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摘要：航空电子系统采用重构技术提高系统的可靠性。传统的重构技术需对机载网络进行重构,重构流程复杂,系统开销大,重构时间长。本文设计一种基于数据订阅与分发技术的系统重构技术,采用静态网络动态配置的方式,简化了网络结构,提高了数据传输的灵活性。系统重构通过动态订阅与分发技术重新建立通信路由,无需重新初始化机载网络,系统重构流程简单,开销小,重构时间短。试验结果表明,采用基于数据订阅与分发技术的系统重构技术可实现不同模式下的系统重构,重构时间小于传统重构技术。
关键词：航空电子系统；系统重构；数据订阅与分发
Research on Reconfiguration Technology of Avionics System
FAN Chao,ZHAO Lin,DUAN Haijun
（Shenyang Aircraft Design and Research Institute Yangzhou Collaborative Innovation Research Institute Co.,Ltd.,Yangzhou Jiangsu 225006）
【Abstract】：Avionics system uses reconfiguration technology to improve the reliability of the system.Traditional reconfigure technology rely on reconfiguration of airborne network.The process of reconfiguration is complex.Needs lots of resources and time.This paper designs a system reconfiguration technology based on data subscription and distribution to simplify network architecture and improve data transferflexibility.System reconfiguration establishes a communication route through the danamic subscription and distribution technology.No needs to reinitialize the onboard network.The experimental results show that system reconfiguration technology based on data subscription and distribution can realize the system reconfiguration in different modes,and need less resources and time.
【Key words】：avionics system;system reconfiguration;data subscription and distribution
0引言
航空电子系统先后经历了分立式、联合式、综合化、先进综合化四个阶段。综合化航空电子系统采用模块化设计,通过资源共享降低系统体积、重量、功耗和硬件成本[1-4]。然而系统资源的高度复用对系统可靠性提出了新的挑战,单一模块故障将导致多个系统功能丧失。目前航空电子系统采用重构技术提高系统的可靠性,重构性能直接影响系统的可靠性,并成为考量系统任务可靠性的重要指标。现在的航空电子系统已发展为分布式综合化航空电子系统,采用机载网络进行系统通信,系统重构需对机载网络进行重构,因此对航空电子系统的重构技术的研究是十分有必要的近年来,许多学者对航空电子系统的重构技术进行了研究。研究重点包括重构过程中如何对系统资源进行分配,确保满足系统的功能性能需求和安全性等质量属性要求；系统重构模型的建立及验证方法[5-7]。但对于降低重构过程对于系统运行的影响及降低重构过程的资源开销方面还有待于进一步研究。
航空电子系统重构的核心在于机载网络的重构,目前的重构技术,需要重新配置节点通信表,对机载网络重新进行初始化,网络节点在系统重构过程中需要重新上下网。系统的重构流程复杂、系统开销大、重构时间长。本文针对传统重构技术存在的不足提出了基于数据订阅与分发技术的系统重构方案。
1研究背景
综合化模块化航空电子系统由可更换的LRM模块组成,其中有网络交换模块、图形图像模块、输入输出模块、数据处理模块、电源模块和大容量存储模块,模块之间通过高速的机载总线相连。网络交换模块和各模块的网络节点卡,组成了系统的通信网络,为系统提供数据通信服务。如图1所示。
机载网络负责完成系统内部各模块之间及与外部设备之间的数据通信。当前机载网络多采用静态网络,通过配置表完成网络配置,消息ID、源地址、目的地址静态设定,系统初始化时,根据通信表配置信息完成网络初始化,为各节点分配通信资源[8-10]。当系统出现故障时,故障节点需进行故障静默,不再参与系统通信,备份节点运行故障节点的应用功能,参与系统通信,该过程通过系统重构完成。
因此系统重构过程的核心为机载网络重构,目前传统的机载网络重构技术包括[11-16]：
（1）各网络节点重新加载通信表,重新对机载网络进行初始化,重构过程网络节点需要重新上下网,系统重构流程复杂,重构时间长。
（2）通过网络交换机的端口映射完成机载网络重构,该方法不需要各网络节点重新进行网络初始化,但需要网络交换机提供额外的资源开销。
本文针对上述问题提出了一种基于数据订阅与分发技术的系统重构技术。采用静态网络动态配置的方式,提高数据传输的灵活性。系统重构通过动态订阅与分发技术重新建立通信路由,无需重新初始化机载网络。
2静态网络规划
基于数据订阅与分发技术的系统重构设计,需进行系统的静态网络规划。系统初始化时构建最小规模的底层物理网络拓扑,每个网络终端向另一网络终端发送的所有主图（Topic）共用一个底层消息（MsgID）,每个网络终端规划一条广播消息用于系统动态发现,数据发送拓扑图如图2所示,数据接收拓扑图如图3所示,建立通信表如表1和表2所示。
系统初始化时根据通信表完成网络初始化,并分配资源。
3动态配置策略
基于数据订阅与分发技术的系统重构设计,采用动态配置策略,动态建立通信路由,当通信节点出现故障时,无需重新加载通信表对网络节点重新进行初始化,避免了对正常节点通信的影响。
动态配置策略如下：
（1）系统采用数据订阅与分发服务软件（DSS）进行数据订阅与分发,实现数据发送与接收的隔离；
（2）系统初始化阶段动态建立Topic-MsgID映射关系如表3所示；
（3）系统采用单播消息实现终端-终端的数据传输,采用广播消息用于动态发现,建立Topic与MsgID的映射关系；
（4）终端-终端的所有主题共用同一MsgID；
（5）发送端应用软件通过DDS软件进行Topic分发,DDS软件根据构建的Topic-MsgID映射关系完成消息发送。
（6）接收端DDS软件解析收到的消息,根据订阅关系将收到的Topic提交到对应的缓冲区。
数据订阅与分发流程如图4所示。
4系统重构策略
基于数据订阅与分发技术的系统重构设计,通过系统通用管理软件（GSM）进行故障检测,并根据故障处理策略进行系统重构。当通信节点出现故障时,通过切换系统运行方案完成系统重构,系统重构流程如下,具体流程图如图5所示。
（1）IA级GSM软件通过FaultReport消息内容检测到某节点任务故障；
（2）IA级GSM软件经重构决策后,通过SendEvent消息向各个模块广播新的方案号；
（3）各节点RE级GSM软件通过SendEvent消息,获取IA级GSM软件发送的新的方案号,并根据方案表判断自身是否进行重构或者静默,若是则进行重构进行步骤（6）～（7）,若是静默则进行步骤（4）,若是正常则进行步骤（5）；
（4）故障节点主动进入静默状态,卸载节点的所有配置、关闭端口；
（5）正常节点修改本地方案号,保持全局唯一,并且填写到心跳包中,发送IAmAlive消息；
（6）备份节点的RE分区应重新加载本地运配置蓝图、切换分区调度,运行分区；
（7）备份节点的RE级GSM软件填写心跳包,并发送IAmAlive消息；
（8）IA级系统管理接着向FC网络交换机发送重构消息,命令FC网络交换机切换配置表,并将故障节点的端口关闭；
（9）IA级GSM软件检测所有的正常节点心跳包内的方案号是否一致,如果一致则停止发送新方案号；
（10）IA级GSM软件将重构事件和重构时间记录到本地NVRAM,并通过机载网络发送至DLR记录。
5分析与结论
基于数据订阅与分发技术的系统重构设计,适用于系统故障重构和功能重构等多种重构模式。
采用该技术进行系统重构相比传统重构策略具有明显有点：
（1）通信节点不需要重新加载通信表；
（2）通信节点不需要重新进行网络初始化；
（3）重构过程通信节点不需要重新上下网；
（4）网络交换机不需要重新进行端口映射；
（5）不需要额外的系统资源开销；
（6）经实际测试系统重构时间不大于到250ms,相比传统重构策略,重构速率提升100%。
6结语
本文分析了目前航空电子系统重构策略的不足,研究了基于数据订阅与分发技术的系统重构技术,提出了静态网络动态配置的方案,简化了系统重构流程,降低了系统开销。但本文并未针对静态网络规划及动态配置策略进行具体研究,而网络规划及配置策略对系统通信至关重要,是下一步的研究重点。
参考文献
[1]Blikstad M,Karlsson E,Loow T,et al.An optimisation approach for pre-runtime scheduling of tasks and communication in an integrated modular avionic system[J].Optimization and Engineering,2018,19(4):977-1004.
[2]Usach H,Vila J A,Torens C,et al.Architectural design of a safe mission manager for unmanned aircraft systems[J].Journal of Systems Architecture,2018,90(SI):94-108.
[3]Hao R,Haiyong D,Desheng X,et al.Model based interaction hazards analysis ofintegrated modular avionics system[C].18th IEEE International Conference on Communication Technology(IEEE ICCT),Chongqing,IEEE,2018:1440-1444.
[4]Cilden E,Gultekin E,Poyraz D,et al.A generic distributed architecture to integrate simulated participants with modular avionics[C].22nd IEEE/ACM International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications(DS-RT),Madrid,IEEE/ACM,2018:222-223.
[5]张潇.基于模型驱动的IMA资源安全分配与验证方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2016.
[6]邢舟.基于模型的IMA资源配置安全性分析与研究[D].南京:南京航空航天大学,2015.
[7]陈龙.IMA重配置策略和重配置的安全性分析方法研究[D].南京:南京航空航天大学,2015.
[8]Singh A,DSouza M,Ebrahim A.Formal verification of datarace in safety critical ARINC653 compliant RTOS[C].2018 International Conference OnAdvances In Computing,CommunicationsAnd Informatics(ICACCI),Bangalore,IEEE,2018:1273-1279.
[9]Tianshu C,Xiaoguang H,Guofeng Z.Implementation of data distribution service interface based on ARINC653 system[C].2018 13th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications(ICIEA),Wuhan,IEEE,2018:428-432.[10]Luettig B,Annighoefer B,Reichel R.A service provisioning layer enabling simplex-minded function development on integrated modular avionics hardware[C].IEEE/AIAA 37th Digital Avionics Systems Conference(DASC),London,IEEE,2018:924-932.
[11]Seeling K.Reconfiguration in an integrated avionics design[C].15th AIAA/IEEE Digital Avionics Systems Confe rence(DASC),Atlanta,IEEE,1996:471-478.
[12]Hongchun W,Wensheng N.A Review on Key Technologies of the Distributed Integrated Modular Avionics System[J].International Journal of Wireless Information Networks,2018,25(3):358-369.
[13]Claudio Z,Giulia R,Simone M,et al.Active and passive cooling technologies for thermal management of avionics in helicopters:Loop heat pipes and mini-Vapor Cycle System[J].Thermal Science and Engineering Progress,2018,5:107-116.
[14]Jeff L,Brian S,Rick S.Fiber Optic Communication within the F-35 Mission Systems[C].IEEE Conference Avionics Fiber-Optics and Photonics,Annapolis,IEEE,2006:12-13.
[15]Rui L.The Development Trend of Integrated Electronic System for Ground Combat Platform[C].2018 11th International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation(ICICTA),Changsha,IEEE,2018:246-250.
[16]Benjamin F J,Lee P,Srivatsan V,et al.Language for Unified Verification and Implementation for Distributed Avionics[J].Journal ofAerospace Information Systems,2018,15(11):640-664.
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