飛機(jī)機(jī)電管理系統(tǒng)四節(jié)點(diǎn)余度設(shè)計(jì)

宋 丫，王 琳，曹艷梅

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

1 背景

機(jī)載機(jī)電系統(tǒng)由支持飛機(jī)正常、安全飛行,獨(dú)立于航空電子系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)的機(jī)電子系統(tǒng)組成,也稱為公共設(shè)備系統(tǒng)。在國外,機(jī)電管理系統(tǒng)的研究開始于20世紀(jì)70年代末,90年代初。機(jī)電管理系統(tǒng)應(yīng)用于歐洲戰(zhàn)斗機(jī)EF2000,借鑒EF2000的成功經(jīng)驗(yàn),國內(nèi)外無論在固定翼飛機(jī)還是直升機(jī)上,機(jī)電管理系統(tǒng)都得到了廣泛應(yīng)用。

典型的機(jī)電子系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、電源及配電系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、機(jī)輪剎車系統(tǒng)等。每個(gè)單獨(dú)的機(jī)電子系統(tǒng)都需要一套管理控制器、連接器及大量的連接電纜,使得機(jī)電系統(tǒng)利用率低,可靠性、可維修性差?；跈C(jī)電綜合管理的思想,研制開發(fā)新型機(jī)電管理系統(tǒng)(UMS,Utility Management System)替代部分機(jī)電系統(tǒng)中的控制盒、信號(hào)盒、繼電器盒等,實(shí)現(xiàn)對(duì)部分機(jī)電系統(tǒng)的綜合控制和管理操作,提高系統(tǒng)的可維護(hù)性,以及故障狀態(tài)檢查能力。

新型機(jī)電管理系統(tǒng)由機(jī)電管理計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程接口單元構(gòu)成,通過硬線、RS422總線、GJB289A總線、ARINC429總線等形式與其他機(jī)電子系統(tǒng)通信互連。機(jī)電綜合管理系統(tǒng)扮演著大腦中樞的角色,需要具備一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。如果機(jī)電管理系統(tǒng)失效,則很多機(jī)電參數(shù)就不可獲得,為了防備這種情況的發(fā)生,很多重要的機(jī)電參數(shù)都需要有備份儀表進(jìn)行顯示存儲(chǔ),這和機(jī)電系統(tǒng)的綜合化思路是不協(xié)調(diào)的。因此,為了進(jìn)一步提高機(jī)電系統(tǒng)的綜合化程度,必須提高機(jī)電管理系統(tǒng)的可靠性,故機(jī)電管理系統(tǒng)需要采用雙余度或多余度設(shè)計(jì)。同時(shí),為了保證系統(tǒng)不至于繁瑣冗雜,余度決策需根據(jù)具體任務(wù)場景區(qū)分對(duì)待。

本文介紹了一種常用的機(jī)電管理系統(tǒng)四節(jié)點(diǎn)余度設(shè)計(jì),能有效提升系統(tǒng)穩(wěn)定性及綜合化程度。

2 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)電管理系統(tǒng)架構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)包括兩臺(tái)機(jī)電管理計(jì)算機(jī),兩臺(tái)遠(yuǎn)程接口單元。如圖1所示,機(jī)電管理系統(tǒng)內(nèi)部采用GJB289A總線組網(wǎng),進(jìn)行四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息交換。1號(hào)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)擔(dān)任內(nèi)總線的總線控制器(BC,Bus Controller),2號(hào)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)作為遠(yuǎn)程終端(RT,Remote Terminal)同時(shí)亦擔(dān)任備份BC,從而形成雙余度BC。兩個(gè)遠(yuǎn)程接口單元分別部署在系統(tǒng)兩端,形成信息傳輸RT。在兩個(gè)機(jī)電管理計(jì)算機(jī)之間、以及兩個(gè)遠(yuǎn)程接口單元之間,采用交叉通信鏈路(CCDL,Cross Channel Data Link)來完成數(shù)據(jù)互連,從而構(gòu)成四節(jié)點(diǎn)的分布式容錯(cuò)系統(tǒng),按每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置的具體任務(wù),對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)于單節(jié)點(diǎn)控制的任務(wù),采用決策結(jié)果共享方式,對(duì)于雙節(jié)點(diǎn)控制的任務(wù),采用熱備份工作方式。

圖1 機(jī)電管理系統(tǒng)四節(jié)點(diǎn)框圖

機(jī)電管理系統(tǒng)根據(jù)各機(jī)電子系統(tǒng)的功能、重要性的不同,對(duì)其分別采取不同的余度配置和管理策略。對(duì)于可靠性要求高的任務(wù)采用直接余度法,即硬件備份;對(duì)可靠性要求較低的任務(wù)進(jìn)行單余度設(shè)計(jì)。通過對(duì)硬件的合理配置和軟件程序的編制,機(jī)電管理計(jì)算機(jī)能夠?qū)Χ嘤喽热蝿?wù)進(jìn)行管理,并控制它們之間的通訊。

節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)之間對(duì)于相同的任務(wù)彼此同步,始終運(yùn)行同一任務(wù),允許有限的偏差。同步是周期性的,在同步管理程序的控制下,每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)根據(jù)時(shí)鐘向冗余節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)出它的當(dāng)前時(shí)間,同時(shí)在一定時(shí)間間隔內(nèi)收到冗余節(jié)點(diǎn)機(jī)的時(shí)鐘值,實(shí)現(xiàn)同步握手,然后根據(jù)同步算法校正時(shí)鐘,雙機(jī)開始同步工作。對(duì)于雙余度任務(wù),雙通道在完成數(shù)據(jù)采集后,首先通過CCDL 進(jìn)行交叉?zhèn)鬏?實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)控制功能的解算,并將解算后的數(shù)據(jù)通過CCDL 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和比較,從而實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的一致性。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是機(jī)電管理系統(tǒng)正常運(yùn)作的重要支撐,良好的軟件設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)性能的前提。由于硬件環(huán)境采用分布式嵌入結(jié)構(gòu),基于分布式余度容錯(cuò)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電管理系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

機(jī)電管理計(jì)算機(jī)軟件通?？梢苑譃槿齻€(gè)層次,應(yīng)用軟件層、系統(tǒng)軟件層和I/O訪問層。其中應(yīng)用軟件主要負(fù)責(zé)信息處理、故障預(yù)警、控制維護(hù)以及與航電系統(tǒng)、綜合顯示器的通信。系統(tǒng)軟件主要完成節(jié)點(diǎn)協(xié)同、余度控制、資源管理和應(yīng)用接口調(diào)用等。I/O訪問層根據(jù)系統(tǒng)軟件的需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件接口的直接控制,包括輸入、輸出、占空比等。

應(yīng)用軟件常常需要根據(jù)不同場景需求進(jìn)行多次開發(fā),通?？煞譃榱竽K:通訊模塊、狀態(tài)與故障監(jiān)控模塊、系統(tǒng)控制模塊、系統(tǒng)維護(hù)模塊、故障預(yù)測模塊以及排故測試接口模塊。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí),每個(gè)模塊會(huì)根據(jù)具體需求劃分為若干任務(wù)。

任務(wù)一般可以分為三種工作模式:空中工作模式、地面工作模式以及地面維護(hù)模式,具體模式的選擇需要根據(jù)輪載信號(hào)識(shí)別及具體操作完成。

4 小結(jié)

本文介紹了一種常用的機(jī)電管理系統(tǒng)四節(jié)點(diǎn)余度設(shè)計(jì),從結(jié)構(gòu)及軟件等方面描述了機(jī)電管理系統(tǒng)的支撐與運(yùn)行,有效提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性及綜合化程度。