基于開放式架構的飛機機電管理系統

羅德杰，蔡 明，薛昭洋

(1.航空工業西安航空計算技術研究所,陜西 西安 710068;2.空裝駐西安地區第六軍事代表室,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,計算能力和網絡帶寬等軟硬件技術的快速發展以及通用質量特性要求的不斷提高,使機載產品的功能需求越來越多,導致機載電子系統的規模及復雜度日益增加,由此給系統的設計、開發、驗證、優化及維護帶來了巨大挑戰。

在傳統架構中,若系統架構特征在設計之初就未考慮充分,則會導致后期暴露出不可逆的缺點,如:

1) 當需傳輸的機載信息隨技術需求不斷增多時,傳統架構的機載電子系統的低速率,低帶寬等局限性日益顯露。

2) 傳統結構的機載電子系統往往以外場可更換單元(LRU)為基礎,且LRU的型號各不相同,無法相互替換,導致系統硬件資源的容錯率及復用率不高。

3) 傳統結構的機載電子系統一般是通過增加滿足不同功能需求的子系統或設備來實現增加系統數據吞吐能力以及系統處理能力,而這則矛盾于系統對重量、體積以及功耗的要求。

4) 傳統結構的機載電子系統的通用質量特性也相對受系統架構的局限性影響,而這也對飛機機載電子系統的研制和發展起到了直接影響。

而以上缺點意味著需要新的架構以及標準來取代傳統架構的機載電子系統來滿足未來飛機相關的需求。

開放式架構采用的是廣泛應用、開放的接口標準,統型化、單一化的基礎機載產品設計,對基礎產品的接口進行全面定義,使得軟硬件可移植,系統架構更靈活,同時縮短了系統開發周期,因此成為系統設計與開發領域研究的一個發展方向[1]。其優點包括:

1) 系統的硬件和軟件資源復用率高,基礎設備可根據所處位置不同,以需求為導向進行資源配置,即在基礎產品的接口資源、功能性能上進行剪裁或增加,避免重復開發問題。

2) 系統的接口資源豐富、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、不同需求的機載設備配置。

由于應用環境的特殊,強實時、高可靠性是機載電子系統必須具備的特性。隨著機載設備智能化、數字化程度的不斷提高,以及對開放式機載機電系統架構標準的深入研究,對開放式系統的概念也賦予了更多的要求。它是對新系統開發以及現有系統改進的綜合技術策略,其更關注于接口標準開放、模塊化、硬件獨立化及軟件通用化的系統設計[2]。

1 開放式架構機電系統組成

1.1 系統硬件架構

本文中描述的基于開放式體系架構的機電綜合管理系統硬件由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之間進行數據信息的收集及命令的下達,并形成樹型架構,數據共享的實現則是由兩通道之間的交叉通道數據鏈(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的核心,主要功能是網絡的管理和機電系統信息的處理。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與航電系統的信息交互。每臺RIU的硬件構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,主要職責是遠程數據采集和指令執行,如各類傳感器信號,同時進行本地節點自檢測,將檢測結果上報給EMCP。

圖1 開放式架構機電系統硬件架構

1.2 系統功能劃分

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顯示,并接收燃油、液壓、火警等系統的工作數據以及維護自檢等指令信號;

3) 接收和發送航空電子系統的相關信息,并將其發送給飛參系統記錄;

4) 對雙余度資源進行管理和調度。

1.2.2 遠程接口單元

1) 通過模擬、數字、總線等接口,接收各類機上電源、燃油、液壓、傳動動力、滅火、環控、照明與告警等機電數據,并與其進行數據交互;

2) 根據需求,通過機載常用的總線與EMCP進行信息交互,將接收的機電系統數據進行上傳;

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,采集處理單機所負責的機電系統信息。

1.3 系統工作策略

在設備正常運行時,處于空中模式,EMCP的A、B兩通道采用并行工作機制,從各RIU中接收的數據則通過CCDL互傳,實現數據的共享與對比。此系統雙余度的數據采信原則如下:

◆當兩通道數據相同且周期自測試結果正常時;當兩通道數據不同,但周期自測試結果正常時;當兩通道數據不同,B通道周期自測試結果不正常時; 均采信A通道數據。

◆當兩通道數據不同,A通道周期自測試結果不正常時,采信B通道數據。

◆當兩通道數據不同,且兩通道周期自測試結果均不正常時,A、B通道數據均不采信。

此雙余度系統的特點是:

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

2) 若兩通道數據不能實現共享與對比,比如CCDL失效時,此時直接采信A通道數據,機電綜合管理系統亦可不受影響,繼續工作。

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,拼湊完整數據,使機電綜合管理系統正常工作。

4) 機電系統信號中優先級、重要程度較高的信號,可經RIU進行雙路或三路采集、控制,在RIU級進行余度配置,當某一RIU失效時,重要數據亦可由其他RIU進行采集處理,不影響飛行安全。

5) 當機電網絡中某一個節點出現故障時,通過網絡重構將故障節點屏蔽,其承擔的任務由網絡中其它節點承擔,進而實現系統的重構。在網絡節點內部采取多級容錯的方法實現功能模塊、節點的容錯策略。當節點內部出現故障時,保證節點在不中斷控制功能,不影響數據傳輸及飛行安全的情況下正常運行,故障功能模塊承擔的任務由冗余電路完成。

此基于開放式的硬件架構具有接口資源豐富、資源利用率高,基礎產品之間具有可替代性,系統余度管理能力出色且應用軟件易于移植等優點,為降低開發周期,提升經濟性以及通用質量特性提供了有效保障。

2 開放式機電管理系統關鍵技術

2.1 開放式架構機電管理綜合化技術

機電系統在飛機上分布廣泛,因此交互信號數量多、種類復雜是其一大特性。對飛機各功能需求進行歸納總結是實現機電系統的數據共享的前提,合理定義機電綜合管理系統的頂層需求,充分考慮并結合各系統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,促使機載產品的統型化,單一化[3]。

2.2 網絡節點通用化技術

網絡節點通用化技術研究是實現機電綜合管理系統節點通用化、系列化的基礎,主要通過網絡節點接口的通用標準、通信協議的標準,建立一種滿足機電系統要求的開放式通用網絡節點構型并形成網絡節點的系列化產品。

2.3 分布式處理

機電系統工作時需采集和處理機上各個部位,不同的網絡節點信號,且經常會出現同一任務在多個網絡節點中運行的情況。為了使各網絡節點之間協同工作,使用分布式軟件處理技術來實時響應機電系統內的信息交互,則可實現機電管理系統軟件運行覆蓋不同機電系統、不同控制任務的需求,突破機載研發軟件的單元提取、管理和集成等關鍵技術,形成面向機電領域的應用軟件通用環境。

3 結語

開放式架構將是未來各機載系統的主流方向,通過接口標準的制定,進一步提高機載設備的“三化”程度,特別是其標準化和通用化,從而達到提高機載電子系統經濟性、加快技術革新、增強飛機的作戰能力和適應性的目的。

以機電系統開放式架構而言,可以根據不同機型進行功能需求、交互對象的增補或裁剪,同時根據不同需求對網絡節點進行擴展,體現出開放性、擴展性,統一性等特性,這是開放式架構令人青睞的原因。它可服務于未來軍用及民用飛機的機電綜合設計工作,能夠進一步提升飛機平臺機電系統綜合化設計,實現機電系統功能高度綜合和靈活擴展,提高設備的通用化、系列化水平,提升我國機載設備的自主可控及創新能力,為未來型號的發展提供有力保障。