基于開放式架構(gòu)的飛機機電管理系統(tǒng)

羅德杰，蔡 明，薛昭洋

(1.航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所,陜西 西安 710068;2.空裝駐西安地區(qū)第六軍事代表室,陜西 西安 710068)

0 引言

近年來,隨著我國軍、民用機型不斷增多,功能不斷細化,計算能力和網(wǎng)絡(luò)帶寬等軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展以及通用質(zhì)量特性要求的不斷提高,使機載產(chǎn)品的功能需求越來越多,導(dǎo)致機載電子系統(tǒng)的規(guī)模及復(fù)雜度日益增加,由此給系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、驗證、優(yōu)化及維護帶來了巨大挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)架構(gòu)中,若系統(tǒng)架構(gòu)特征在設(shè)計之初就未考慮充分,則會導(dǎo)致后期暴露出不可逆的缺點,如:

1) 當(dāng)需傳輸?shù)臋C載信息隨技術(shù)需求不斷增多時,傳統(tǒng)架構(gòu)的機載電子系統(tǒng)的低速率,低帶寬等局限性日益顯露。

2) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機載電子系統(tǒng)往往以外場可更換單元(LRU)為基礎(chǔ),且LRU的型號各不相同,無法相互替換,導(dǎo)致系統(tǒng)硬件資源的容錯率及復(fù)用率不高。

3) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機載電子系統(tǒng)一般是通過增加滿足不同功能需求的子系統(tǒng)或設(shè)備來實現(xiàn)增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力以及系統(tǒng)處理能力,而這則矛盾于系統(tǒng)對重量、體積以及功耗的要求。

4) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機載電子系統(tǒng)的通用質(zhì)量特性也相對受系統(tǒng)架構(gòu)的局限性影響,而這也對飛機機載電子系統(tǒng)的研制和發(fā)展起到了直接影響。

而以上缺點意味著需要新的架構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)來取代傳統(tǒng)架構(gòu)的機載電子系統(tǒng)來滿足未來飛機相關(guān)的需求。

開放式架構(gòu)采用的是廣泛應(yīng)用、開放的接口標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)型化、單一化的基礎(chǔ)機載產(chǎn)品設(shè)計,對基礎(chǔ)產(chǎn)品的接口進行全面定義,使得軟硬件可移植,系統(tǒng)架構(gòu)更靈活,同時縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期,因此成為系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)領(lǐng)域研究的一個發(fā)展方向[1]。其優(yōu)點包括:

1) 系統(tǒng)的硬件和軟件資源復(fù)用率高,基礎(chǔ)設(shè)備可根據(jù)所處位置不同,以需求為導(dǎo)向進行資源配置,即在基礎(chǔ)產(chǎn)品的接口資源、功能性能上進行剪裁或增加,避免重復(fù)開發(fā)問題。

2) 系統(tǒng)的接口資源豐富、能力較強,有出色的接口余度和余度管理能力,能適配不同機型、不同需求的機載設(shè)備配置。

由于應(yīng)用環(huán)境的特殊,強實時、高可靠性是機載電子系統(tǒng)必須具備的特性。隨著機載設(shè)備智能化、數(shù)字化程度的不斷提高,以及對開放式機載機電系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的深入研究,對開放式系統(tǒng)的概念也賦予了更多的要求。它是對新系統(tǒng)開發(fā)以及現(xiàn)有系統(tǒng)改進的綜合技術(shù)策略,其更關(guān)注于接口標(biāo)準(zhǔn)開放、模塊化、硬件獨立化及軟件通用化的系統(tǒng)設(shè)計[2]。

1 開放式架構(gòu)機電系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本文中描述的基于開放式體系架構(gòu)的機電綜合管理系統(tǒng)硬件由1臺雙余度機電綜合管理計算機(EMCP)和多臺遠程接口單元(RIU)組成。EMCP通過1394B總線或1553總線與各RIU之間進行數(shù)據(jù)信息的收集及命令的下達,并形成樹型架構(gòu),數(shù)據(jù)共享的實現(xiàn)則是由兩通道之間的交叉通道數(shù)據(jù)鏈(CCDL)完成,如圖1所示。機電綜合管理計算機EMCP是機電綜合管理系統(tǒng)的核心,主要功能是網(wǎng)絡(luò)的管理和機電系統(tǒng)信息的處理。EMCP通過1394B或1553總線的總線控制器,對多臺RIU進行綜合控制和管理,同時以航電總線端點的方式完成機電綜合管理系統(tǒng)與航電系統(tǒng)的信息交互。每臺RIU的硬件構(gòu)成以及軟件配置完全相同,通過機上線纜給出不同的機位信號識別后,進入不同的功能分區(qū),主要職責(zé)是遠程數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行,如各類傳感器信號,同時進行本地節(jié)點自檢測,將檢測結(jié)果上報給EMCP。

圖1 開放式架構(gòu)機電系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能劃分

1.2.1 機電綜合管理計算機

如果說安娜的所作所為破壞了一個家庭，那么她破壞的正是“摧殘愛情、禁錮自由、滅殺個性”的俄國傳統(tǒng)封建主義家庭。

1) 對RIU傳送過來的信息進行處理,并將處理后的信息傳送給RIU;

2) 將信息傳送給航電系統(tǒng)顯示,并接收燃油、液壓、火警等系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)以及維護自檢等指令信號;

3) 接收和發(fā)送航空電子系統(tǒng)的相關(guān)信息,并將其發(fā)送給飛參系統(tǒng)記錄;

4) 對雙余度資源進行管理和調(diào)度。

1.2.2 遠程接口單元

1) 通過模擬、數(shù)字、總線等接口,接收各類機上電源、燃油、液壓、傳動動力、滅火、環(huán)控、照明與告警等機電數(shù)據(jù),并與其進行數(shù)據(jù)交互;

2) 根據(jù)需求,通過機載常用的總線與EMCP進行信息交互,將接收的機電系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行上傳;

3) 通過軟件配置機位識別,能正確確定自身所在位置及職責(zé),采集處理單機所負責(zé)的機電系統(tǒng)信息。

1.3 系統(tǒng)工作策略

在設(shè)備正常運行時,處于空中模式,EMCP的A、B兩通道采用并行工作機制,從各RIU中接收的數(shù)據(jù)則通過CCDL互傳,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與對比。此系統(tǒng)雙余度的數(shù)據(jù)采信原則如下:

◆當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)相同且周期自測試結(jié)果正常時;當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,但周期自測試結(jié)果正常時;當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,B通道周期自測試結(jié)果不正常時; 均采信A通道數(shù)據(jù)。

◆當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,A通道周期自測試結(jié)果不正常時,采信B通道數(shù)據(jù)。

◆當(dāng)兩通道數(shù)據(jù)不同,且兩通道周期自測試結(jié)果均不正常時,A、B通道數(shù)據(jù)均不采信。

此雙余度系統(tǒng)的特點是:

1) EMCP在單通道因CPU、總線、二次電源等原因失效時,系統(tǒng)可使用另一通道數(shù)據(jù),機電綜合管理系統(tǒng)可不受影響,繼續(xù)工作。

2) 若兩通道數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)共享與對比,比如CCDL失效時,此時直接采信A通道數(shù)據(jù),機電綜合管理系統(tǒng)亦可不受影響,繼續(xù)工作。

3) 若A、B通道中各有不同部件或功能失效,則盡可能地通過兩通道之間信息互補,拼湊完整數(shù)據(jù),使機電綜合管理系統(tǒng)正常工作。

4) 機電系統(tǒng)信號中優(yōu)先級、重要程度較高的信號,可經(jīng)RIU進行雙路或三路采集、控制,在RIU級進行余度配置,當(dāng)某一RIU失效時,重要數(shù)據(jù)亦可由其他RIU進行采集處理,不影響飛行安全。

5) 當(dāng)機電網(wǎng)絡(luò)中某一個節(jié)點出現(xiàn)故障時,通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將故障節(jié)點屏蔽,其承擔(dān)的任務(wù)由網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點承擔(dān),進而實現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部采取多級容錯的方法實現(xiàn)功能模塊、節(jié)點的容錯策略。當(dāng)節(jié)點內(nèi)部出現(xiàn)故障時,保證節(jié)點在不中斷控制功能,不影響數(shù)據(jù)傳輸及飛行安全的情況下正常運行,故障功能模塊承擔(dān)的任務(wù)由冗余電路完成。

此基于開放式的硬件架構(gòu)具有接口資源豐富、資源利用率高,基礎(chǔ)產(chǎn)品之間具有可替代性,系統(tǒng)余度管理能力出色且應(yīng)用軟件易于移植等優(yōu)點,為降低開發(fā)周期,提升經(jīng)濟性以及通用質(zhì)量特性提供了有效保障。

2 開放式機電管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開放式架構(gòu)機電管理綜合化技術(shù)

機電系統(tǒng)在飛機上分布廣泛,因此交互信號數(shù)量多、種類復(fù)雜是其一大特性。對飛機各功能需求進行歸納總結(jié)是實現(xiàn)機電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享的前提,合理定義機電綜合管理系統(tǒng)的頂層需求,充分考慮并結(jié)合各系統(tǒng)的資源需求和機體的位置等信息,將頂層需求逐層分解至各組成單元,將各功能進行開放式、分布式劃分,促使機載產(chǎn)品的統(tǒng)型化,單一化[3]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通用化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通用化技術(shù)研究是實現(xiàn)機電綜合管理系統(tǒng)節(jié)點通用化、系列化的基礎(chǔ),主要通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口的通用標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn),建立一種滿足機電系統(tǒng)要求的開放式通用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)型并形成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的系列化產(chǎn)品。

2.3 分布式處理

機電系統(tǒng)工作時需采集和處理機上各個部位,不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信號,且經(jīng)常會出現(xiàn)同一任務(wù)在多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中運行的情況。為了使各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間協(xié)同工作,使用分布式軟件處理技術(shù)來實時響應(yīng)機電系統(tǒng)內(nèi)的信息交互,則可實現(xiàn)機電管理系統(tǒng)軟件運行覆蓋不同機電系統(tǒng)、不同控制任務(wù)的需求,突破機載研發(fā)軟件的單元提取、管理和集成等關(guān)鍵技術(shù),形成面向機電領(lǐng)域的應(yīng)用軟件通用環(huán)境。

3 結(jié)語

開放式架構(gòu)將是未來各機載系統(tǒng)的主流方向,通過接口標(biāo)準(zhǔn)的制定,進一步提高機載設(shè)備的“三化”程度,特別是其標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,從而達到提高機載電子系統(tǒng)經(jīng)濟性、加快技術(shù)革新、增強飛機的作戰(zhàn)能力和適應(yīng)性的目的。

以機電系統(tǒng)開放式架構(gòu)而言,可以根據(jù)不同機型進行功能需求、交互對象的增補或裁剪,同時根據(jù)不同需求對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行擴展,體現(xiàn)出開放性、擴展性,統(tǒng)一性等特性,這是開放式架構(gòu)令人青睞的原因。它可服務(wù)于未來軍用及民用飛機的機電綜合設(shè)計工作,能夠進一步提升飛機平臺機電系統(tǒng)綜合化設(shè)計,實現(xiàn)機電系統(tǒng)功能高度綜合和靈活擴展,提高設(shè)備的通用化、系列化水平,提升我國機載設(shè)備的自主可控及創(chuàng)新能力,為未來型號的發(fā)展提供有力保障。