基于效能的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)航電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法

趙長(zhǎng)嘯，何鋒，李浩，王鵬,4,*

1. 中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300

2. 光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng) 471009

3. 北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100083

4. 中國(guó)民航大學(xué) 民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300

隨著軍事技術(shù)、通信技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以信息系統(tǒng)支持的智能化網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(Network-Centric Warfare)和空天一體化成為未來(lái)航空裝備的主要作戰(zhàn)樣式[1]，僅僅依靠高性能的武器平臺(tái)已無(wú)法獲得軍機(jī)對(duì)抗的勝利，需要提高戰(zhàn)斗機(jī)的超聲速巡航、隱身、超視距和多目標(biāo)攻擊、高機(jī)動(dòng)性和敏捷性以及聯(lián)合作戰(zhàn)、協(xié)同作戰(zhàn)、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)等綜合能力[2]，無(wú)論完成何種作戰(zhàn)能力需求，均需要強(qiáng)大的航空電子系統(tǒng)的支持，因此新的綜合化航電技術(shù)、高性能計(jì)算芯片、軟件定義系統(tǒng)成為各國(guó)軍機(jī)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域[3]。

航空電子系統(tǒng)作為戰(zhàn)斗機(jī)的“大腦”，其對(duì)資源的配置和管理能力直接關(guān)系航電系統(tǒng)性能[4]，從而影響戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)能力。在聯(lián)合式航電系統(tǒng)中，航電功能僅可使用固定配置的資源[5]，當(dāng)部分硬件資源失效時(shí)會(huì)導(dǎo)致航電功能的降級(jí)或失效。為了提高資源利用率和系統(tǒng)的抗毀性能，在綜合模塊化航電系統(tǒng)中提出了共享資源的概念，系統(tǒng)可以管理多種配置構(gòu)型以應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)環(huán)境，如北約標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布的STANAG 4626，在系統(tǒng)管理中引入了藍(lán)印的概念[6]，以對(duì)多種配置方案進(jìn)行管理，此方式中系統(tǒng)構(gòu)型配置文件為離線生成，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)需求，因此可重構(gòu)的柔性航電系統(tǒng)開始備受關(guān)注，依據(jù)不同階段作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)不同航電系統(tǒng)功能的需求動(dòng)態(tài)配置資源，提高各階段關(guān)鍵航電能力的突出優(yōu)勢(shì)。如美國(guó)海軍2015年以種子基金的形式開展了聯(lián)合航空電子可重構(gòu)虛擬信息系統(tǒng)(Joint Avionics Reconfigurable Virtual Information System，JARVIS)項(xiàng)目[7]，以進(jìn)一步提高航電系統(tǒng)的小型化、容錯(cuò)等能力，2018年JARVIS項(xiàng)目獲得了美國(guó)空軍和海軍超過(guò)3 200萬(wàn)美元的經(jīng)費(fèi)支持[8]，進(jìn)一步研究系統(tǒng)的重構(gòu)特性、分布式處理特性和網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，計(jì)劃2023年技術(shù)成熟度(Technology ReadinessLevel，TRL)達(dá)到TRL8。

針對(duì)航電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性，開展重構(gòu)策略方法的研究。航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在有限的資源、空間中為不同航電功能分配資源[9]，以實(shí)現(xiàn)整體的效能最優(yōu)，針對(duì)該問(wèn)題各國(guó)專家學(xué)者提出了諸如以節(jié)能[10]、最小化通信代價(jià)[11]、風(fēng)險(xiǎn)均衡[12]目標(biāo)等設(shè)計(jì)方法，以優(yōu)化航電系統(tǒng)整體能力。本文分析了航電系統(tǒng)的重構(gòu)觸發(fā)條件，針對(duì)下一代機(jī)載綜合化航電系統(tǒng)的重構(gòu)需求，在分析軍機(jī)作戰(zhàn)需求的基礎(chǔ)上，提出了以最大化全飛行階段航電系統(tǒng)對(duì)任務(wù)支撐能力的面向效能的航電重構(gòu)決策方法。

1 不同類別作戰(zhàn)任務(wù)航電系統(tǒng)需求分析

1.1 作戰(zhàn)區(qū)邊界

作戰(zhàn)飛機(jī)是實(shí)施空中打擊的重要作戰(zhàn)平臺(tái)，其性能水平的高低代表了一個(gè)國(guó)家的國(guó)防實(shí)力。在軍機(jī)實(shí)際研制過(guò)程中，需要根據(jù)軍機(jī)探測(cè)能力、威脅能力及導(dǎo)彈能力，來(lái)界定作戰(zhàn)區(qū)邊界，劃分作戰(zhàn)任務(wù)。以F-22飛機(jī)為例[13]，其作戰(zhàn)全過(guò)程包括5個(gè)邊界，分別為態(tài)勢(shì)感知邊界、攻擊/回避區(qū)邊界、超視距識(shí)別、威脅回避區(qū)邊界及威脅遭遇區(qū)邊界，作戰(zhàn)區(qū)邊界如圖1所示。

圖1 F-22飛機(jī)作戰(zhàn)區(qū)邊界

在不同的作戰(zhàn)區(qū)，飛機(jī)執(zhí)行的主要任務(wù)不同，如態(tài)勢(shì)感知邊界附近，軍機(jī)主要任務(wù)是通過(guò)雷達(dá)、紅外探測(cè)與跟蹤系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)同探測(cè)，進(jìn)行初始跟蹤與識(shí)別，此時(shí)的主要任務(wù)是通信、導(dǎo)航與識(shí)別以及低精度跟蹤；攻擊/回避區(qū)邊界，飛行員需根據(jù)目標(biāo)優(yōu)先順序及作戰(zhàn)要求，做出攻擊/回避決策，并展開中精度跟蹤識(shí)別；超視距識(shí)別邊界，即發(fā)射區(qū)邊界，主要任務(wù)是展開火控級(jí)精度跟蹤，并展開超視距作戰(zhàn)與電子戰(zhàn)，進(jìn)行先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈投放與電子頻譜爭(zhēng)奪。若后敵發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入威脅回避區(qū)邊界，主要任務(wù)是防御，推遲被威脅攻擊，并全面啟動(dòng)電子戰(zhàn)與武器攻擊系統(tǒng)；進(jìn)入威脅遭遇區(qū)邊界，則全面展開對(duì)抗與挫敗威脅的進(jìn)攻。

1.2 航電系統(tǒng)能力需求

不同的作戰(zhàn)任務(wù)有不同的航電功能需求側(cè)重，例如態(tài)勢(shì)感知邊界以外，要求強(qiáng)大的探測(cè)功能以達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)的目的；而在威脅遭遇邊界以內(nèi)，則對(duì)操縱性、火力控制性能的要求更高。即使對(duì)同一類別航電功能，不同作戰(zhàn)任務(wù)的需求程度也存在差異，如對(duì)于跟蹤與識(shí)別功能，在態(tài)勢(shì)感知邊界低精度的跟蹤即滿足任務(wù)需求，而進(jìn)入到超視距識(shí)別邊界，則需要提供火控級(jí)別的精度，以保證打擊的準(zhǔn)確度。本節(jié)分析了不同飛行任務(wù)階段，對(duì)于航電系統(tǒng)能級(jí)及航電資源的需求[14]，如表1所示。

2 基于效能的航電系統(tǒng)重構(gòu)策略

2.1 系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)分析

隨著技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)航電系統(tǒng)向著綜合化、模塊化方向發(fā)展，由聯(lián)邦式航電系統(tǒng)向綜合模塊化體系結(jié)構(gòu)演進(jìn)，采用通用高性能處理平臺(tái)加載功能軟件的形式實(shí)現(xiàn)不同的航電功能，為進(jìn)一步系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)提供了技術(shù)基礎(chǔ)[15]。如圖2所示的聯(lián)合式航電系統(tǒng)[16]，各航電功能采用獨(dú)立的設(shè)計(jì)，航電系統(tǒng)功能與資源一一綁定，當(dāng)功能A失效后，航電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征決定了無(wú)法利用其他功能的資源對(duì)功能A進(jìn)行重配置。

而對(duì)于如圖3所示的綜合模塊化航電(Integrated Modular Avionics，IMA)系統(tǒng)[17]，各航電功能采用駐留應(yīng)用(Host Function，HF)的方式共享航電平臺(tái)[18]，而是給多功能間共享、重用資源提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

綜合化航電系統(tǒng)中航電功能與硬件資源不再一一對(duì)應(yīng)，而是依據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)各不同航電功能所需資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，如圖4所示。

表1 不同任務(wù)的航電系統(tǒng)能力需求

圖2 聯(lián)合式航電系統(tǒng)架構(gòu)[16]

圖3 綜合模塊化航電系統(tǒng)架構(gòu)[17]

圖4 不同階段不同類別航電需求差異

在超視距識(shí)別邊界內(nèi)，航電系統(tǒng)需求主要集中于識(shí)別、電子戰(zhàn)和超視距空戰(zhàn)等功能，當(dāng)進(jìn)入到威脅遭遇邊界后，戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)于近距格斗相關(guān)的航電功能需求更高，因此動(dòng)態(tài)航電系統(tǒng)需要調(diào)整不同類別航電功能對(duì)于硬件資源的占用情況，實(shí)現(xiàn)任務(wù)(應(yīng)用)-功能(能力)-資源(設(shè)備)配置(Configuration)的改變，如圖5所示，提高階段任務(wù)的航電系統(tǒng)支撐能力，實(shí)現(xiàn)全飛行階段的總體能力提升。

另一方面，現(xiàn)有的綜合化航電系統(tǒng)中，如文獻(xiàn)[19]引用的ARINC 651標(biāo)準(zhǔn)定義的航電系統(tǒng)架構(gòu)中，定了航電系統(tǒng)級(jí)的狀態(tài)監(jiān)控(Health Management，HM)、故障管理(Fault Management，F(xiàn)M)和配置管理(Configuration Management，CM)單元，也為航電系統(tǒng)資源的動(dòng)態(tài)配置提供了標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)，通過(guò)在這些單元增加重構(gòu)決策邏輯來(lái)實(shí)施系統(tǒng)的重構(gòu)配置，本文提出的重構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的可實(shí)施性基礎(chǔ)。

2.2 航電系統(tǒng)效能

航電系統(tǒng)作為支撐飛行任務(wù)、作戰(zhàn)任務(wù)的系統(tǒng)，難以直接評(píng)價(jià)其對(duì)任務(wù)的效果和影響，論文采用效能作為其能力的度量參數(shù)。效能是一個(gè)內(nèi)涵、外延都十分豐富的概念[20]，效能的一般定義為：一個(gè)系統(tǒng)完成一組特定任務(wù)要求程度的能力(度量)。對(duì)于航電系統(tǒng)其效能表現(xiàn)為對(duì)不同航電任務(wù)的支持程度，進(jìn)而對(duì)作戰(zhàn)、生存能力的支持[21]。

圖5 航電系統(tǒng)任務(wù)資源重構(gòu)

(1)

即只有航電系統(tǒng)對(duì)任務(wù)mj分配的資源R_ali大于其最低資源需求Rj時(shí)，才有效能貢獻(xiàn)，效能與投入資源相關(guān)，關(guān)系函數(shù)為g(·)，如對(duì)于識(shí)別與跟蹤功能，投入不同的資源可帶來(lái)不同精度的跟蹤能力，體現(xiàn)為不同任務(wù)的支撐效能。由于邊際收益遞減效應(yīng)的存在，g(·)應(yīng)為一個(gè)凸函數(shù)，即對(duì)某一項(xiàng)任務(wù)多投入資源，可以帶來(lái)效能的提高，但是隨著資源投入的增加，收益變小。

定義航電系統(tǒng)的整體效能為

(2)

式中：ηj為不同任務(wù)對(duì)整體系統(tǒng)效能的貢獻(xiàn)系數(shù)，通過(guò)調(diào)整ηj值，可以有效區(qū)分在不同場(chǎng)景下，各任務(wù)的效能貢獻(xiàn)重要程度。如在超視距識(shí)別邊界內(nèi)，敵我識(shí)別、電子戰(zhàn)和超視距空戰(zhàn)等任務(wù)的效能貢獻(xiàn)大于其他任務(wù)，而進(jìn)入到威脅遭遇邊界后，近距格斗的效能貢獻(xiàn)最大。

2.3 重構(gòu)決策流程

本設(shè)計(jì)基于綜合模塊航電系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)不同的飛行任務(wù)、飛行階段、飛機(jī)健康狀況等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)時(shí)機(jī)的判別、重構(gòu)資源配置范圍和配置方式的確定，按照重構(gòu)的目標(biāo)配置方案并進(jìn)行有效性檢查，以實(shí)現(xiàn)航電系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)能力的響應(yīng)，重構(gòu)決策流程如圖6所示。重構(gòu)決策流程主要包括決策信息收集、重構(gòu)決策觸發(fā)、重構(gòu)策略選擇和重構(gòu)執(zhí)行等過(guò)程。

2.3.1 決策信息收集

圖6 重構(gòu)決策流程

信息收集主要包括態(tài)勢(shì)信息和航電系統(tǒng)狀態(tài)信息2大類。態(tài)勢(shì)信息主要為獲取作戰(zhàn)區(qū)邊界信息、敵我狀況信息，以確定不同任務(wù)階段對(duì)航電功能的需求；航電狀態(tài)信息主要包括對(duì)系統(tǒng)可用資源的監(jiān)控、故障狀態(tài)收集等，這些信息作為重構(gòu)決策的輸入，為后續(xù)重構(gòu)策略選擇和重構(gòu)執(zhí)行奠定基礎(chǔ)。

2.3.2 重構(gòu)決策觸發(fā)

重構(gòu)執(zhí)行需要一定的觸發(fā)條件，來(lái)進(jìn)入到重構(gòu)流程，分析機(jī)載航電系統(tǒng)重構(gòu)需求，主要包括2類：

1) 戰(zhàn)斗任務(wù)切換，此時(shí)重新為不同航電功能部署資源，提高某一階段內(nèi)所需航電能力。

2) 戰(zhàn)斗受損，調(diào)整航電系統(tǒng)資源配置方案，保證戰(zhàn)斗機(jī)的飛行安全或提高戰(zhàn)斗機(jī)當(dāng)前階段的任務(wù)執(zhí)行成功率。

或是以上2種觸發(fā)條件的組合，當(dāng)航電系統(tǒng)檢測(cè)到以上情況條件時(shí)，開始進(jìn)行重構(gòu)。

2.3.3 重構(gòu)策略選擇

依據(jù)不同的系統(tǒng)可用資源條件及當(dāng)前的作戰(zhàn)任務(wù)情況，系統(tǒng)可以選擇不同的重構(gòu)策略，依據(jù)觸發(fā)條件不同，設(shè)計(jì)了2種不同的重構(gòu)策略。2種策略依據(jù)資源的完備程度及各階段任務(wù)對(duì)不同類別航電功能的需求程度，重構(gòu)“任務(wù)-資源”的配置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)航電功能對(duì)階段任務(wù)支撐的最大化和對(duì)飛行安全的保證。

1) 面向任務(wù)的重構(gòu)決策機(jī)制

該重構(gòu)決策是以滿足各航電系統(tǒng)基本功能需求的前提下，最大化當(dāng)前飛行任務(wù)重要航電系統(tǒng)功能能力為目標(biāo)。如在超視距識(shí)別邊界內(nèi)，航電系統(tǒng)將主要資源集中于識(shí)別、電子戰(zhàn)和超視距空戰(zhàn)等功能，當(dāng)進(jìn)入到威脅遭遇邊界后，系統(tǒng)采用基于任務(wù)的重構(gòu)，將資源更多地部署在近距格斗相關(guān)的航電功能，在不改變整體航電資源數(shù)量的條件下，提高各任務(wù)階段的作戰(zhàn)效能，實(shí)現(xiàn)全階段的對(duì)敵壓制與攻擊。

2) 面向安全的重構(gòu)決策機(jī)制

該重構(gòu)決策機(jī)制關(guān)注于當(dāng)部分航電系統(tǒng)資源失效時(shí)，優(yōu)先對(duì)關(guān)系到飛行安全性的航電系統(tǒng)進(jìn)行資源配置，保證飛機(jī)的飛行安全，降低戰(zhàn)斗損失，最大限度保護(hù)戰(zhàn)斗機(jī)及飛行員。如圖7所示，對(duì)于通用功能模塊(Common Function Module，CFM)，當(dāng)部分資源失效后，可以采用對(duì)非安全關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行降級(jí)或關(guān)閉，將相關(guān)資源配置給安全關(guān)鍵/戰(zhàn)斗關(guān)鍵航電功能。

圖7 失效重構(gòu)

2.3.4 重構(gòu)執(zhí)行

重構(gòu)執(zhí)行模塊根據(jù)不同的重構(gòu)策略進(jìn)行資源動(dòng)態(tài)能力響應(yīng)的預(yù)配置，在不同航電功能間重新分配系統(tǒng)資源，在動(dòng)態(tài)能力響應(yīng)方案中的配置時(shí)間到來(lái)時(shí)，將配置信息加載到IMA各分區(qū)，完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

3 動(dòng)態(tài)重構(gòu)航電系統(tǒng)模型

3.1 系統(tǒng)重構(gòu)假設(shè)

動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性使得航電系統(tǒng)能夠按需配置資源，提高了系統(tǒng)的靈活性，本節(jié)重點(diǎn)分析重構(gòu)特性對(duì)效能的影響。為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)航電系統(tǒng)重構(gòu)行為進(jìn)行如下假設(shè)。

假設(shè)1重構(gòu)決策系統(tǒng)是失效免疫(Failure-free)的，即重構(gòu)決策系統(tǒng)可靠度為1。

假設(shè)2重構(gòu)決策時(shí)計(jì)算配置方案所需的系統(tǒng)資源與航電系統(tǒng)功能執(zhí)行所需資源間是獨(dú)立的。

假設(shè)3重構(gòu)決策過(guò)程及重構(gòu)配置時(shí)間是足夠小的，不會(huì)導(dǎo)致各航電功能中斷，從而影響航電功能能力。

3.2 航電系統(tǒng)資源量化

對(duì)航電系統(tǒng)的能力進(jìn)行量化是進(jìn)行資源重配置的前提，實(shí)際的航電系統(tǒng)中包含不同類別的模塊單元，如F-22的中央綜合處理單元(CIP)包含12種不同的資源模塊(LRU)，而各類別LRU所能提供的資源能力不同，為此，將IMA系統(tǒng)可以提供的資源簡(jiǎn)化為以下3類[22]：

1) 計(jì)算資源，包括中央處理器、傳感器前端處理器。

2) 存儲(chǔ)資源，包括分區(qū)應(yīng)用的運(yùn)行內(nèi)存、分區(qū)應(yīng)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及分區(qū)應(yīng)用的配置存儲(chǔ)器。

3) 通信資源，包括通信鏈路、虛擬鏈路、通信端口和信譽(yù)值。

假設(shè)IMA系統(tǒng)包含q種不同類別的資源模塊(LRU)，各資源模塊均包含不同能力的計(jì)算、存儲(chǔ)與通信資源，而每種模塊可提供的資源能力為

Cq=[comq,calq,memq]

式中：comq表示q類模塊可以提供的通信能力，以每秒傳輸字節(jié)數(shù)(bps)作為其數(shù)據(jù)傳輸能力評(píng)估單位；calq表示q類模塊可以提供的計(jì)算能力，以秒鐘執(zhí)行的百萬(wàn)指令數(shù)(Million Instructions Per Second，MIPS)作為其計(jì)算能力的評(píng)估單位；memq表示q類模塊可以提供的存儲(chǔ)能力，以比特(bit)作為其存儲(chǔ)能力評(píng)估單位。

3.3 重構(gòu)策略建模

航電系統(tǒng)的資源配置、重配置過(guò)程，是在一定的目標(biāo)和約束條件下，航電系統(tǒng)資源在多個(gè)任務(wù)間的分配[18]：

A:M→E

(3)

A在數(shù)學(xué)問(wèn)題上可以模型化為帶約束的目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

對(duì)于基于任務(wù)的重構(gòu)策略，其目標(biāo)為最大化不同作戰(zhàn)區(qū)的航電系統(tǒng)效能，即

對(duì)于基于安全的重構(gòu)策略，其目標(biāo)是保證對(duì)于一些安全關(guān)鍵系統(tǒng)，其分配的資源滿足最低資源需求，即

同時(shí)，在對(duì)多任務(wù)進(jìn)行資源分配過(guò)程中，還存在一定的約束：

1) 唯一性約束

為了簡(jiǎn)化計(jì)算及符合實(shí)際系統(tǒng)需求，假設(shè)航電任務(wù)僅能分配到單一模塊，不可多模塊合作完成某一任務(wù)；但是多任務(wù)可以分配到單一模塊，只要該模塊的資源能力滿足多任務(wù)要求。

(4)

2) 資源約束要求

即分配到各模塊上的任務(wù)，其資源需求要小于模塊的實(shí)際能力。

通過(guò)構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化約束，可以引入成熟的優(yōu)化算法進(jìn)行多模塊間的航電資源分配，并計(jì)算對(duì)應(yīng)分配結(jié)果的航電系統(tǒng)效能。

4 實(shí) 驗(yàn)

為了分析重構(gòu)能力為航電系統(tǒng)效能帶來(lái)的影響，本節(jié)在3.2節(jié)構(gòu)建的航電系統(tǒng)整體效能模型及資源量化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建效能貢獻(xiàn)系數(shù)矩陣、資源分配矩陣及效能優(yōu)化函數(shù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得出相關(guān)結(jié)論，論證航電系統(tǒng)重構(gòu)能力的優(yōu)異性。

4.1 效能貢獻(xiàn)系數(shù)矩陣

本文中采用F-22飛機(jī)的定義，首先，對(duì)飛機(jī)5個(gè)作戰(zhàn)區(qū)邊界進(jìn)行編號(hào)。A為態(tài)勢(shì)感知邊界；B為攻擊/回避區(qū)邊界；C為超視距識(shí)別；D為威脅回避區(qū)邊界；E為威脅遭遇區(qū)邊界。然后，對(duì)7種主要任務(wù)進(jìn)行編號(hào)。Ⅰ為超聲速巡航；Ⅱ?yàn)橥ㄐ?、?dǎo)航與識(shí)別；Ⅲ為飛行控制；Ⅳ為電子戰(zhàn)；Ⅴ為超視距空對(duì)空作戰(zhàn)；Ⅵ為空對(duì)地作戰(zhàn)；Ⅶ為近距格斗。本文綜合考慮不同作戰(zhàn)區(qū)邊界內(nèi)的任務(wù)需求，設(shè)置的效能貢獻(xiàn)系數(shù)矩陣為

4.2 任務(wù)最低資源需求矩陣

針對(duì)系統(tǒng)每種子任務(wù)，給出系統(tǒng)資源需求矩陣。為了方便數(shù)據(jù)處理，采用了多量綱歸一化方法。表2給出系統(tǒng)計(jì)算、存儲(chǔ)、通信資源量化數(shù)值，表示每項(xiàng)子任務(wù)mi對(duì)每種類型資源的最低需求。

表2 不同任務(wù)最低資源需求

4.3 航電系統(tǒng)資源能力矩陣

航電系統(tǒng)平臺(tái)的資源能力，表示系統(tǒng)中可分配的資源情況，按照實(shí)際航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，IMA平臺(tái)中由不同性能的模塊構(gòu)成，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將各模塊的參數(shù)進(jìn)行了量綱的歸一化，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中配置了4種類型的模塊單元，各模塊能力各有偏重，資源能力如表3所示。

表3 系統(tǒng)配置模塊資源能力

4.4 效能分析

本節(jié)討論在以上參數(shù)設(shè)置下的靜態(tài)配置航電系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)重構(gòu)航電系統(tǒng)的效能分析。其他一些必要參數(shù)設(shè)置如下。

效能與資源的關(guān)系函數(shù)，對(duì)所有的任務(wù)統(tǒng)一設(shè)置為g(·)=lg(·)，該函數(shù)符合實(shí)際系統(tǒng)中資源投入邊際效應(yīng)遞減的趨勢(shì)特性。重構(gòu)算法采用線性規(guī)劃算法，通過(guò)檢查資源分配算法對(duì)約束符合性來(lái)滿足約束條件。

對(duì)于采用靜態(tài)配置構(gòu)型的航電系統(tǒng)，各任務(wù)的資源配置結(jié)果如表4所示。對(duì)于動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng)，不同作戰(zhàn)區(qū)邊界其配置資源情況不同，具體的分配結(jié)果如表5所示。

針對(duì)不同類別的航電系統(tǒng)計(jì)算其效能，并假設(shè)當(dāng)某一任務(wù)分配到某一模塊上時(shí)，若無(wú)其他任務(wù)，則該任務(wù)可使用該模塊的全部資源；當(dāng)多任務(wù)共享式單一模塊時(shí)，超出最低資源需求的部分，多任務(wù)間共享。對(duì)比效能結(jié)果如表6所示。

表4 靜態(tài)航電任務(wù)分配結(jié)果

表5 動(dòng)態(tài)航電任務(wù)分配結(jié)果

表6 作戰(zhàn)效能對(duì)比

可見，對(duì)于各個(gè)作戰(zhàn)區(qū)邊界內(nèi)，動(dòng)態(tài)重構(gòu)航電系統(tǒng)的效能都高于固定配置的航電系統(tǒng)，這個(gè)結(jié)果的原因是動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性可以依據(jù)不同作戰(zhàn)區(qū)邊界的任務(wù)需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整各資源的分配，如在一些階段，將對(duì)效能貢獻(xiàn)為0的任務(wù)完全屏蔽，從而有效集中優(yōu)勢(shì)資源以更高的性能完成當(dāng)前任務(wù)。

5 結(jié) 論

1) 分析了未來(lái)戰(zhàn)機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)重構(gòu)航電系統(tǒng)的需求，建立了航電能力與不同戰(zhàn)斗任務(wù)的支持關(guān)系。面向不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)了面向任務(wù)和面向安全的重構(gòu)策略。

2) 給出了航電系統(tǒng)效能模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)比較了在相同環(huán)境與相同航電資源條件下，動(dòng)態(tài)重構(gòu)航電系統(tǒng)與靜態(tài)配置航電系統(tǒng)的效能，表明通過(guò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性的引入，可以有效提高作戰(zhàn)效能。

后續(xù)計(jì)劃針對(duì)重構(gòu)系統(tǒng)的可靠性模型、動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法的實(shí)時(shí)性及動(dòng)態(tài)分區(qū)可信性等問(wèn)題開展進(jìn)一步研究。