基于开放式架构的飞机机电管理系统

罗德杰，蔡 明，薛昭洋

(1.航空工业西安航空计算技术研究所,陕西 西安 710068;2.空装驻西安地区第六军事代表室,陕西 西安 710068)

0 引言

近年来,随着我国军、民用机型不断增多,功能不断细化,计算能力和网络带宽等软硬件技术的快速发展以及通用质量特性要求的不断提高,使机载产品的功能需求越来越多,导致机载电子系统的规模及复杂度日益增加,由此给系统的设计、开发、验证、优化及维护带来了巨大挑战。

在传统架构中,若系统架构特征在设计之初就未考虑充分,则会导致后期暴露出不可逆的缺点,如:

1) 当需传输的机载信息随技术需求不断增多时,传统架构的机载电子系统的低速率,低带宽等局限性日益显露。

2) 传统结构的机载电子系统往往以外场可更换单元(LRU)为基础,且LRU的型号各不相同,无法相互替换,导致系统硬件资源的容错率及复用率不高。

3) 传统结构的机载电子系统一般是通过增加满足不同功能需求的子系统或设备来实现增加系统数据吞吐能力以及系统处理能力,而这则矛盾于系统对重量、体积以及功耗的要求。

4) 传统结构的机载电子系统的通用质量特性也相对受系统架构的局限性影响,而这也对飞机机载电子系统的研制和发展起到了直接影响。

而以上缺点意味着需要新的架构以及标准来取代传统架构的机载电子系统来满足未来飞机相关的需求。

开放式架构采用的是广泛应用、开放的接口标准,统型化、单一化的基础机载产品设计,对基础产品的接口进行全面定义,使得软硬件可移植,系统架构更灵活,同时缩短了系统开发周期,因此成为系统设计与开发领域研究的一个发展方向[1]。其优点包括:

1) 系统的硬件和软件资源复用率高,基础设备可根据所处位置不同,以需求为导向进行资源配置,即在基础产品的接口资源、功能性能上进行剪裁或增加,避免重复开发问题。

2) 系统的接口资源丰富、能力较强,有出色的接口余度和余度管理能力,能适配不同机型、不同需求的机载设备配置。

由于应用环境的特殊,强实时、高可靠性是机载电子系统必须具备的特性。随着机载设备智能化、数字化程度的不断提高,以及对开放式机载机电系统架构标准的深入研究,对开放式系统的概念也赋予了更多的要求。它是对新系统开发以及现有系统改进的综合技术策略,其更关注于接口标准开放、模块化、硬件独立化及软件通用化的系统设计[2]。

1 开放式架构机电系统组成

1.1 系统硬件架构

本文中描述的基于开放式体系架构的机电综合管理系统硬件由1台双余度机电综合管理计算机(EMCP)和多台远程接口单元(RIU)组成。EMCP通过1394B总线或1553总线与各RIU之间进行数据信息的收集及命令的下达,并形成树型架构,数据共享的实现则是由两通道之间的交叉通道数据链(CCDL)完成,如图1所示。机电综合管理计算机EMCP是机电综合管理系统的核心,主要功能是网络的管理和机电系统信息的处理。EMCP通过1394B或1553总线的总线控制器,对多台RIU进行综合控制和管理,同时以航电总线端点的方式完成机电综合管理系统与航电系统的信息交互。每台RIU的硬件构成以及软件配置完全相同,通过机上线缆给出不同的机位信号识别后,进入不同的功能分区,主要职责是远程数据采集和指令执行,如各类传感器信号,同时进行本地节点自检测,将检测结果上报给EMCP。

图1 开放式架构机电系统硬件架构

1.2 系统功能划分

1.2.1 机电综合管理计算机

如果说安娜的所作所为破坏了一个家庭，那么她破坏的正是“摧残爱情、禁锢自由、灭杀个性”的俄国传统封建主义家庭。

1) 对RIU传送过来的信息进行处理,并将处理后的信息传送给RIU;

2) 将信息传送给航电系统显示,并接收燃油、液压、火警等系统的工作数据以及维护自检等指令信号;

3) 接收和发送航空电子系统的相关信息,并将其发送给飞参系统记录;

4) 对双余度资源进行管理和调度。

1.2.2 远程接口单元

1) 通过模拟、数字、总线等接口,接收各类机上电源、燃油、液压、传动动力、灭火、环控、照明与告警等机电数据,并与其进行数据交互;

2) 根据需求,通过机载常用的总线与EMCP进行信息交互,将接收的机电系统数据进行上传;

3) 通过软件配置机位识别,能正确确定自身所在位置及职责,采集处理单机所负责的机电系统信息。

1.3 系统工作策略

在设备正常运行时,处于空中模式,EMCP的A、B两通道采用并行工作机制,从各RIU中接收的数据则通过CCDL互传,实现数据的共享与对比。此系统双余度的数据采信原则如下:

◆当两通道数据相同且周期自测试结果正常时;当两通道数据不同,但周期自测试结果正常时;当两通道数据不同,B通道周期自测试结果不正常时; 均采信A通道数据。

◆当两通道数据不同,A通道周期自测试结果不正常时,采信B通道数据。

◆当两通道数据不同,且两通道周期自测试结果均不正常时,A、B通道数据均不采信。

此双余度系统的特点是:

1) EMCP在单通道因CPU、总线、二次电源等原因失效时,系统可使用另一通道数据,机电综合管理系统可不受影响,继续工作。

2) 若两通道数据不能实现共享与对比,比如CCDL失效时,此时直接采信A通道数据,机电综合管理系统亦可不受影响,继续工作。

3) 若A、B通道中各有不同部件或功能失效,则尽可能地通过两通道之间信息互补,拼凑完整数据,使机电综合管理系统正常工作。

4) 机电系统信号中优先级、重要程度较高的信号,可经RIU进行双路或三路采集、控制,在RIU级进行余度配置,当某一RIU失效时,重要数据亦可由其他RIU进行采集处理,不影响飞行安全。

5) 当机电网络中某一个节点出现故障时,通过网络重构将故障节点屏蔽,其承担的任务由网络中其它节点承担,进而实现系统的重构。在网络节点内部采取多级容错的方法实现功能模块、节点的容错策略。当节点内部出现故障时,保证节点在不中断控制功能,不影响数据传输及飞行安全的情况下正常运行,故障功能模块承担的任务由冗余电路完成。

此基于开放式的硬件架构具有接口资源丰富、资源利用率高,基础产品之间具有可替代性,系统余度管理能力出色且应用软件易于移植等优点,为降低开发周期,提升经济性以及通用质量特性提供了有效保障。

2 开放式机电管理系统关键技术

2.1 开放式架构机电管理综合化技术

机电系统在飞机上分布广泛,因此交互信号数量多、种类复杂是其一大特性。对飞机各功能需求进行归纳总结是实现机电系统的数据共享的前提,合理定义机电综合管理系统的顶层需求,充分考虑并结合各系统的资源需求和机体的位置等信息,将顶层需求逐层分解至各组成单元,将各功能进行开放式、分布式划分,促使机载产品的统型化,单一化[3]。

2.2 网络节点通用化技术

网络节点通用化技术研究是实现机电综合管理系统节点通用化、系列化的基础,主要通过网络节点接口的通用标准、通信协议的标准,建立一种满足机电系统要求的开放式通用网络节点构型并形成网络节点的系列化产品。

2.3 分布式处理

机电系统工作时需采集和处理机上各个部位,不同的网络节点信号,且经常会出现同一任务在多个网络节点中运行的情况。为了使各网络节点之间协同工作,使用分布式软件处理技术来实时响应机电系统内的信息交互,则可实现机电管理系统软件运行覆盖不同机电系统、不同控制任务的需求,突破机载研发软件的单元提取、管理和集成等关键技术,形成面向机电领域的应用软件通用环境。

3 结语

开放式架构将是未来各机载系统的主流方向,通过接口标准的制定,进一步提高机载设备的“三化”程度,特别是其标准化和通用化,从而达到提高机载电子系统经济性、加快技术革新、增强飞机的作战能力和适应性的目的。

以机电系统开放式架构而言,可以根据不同机型进行功能需求、交互对象的增补或裁剪,同时根据不同需求对网络节点进行扩展,体现出开放性、扩展性,统一性等特性,这是开放式架构令人青睐的原因。它可服务于未来军用及民用飞机的机电综合设计工作,能够进一步提升飞机平台机电系统综合化设计,实现机电系统功能高度综合和灵活扩展,提高设备的通用化、系列化水平,提升我国机载设备的自主可控及创新能力,为未来型号的发展提供有力保障。