)

使用Matlab的BNT(Bayes net toolbox)，可以根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的依賴關(guān)系，建立概率圖模型，輸入先驗(yàn)概率后，得到所求事件的后驗(yàn)概率。通過計(jì)算得到單余度下環(huán)形拓?fù)湎到y(tǒng)故障率5.9998215×10-5/h。

使用類似方法，可分別求得其它兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)可靠性。其中，對網(wǎng)狀拓?fù)涠裕滏溌窋?shù)量較多，不易得到一個(gè)狀態(tài)意義明確的故障樹，因此可以通過計(jì)算各個(gè)鏈路狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)連通性的方法，得到其貝葉斯依賴關(guān)系，這也是貝葉斯網(wǎng)相較于故障樹的優(yōu)勢所在。最終得到單余度下，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障率見表3。

表3 3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單余度故障率 ×10-5/h

航空電子系統(tǒng)對可靠性要求極高，表3中的故障率顯然不能滿足應(yīng)用需求。因此，我們考慮通過增加冗余部件的方法提高系統(tǒng)可靠性。表4和表5顯示了在雙余度和三余度情況下，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障率情況。

表4 3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙余度故障率 ×10-9/h

表5 3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三余度故障率 ×10-13/h

為了更好地對比不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，我們繪制了3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在不同余度情況下故障率的柱狀對比圖，如圖5所示。

圖5 不同余度下3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障率對比

4.3 可靠性分析總結(jié)

在單余度情況下，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障率最低，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障率最高，其原因是相對于環(huán)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洌切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的交換機(jī)帶來的失效率增加了系統(tǒng)的故障率。

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置為雙余度、三余度時(shí)，所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障率均會下降，而星型拓?fù)湎到y(tǒng)故障率下降幅度要遠(yuǎn)大于其它兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成為可靠性最高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其原因在于，對于環(huán)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)涠裕畔⒘鞑荒芸缭酵ㄐ虐蹇▊鬏?，增加余度只是增加了冗余備份的系統(tǒng)，因此n余度系統(tǒng)故障率為單余度系統(tǒng)故障率的n次方。例如，對圖6所示的雙余度環(huán)形拓?fù)涠?，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都處于正常工作狀態(tài)，部分鏈路故障，從圖的連通性上看，板卡A可通過鏈路L1和L2與板卡C進(jìn)行通信，但實(shí)際情況下，由于信息流不能跨板卡B流通，所以這種情況下認(rèn)為系統(tǒng)是故障的。對星型拓?fù)涠?，增加余度時(shí)，各個(gè)交換機(jī)之間可以互連互通，相當(dāng)于增加了不同板卡間的通信路徑，因此n余度系統(tǒng)故障率比單余度系統(tǒng)故障率的n次方更小，因此在增加余度時(shí)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障率下降得更快。

圖6 雙余度環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障

相比于環(huán)形拓?fù)洌W(wǎng)狀拓?fù)溆捎谠黾恿送ㄐ虐蹇ㄩg的連接路徑，因此網(wǎng)狀拓?fù)涞目煽啃砸哂诃h(huán)形拓?fù)?，但?jīng)比較，其性能提高比較有限，如單余度下，網(wǎng)狀拓?fù)湎到y(tǒng)失效率為5.9998200×10-5/h，環(huán)形拓?fù)湎到y(tǒng)失效率為5.9998215×10-5/h。

綜上，從系統(tǒng)可靠性的角度分析，對于重要性較高的核心節(jié)點(diǎn)，可使用多余度的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于重要性相對較低的節(jié)點(diǎn)，環(huán)形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)浣M網(wǎng)方式簡單，而網(wǎng)狀拓?fù)湫柙黾哟罅康耐ㄐ沛溌非铱煽啃蕴嵘邢?，可考慮使用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

本文基于DIMA對通信網(wǎng)絡(luò)的需求，分析了TTE的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)，指出TTE的高帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠等特性，可為未來分布式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)提供通信服務(wù)支撐。使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，對TTE的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析，結(jié)果表明，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在多余度時(shí)具有最高的可靠性，適合重要節(jié)點(diǎn)，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在某些需求場景下，也有其應(yīng)用價(jià)值。在機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用中，需要根據(jù)不同任務(wù)場景，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以更好滿足航空電子系統(tǒng)的需求。

此外，相比于傳統(tǒng)的故障樹分析，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)具有更完備的狀態(tài)表達(dá)能力。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析方面，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以通過連通性分析得到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性結(jié)果，而故障樹則很難通過割集分析或路集分析得到一個(gè)顯式的結(jié)果，體現(xiàn)了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)可靠性分析領(lǐng)域的強(qiáng)大能力和應(yīng)用前景。