【摘要】：航空電子系統(tǒng)是飛機(jī)的“大腦”和“神經(jīng)中樞”,其發(fā)展經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合模塊化(Integrated Modular Avionics,IMA)以及目前最新的分布式綜合模塊化(Distributed Integrated Modular Avionics,DIMA)的四代典型技術(shù)發(fā)展。DIMA的設(shè)計(jì)思想通過分布式綜合技術(shù),并結(jié)合時(shí)間觸發(fā)(Time-Triggered)通信和分區(qū)隔離調(diào)度機(jī)制,極大地增強(qiáng)了綜合電子系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性,代表了未來武器裝備的發(fā)展趨勢(shì),未來航空電子系統(tǒng)架構(gòu)逐步演變?yōu)榛诰W(wǎng)絡(luò)的分布式、綜合化、模塊化的通用系統(tǒng)平臺(tái)。時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)(Time-Triggered Ethernet,TTE)屬于時(shí)間觸發(fā)架構(gòu)下的航空機(jī)載總線,相比于傳統(tǒng)機(jī)載總線,TTE具備高可靠性和安全性、良好的兼容性以及消息傳輸確定性等優(yōu)點(diǎn)。在新一代綜合化航空電子系統(tǒng)中,采用時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)作為底層通信網(wǎng)絡(luò)的DIMA系統(tǒng),即基于時(shí)間觸發(fā)的分布式綜合模塊化航空電子系統(tǒng)(Time-Triggered based Distributed Integrated Modular Avionics,TT-DIMA)可以滿足未來混合安全關(guān)鍵等級(jí)功能綜合化的發(fā)展趨勢(shì),代表著未來航電系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向。本文研究面向DIMA應(yīng)用的時(shí)間觸發(fā)以太網(wǎng)性能優(yōu)化與評(píng)估技術(shù),其研究成果已經(jīng)在衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)、運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)、船舶分布式控制系統(tǒng)等典型應(yīng)用場(chǎng)景下得到驗(yàn)證,具有高時(shí)間確定性,強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性等特點(diǎn)。本文的研究工作主要包括基于TT-DIMA業(yè)務(wù)約束的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化、TT-DIMA系統(tǒng)時(shí)鐘同步控制、TT-DIMA混合安全關(guān)鍵業(yè)務(wù)調(diào)度、TT-DIMA流量模型優(yōu)化及性能評(píng)估四個(gè)主要研究內(nèi)容。論文的創(chuàng)新工作包括:(1)針對(duì)TT-DIMA網(wǎng)絡(luò)資源分配優(yōu)化問題,重點(diǎn)研究了TTE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),目標(biāo)是在滿足網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的安全性和實(shí)時(shí)性要求的前提下,生成一個(gè)具有較低架構(gòu)成本、負(fù)載均衡、相對(duì)路徑短的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文在深入分析了以太網(wǎng)系統(tǒng)模型之后,提出一種新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方法,該拓?fù)鋬?yōu)化算法充分考慮了TTE網(wǎng)絡(luò)通信本身具有的時(shí)間確定性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜我庑?可以使得整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)成本更低,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)以及鏈路上的負(fù)載分布更加均勻,使時(shí)間觸發(fā)業(yè)務(wù)流編排更加合理,為DIMA系統(tǒng)提供全局性能最優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(2)針對(duì)DIMA系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)不同步帶來應(yīng)用系統(tǒng)延遲大、不確定、應(yīng)用組合性差等問題,提出了網(wǎng)絡(luò)級(jí)和應(yīng)用級(jí)兩級(jí)同步策略,目標(biāo)是降低系統(tǒng)應(yīng)用業(yè)務(wù)端到端之間的延遲。首先,詳細(xì)研究了TTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘高精度同步的方法,利用FPGA實(shí)現(xiàn)了TTE標(biāo)準(zhǔn)同步算法;然后,進(jìn)一步研究分區(qū)操作系統(tǒng)VxWorks653與TTE通信網(wǎng)絡(luò)間的時(shí)鐘同步技術(shù),提出了一種分區(qū)操作系統(tǒng)時(shí)鐘和TTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的高精度時(shí)隙對(duì)齊方法,使得系統(tǒng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)可以按照時(shí)間觸發(fā)的模式進(jìn)行編排調(diào)度,有效降低業(yè)務(wù)端到端的通信延遲。最后,利用自研的TTE交換機(jī)和TTE節(jié)點(diǎn)機(jī)搭建了一整套TT-DIMA演示驗(yàn)證系統(tǒng),在真實(shí)的硬件環(huán)境下,TTE網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的同步精度不超過48ns,應(yīng)用分區(qū)間時(shí)鐘同步精度不超過70ns,端到端的應(yīng)用消息通信延遲在[7.18μs,7.22μs]范圍之間,延遲抖動(dòng)40ns,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了同步算法的正確性和有效性,也為進(jìn)一步開發(fā)TT-DIMA產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)支撐。(3)由于DIMA系統(tǒng)本身的業(yè)務(wù)特性,TTE網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)支持時(shí)間觸發(fā)和事件觸發(fā)兩種業(yè)務(wù),以滿足不同安全等級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)資源的利用率,提出了一種時(shí)間觸發(fā)業(yè)務(wù)靜態(tài)調(diào)度表生成算法,將調(diào)度表編排問題抽象成二維裝箱及帶約束的優(yōu)化問題,優(yōu)化目標(biāo)是使得時(shí)間觸發(fā)業(yè)務(wù)盡可能的分散排布,從而得到數(shù)目最大的空閑時(shí)隙數(shù),為后續(xù)事件觸發(fā)業(yè)務(wù)提供均勻的時(shí)間資源以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的優(yōu)化算法要優(yōu)于傳統(tǒng)裝箱算法對(duì)調(diào)度表的編排,在平均時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)兩個(gè)指標(biāo)上都有明顯的降低,保證了DIMA系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的確定性通信延遲,同時(shí)最大限度地滿足非安全關(guān)鍵業(yè)務(wù)。(4)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)演算模型對(duì)系統(tǒng)時(shí)延分析存在較大的悲觀性,結(jié)合DIMA系統(tǒng)中業(yè)務(wù)特點(diǎn)提出了一種新的通信流量優(yōu)化模型和性能評(píng)估方法,通過引入時(shí)間觸發(fā)(TT)流量的缺包周期以及速率約束(RC)流量的調(diào)節(jié)因子,分別對(duì)RC流量的服務(wù)曲線及到達(dá)曲線進(jìn)行了優(yōu)化并基于該模型進(jìn)行了時(shí)延分析,時(shí)延分析結(jié)果更接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況,使系統(tǒng)調(diào)度表編排更加合理,提高了系統(tǒng)資源的利用率。
【圖文】：

圖 1.1 分布式模塊化電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)在研究和應(yīng)用實(shí)踐中，DIMA 系統(tǒng)體現(xiàn)出“綜合模塊化”與“分布式”兩大特征[14]：一方面，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合化與模塊化，硬件資源共享程度很高，模塊的可重用性較強(qiáng)，這將使系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的工作量大幅減�。涣硪环矫�，由于硬件資源的分布排布，允許子系統(tǒng)之間從物理層次實(shí)現(xiàn)隔離。圖 1.2 展示出 DIMA 與傳統(tǒng) IMA 在綜合化處理與互連方式上的對(duì)比示意。對(duì)于 DIMA 航電系統(tǒng)，涉及多個(gè)子功能區(qū)域的分布式集成，更加強(qiáng)調(diào)任務(wù)關(guān)鍵和安全關(guān)鍵等性能保障機(jī)制在系統(tǒng)集成過程中的一致性性能，并集中表現(xiàn)在系統(tǒng)完整性方面。完整性是指硬件、軟件或系統(tǒng)正確地符合設(shè)計(jì)要求的程度。傳感器/作動(dòng)器傳感器/作動(dòng)器

(SimulatedAnnealing，SA)。火最早是由 N. Metropolis 等人于 1953 年提出，1983 年 Kirkp引入到組合優(yōu)化領(lǐng)域，其出發(fā)點(diǎn)是基于物理中固體物質(zhì)的退火題之間的相似性。優(yōu)化問題中將搜尋空間內(nèi)每一點(diǎn)想象成空，就是它本身的動(dòng)能；而搜尋空間內(nèi)的每一點(diǎn)，也像空氣分子該點(diǎn)對(duì)優(yōu)化問題的合適程度。算法先以搜尋空間內(nèi)一個(gè)任意擇一個(gè)“鄰居”，然后再計(jì)算從現(xiàn)有位置到達(dá)“鄰居”的概率值，則跳轉(zhuǎn)到“鄰居”；若概率較小，則停留在原位置不動(dòng)。的一種，，也是一種貪心算法，但是它的搜索過程引入了隨機(jī)因時(shí)，以一定的概率來接受一個(gè)比當(dāng)前解要差的解，因此有可能解，達(dá)到全局的最優(yōu)解。以圖 2.6 為例，假定初始解為左邊藍(lán)會(huì)快速搜索到局部最優(yōu)解 B，但在搜索到局部最優(yōu)解后，不定的概率接受向右邊移動(dòng)的值，經(jīng)過幾次這樣的不是局部最優(yōu)最優(yōu)點(diǎn) D，于是就跳出了局部最小值。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP393.11

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本文編號(hào)：2592225