唐法榮，劉宇

(中電科航空電子有限公司，成都 611731)

1 引言

近年來，動態(tài)重構(gòu)逐漸成為航空電子領(lǐng)域的一項炙手可熱的新興技術(shù)。該技術(shù)以高速交換技術(shù)為基礎(chǔ)，通過軟硬件冗余備份、資源再分配、應(yīng)用功能再造等技術(shù)手段，防止航電系統(tǒng)全部或部分應(yīng)用功能失效，確保即使在故障存在的條件下系統(tǒng)仍能按需安全工作，從而極大地降低航電系統(tǒng)生命周期費用，提高可靠性，增加飛機的可派遣能力。

在國外航空界，動態(tài)重構(gòu)主要用于軍事領(lǐng)域。在經(jīng)典的四代航空電子系統(tǒng)演變中，第三代綜合化航空電子結(jié)構(gòu)已經(jīng)具備動態(tài)重構(gòu)雛形;在第四代綜合化航空電子結(jié)構(gòu)中，動態(tài)重構(gòu)已達到較高水平，重構(gòu)更為徹底，已經(jīng)延伸到射頻前端。在國內(nèi)，動態(tài)重構(gòu)研究主要集中在軍航領(lǐng)域，由于該專業(yè)具有極強的保密性，相關(guān)信息很難在公開刊物上發(fā)現(xiàn)。在民機領(lǐng)域，國內(nèi)真正啟動民用大飛機項目在2008年前后，系統(tǒng)開展民機航電系統(tǒng)研究的歷史相當短，從事民機動態(tài)重構(gòu)技術(shù)研究的科研單位則更少。在工信部“基于SCA的CNS系統(tǒng)頂層設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究”項目驅(qū)動下，本文將以動態(tài)重構(gòu)算法為中心對民機CNS系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)的基本原理、動態(tài)重構(gòu)設(shè)計及其關(guān)鍵品質(zhì)設(shè)計等方面進行較為深入的探討。

2 CNS系統(tǒng)概覽

通信導(dǎo)航監(jiān)視(CNS)系統(tǒng)是民用飛機航空電子系統(tǒng)的重要組成部分。通信子系統(tǒng)完成機內(nèi)和機外話音及數(shù)據(jù)通信，包括甚高頻(VHF)數(shù)據(jù)/話音通信、高頻(HF)數(shù)據(jù)/話音通信、衛(wèi)星通信(SATCOM)數(shù)據(jù)/話音通信、機內(nèi)通話、音頻綜合、選擇呼叫(SELCAL)、調(diào)諧控制、應(yīng)急通信等多種功能。

導(dǎo)航子系統(tǒng)功能作用于民航客機起飛、巡航和進近著陸各個階段，保障飛機安全航行。導(dǎo)航子系統(tǒng)包含 VOR、DME、ILS、GPS、ADF、RA 等設(shè)備。

監(jiān)視子系統(tǒng)主要為飛機提供周邊環(huán)境感知能力，作為航電系統(tǒng)主要傳感器和信息源之一，包括氣象回避、機載防撞、航管應(yīng)答與增強近地告警功能。

3 動態(tài)重構(gòu)基本原理

動態(tài)重構(gòu)是以開放、標準和模塊化的IMA硬件平臺為基礎(chǔ)，CNS系統(tǒng)除對信號處理、信息處理、圖像處理部分電路進行模塊化設(shè)計外，還把IMA設(shè)計思想進一步擴展，對系統(tǒng)所用射頻(RF)、中頻(IF)電路亦進行模塊化抽象，將其統(tǒng)一設(shè)計為通用功能模塊(CFM)，安裝在一起，構(gòu)成如圖1所示的硬件平臺。

圖1 CNS系統(tǒng)IMA平臺Fig.1 The IMA platform of CNS system

圖1中具有不同基礎(chǔ)功能的通用模塊在加載并運行指定功能的應(yīng)用程序之后，經(jīng)過交換矩陣或者網(wǎng)絡(luò)總線進行互聯(lián)，形成系統(tǒng)內(nèi)的通信、導(dǎo)航、監(jiān)視等應(yīng)用功能。當某通用功能模塊或應(yīng)用程序故障時，按照動態(tài)重構(gòu)算法在系統(tǒng)中選擇合適備用模塊和應(yīng)用程序鏡像，然后在網(wǎng)絡(luò)交換模塊支持下，根據(jù)重構(gòu)策略數(shù)據(jù)庫中的預(yù)定義過程，替代已發(fā)生故障功能模塊或應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)。圖2是動態(tài)重構(gòu)原理框圖。

圖2 動態(tài)重構(gòu)原理框圖Fig.2 Block diagram of dynamic reconfiguration

觸發(fā)系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)的條件包括4種:應(yīng)用模式改變(飛行機組人員觸發(fā));故障/錯誤(系統(tǒng)內(nèi)故障管理功能觸發(fā));綜合測試與維護(地勤維護人員觸發(fā));系統(tǒng)初始化與關(guān)閉(電源)。

系統(tǒng)上電，執(zhí)行一系列預(yù)定動作后，開啟動態(tài)重構(gòu)及其他系統(tǒng)管理程序，進入系統(tǒng)缺省狀態(tài)，形成初始配置。此時，飛行機組人員可根據(jù)不同飛行階段(滑行、爬升、巡航、下降、降落)任務(wù)情況確定使用不同的通信導(dǎo)航監(jiān)視功能，并把應(yīng)用需求通知到“動態(tài)重構(gòu)管理”，激勵其產(chǎn)生動態(tài)重構(gòu)。

系統(tǒng)初始化完成后就已啟動健康監(jiān)控功能。在工作過程中的任何時刻，倘若檢測到應(yīng)用功能故障，即刻驅(qū)動“動態(tài)重構(gòu)管理”模塊執(zhí)行動態(tài)重構(gòu)。

結(jié)束飛行任務(wù)后，飛行機組人員人工觸發(fā)系統(tǒng)關(guān)閉信號，通知“動態(tài)重構(gòu)管理”模塊保存必要信息，釋放所有軟硬件資源，最后關(guān)閉電源。

“綜合測試與維護”用于模擬“故障”和“應(yīng)用模式改變”觸發(fā)動態(tài)重構(gòu)管理功能，方便系統(tǒng)在地面按需回放各種動態(tài)重構(gòu)場景。

4 動態(tài)重構(gòu)設(shè)計

4.1 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是健康監(jiān)控及進一步實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)的前提和基礎(chǔ)，其設(shè)計產(chǎn)物是通用功能模塊。作為動態(tài)重構(gòu)的基本單位之一，CNS系統(tǒng)內(nèi)的通用功能模塊種類多達8種，因此模塊化設(shè)計是否成功很大程度上決定了系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)管理的成敗。模塊化設(shè)計本身極其抽象，兼具主客觀各種因素，有相當?shù)碾y度，需要全面衡量諸如模塊類型、功能粒度、處理能力、存儲能力、技術(shù)透明性、互操作性、可生產(chǎn)性、可配置性、擴充能力、維護性、容錯性、公共服務(wù)等諸多要素，并最終在這些不同要求之間獲得平衡或折衷。

借用軟件設(shè)計中面向?qū)ο笏枷?，?種通用功能模塊的共同點逐一分析，將差異做進一步封裝，同時結(jié)合ASAAC建議［1］，形成如圖3所示原理圖。

圖3 通用功能模塊原理圖Fig.3 Block diagram of CFM

通用功能模塊由電源單元、模塊支持單元、處理單元、數(shù)據(jù)分發(fā)單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元以及模塊物理接口組成。

電源單元:轉(zhuǎn)換標準背板電壓為模塊所需電壓，并對電源電壓濾波。

模塊支持單元:存儲模塊標識信息，引導(dǎo)通用功能模塊初始化，本地監(jiān)控及配置應(yīng)用功能。

處理單元:在模塊支持單元協(xié)調(diào)控制下，處理單元運行特定可執(zhí)行代碼，實現(xiàn)系統(tǒng)賦予的應(yīng)用功能。一般為通用處理器、信號處理器、圖形處理器、大容量存儲器，甚至是射頻或中頻處理電路。

數(shù)據(jù)分發(fā)單元:負責模塊內(nèi)各單元間數(shù)據(jù)分發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)接口單元:與外部網(wǎng)絡(luò)互連，根據(jù)系統(tǒng)策略，可采用FC、RapidIO、Gbit以太網(wǎng)等通信手段。

模塊物理接口:通過接插件安裝入機箱背板。

4.2 系統(tǒng)狀態(tài)遷移

與普通民機航空電子設(shè)備需要認證一樣，具有重構(gòu)能力的CNS系統(tǒng)亦不例外，所以提供動態(tài)重構(gòu)可預(yù)期證據(jù)顯得異常重要，期望系統(tǒng)在任何時候狀態(tài)始終是確定的。有鑒于此，設(shè)計者希望知道系統(tǒng)到底有多少種系統(tǒng)狀態(tài)。注意到系統(tǒng)狀態(tài)是系統(tǒng)配置的一一映射，換言之，可通過計算系統(tǒng)配置數(shù)量確定的狀態(tài)。

由于系統(tǒng)配置與系統(tǒng)中應(yīng)用功能種類、各種通用功能模塊的備份數(shù)量密切相關(guān)，為簡化計算模型，假定:

(1)CNS系統(tǒng)使用射頻、中頻、信號處理、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)交換、電源和大容量存儲模塊;

(2)電源模塊能持續(xù)其他通用功能模塊供電，其持續(xù)性由電源模塊上的特殊電路設(shè)計保證;

(3)網(wǎng)絡(luò)交換模塊能保證其他通用功能模塊自由互連;

(4)通用模塊能夠從大容量存儲模塊無障礙獲取各種數(shù)據(jù);

(5)每種應(yīng)用均使用射頻、中頻、信號處理、數(shù)據(jù)處理、圖像處理模塊，其數(shù)量分別為 m、n、j、k、l;

(6)系統(tǒng)提供c種應(yīng)用功能。

射頻模塊數(shù)量為m，能夠為c種應(yīng)用服務(wù)，考慮到同類模塊標識等信息的不同，因此選法有Pcm種。同理中頻模塊選法有pcn種，信號處理模塊有pcj種，數(shù)據(jù)處理模塊有pck種，圖形處理模塊有pcl種，運用乘法原理得到系統(tǒng)配置數(shù)為

考慮到工程實際，c不應(yīng)超過 m、n、j、k、l的最小者，即滿足

式(1)是一種較理想狀況下的計算，工程應(yīng)用中通常存在以下限制:

限制1:射頻模塊分為x類，各類數(shù)量分別為m1、m2、m3、…mx，服務(wù)應(yīng)用功能數(shù)量按類分別為Rc1、Rc2、Rc3、…Rcx;

限制2:中頻模塊分為y類，各類數(shù)量分別為n1、n2、n3、…ny，服務(wù)應(yīng)用功能數(shù)量按類分別為 Ic1、Ic2、Ic3、…Icy;

限制3:cG(cG＜c)種應(yīng)用功能在CNS系統(tǒng)中會使用圖像處理模塊。需要射頻模塊有x'類，各類數(shù)量分別為 m1、m2、m3、…mx';需要中頻模塊有 y'類，各類數(shù)量分別為 n1、n2、n3、…ny'。

在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)改為

系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)就意味著系統(tǒng)狀態(tài)遷移，觸發(fā)系統(tǒng)重構(gòu)的事件包括加電、掉電、任務(wù)模式改變、故障、測試維護，其中任務(wù)模式改變與飛機飛行剖面的起飛(P1)、爬升(P2)、巡航(P3)、下降(P4)、著陸(P5)密切相關(guān)?？紤]到測試與維護是任務(wù)模式改變和故障驅(qū)動重構(gòu)的地面演練，如圖4給出了有限狀態(tài)機示意圖。

圖4 CNS系統(tǒng)狀態(tài)遷移圖fig.4 State transition graph of CNS system

限于篇幅，圖4沒有畫出所有狀態(tài)，但這并不改變該圖為有限狀態(tài)圖的本質(zhì)，原因在于CNS系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用功能和通用功能模塊數(shù)量均是有限的，必然存在一種方法總能以應(yīng)用功能為索引有限次遍歷和覆蓋所有通用功能模塊。

4.3 動態(tài)重構(gòu)算法設(shè)計

動態(tài)重構(gòu)算法設(shè)計的核心目的是解決資源初次分配及再分配問題，由資源備份式算法和資源搶占式算法組成。顧名思義，前一種算法在重構(gòu)過程中使用系統(tǒng)備份資源，后一種算法在重構(gòu)過程中使用從其他低優(yōu)先級應(yīng)用功能剝奪的系統(tǒng)資源，后者是前者的延續(xù)和補充。系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu)過程優(yōu)先使用資源備份式算法，在備份資源不能滿足重構(gòu)需求時使用資源搶占式算法。

圖5是動態(tài)重構(gòu)算法的頂層描述，電源“上電”驅(qū)動系統(tǒng)工作在缺省狀態(tài)并根據(jù)上電自檢情況填寫系統(tǒng)資源表信息。工作中，如果任務(wù)模式發(fā)生改變，應(yīng)將新任務(wù)中不再使用的資源釋放;如果故障發(fā)生，應(yīng)確定是否當前工作在缺省狀態(tài)，在缺省狀態(tài)下資源故障不需要引發(fā)動態(tài)重構(gòu)。無論是改變?nèi)蝿?wù)模式還是故障引起的重構(gòu)，均首先判斷資源是否足夠，資源充足則執(zhí)行備份式重構(gòu)，反之執(zhí)行搶占式重構(gòu)，然后等待下一次重構(gòu)事件。系統(tǒng)任何時候接收到“掉電”事件，均立即執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)閉處理。關(guān)于備份式重構(gòu)更詳細的設(shè)計信息見圖6，搶占式重構(gòu)更詳細的設(shè)計信息見圖7。

圖5 動態(tài)重構(gòu)算法頂層設(shè)計Fig.5 The top－level design of dynamic reconfiguration algorithm

圖6 備份式算法流程Fig.6 The process of backup algorithm

圖7 搶占式算法流程Fig.7 The process of preemptive algorithm

一般而言，模式改變引起的重構(gòu)會導(dǎo)致新增多個應(yīng)用功能的需求，而故障引起的重構(gòu)僅導(dǎo)致局部通用功能模塊資源甚至僅是通用功能模塊上處理單元的需求，在備份式算法中，把故障和模式改變引起的申請統(tǒng)一到資源級，并最終以重構(gòu)資源需求表的形式體現(xiàn)，這樣可極大地簡化后續(xù)資源申請的實現(xiàn)。對于搶占式算法，因模式改變和故障觸發(fā)引發(fā)的資源分配需求差異巨大，為使設(shè)計邏輯更簡潔清晰，對兩者進行分類處理。

5 關(guān)鍵品質(zhì)考慮

5.1 可用性

可用性(Usability)是產(chǎn)品的基本自然屬性［2］，是最終用戶使用產(chǎn)品的可用程度，在產(chǎn)品和用戶的相互作用中體現(xiàn)，其基本評價指標是效率、滿意和安全?？捎眯栽诓煌瑢I(yè)領(lǐng)域，評價的參數(shù)和指標不完全相同，不存在絕對適用標準。對于機載CNS系統(tǒng)動態(tài)重構(gòu):

(1)精心設(shè)計飛行操作過程，使操作者把感知和思維集中在任務(wù)，不必分心考慮如何把自己的任務(wù)轉(zhuǎn)換成計算機可識別的方式和過程;

(2)模仿傳統(tǒng)多功能顯示、無線電調(diào)諧單元、音頻控制面板、告警控制面板操作，把動態(tài)重構(gòu)這種物理和概念上的變化對操作者屏蔽;

(3)操作界面友好，即使沒有較深通信導(dǎo)航監(jiān)視專業(yè)知識，操作者也能理解人機界面結(jié)構(gòu)與圖標含義，尤其針對應(yīng)急情況提供“一鍵操作”能力。

5.2 可靠性

可靠性(Reliability)是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力［3］。從專業(yè)角度來看，可靠性越高，意味著平均故障間隔時間(MTBF)越長。提升CNS系統(tǒng)的可靠性除采用資源備份手段外，還可以在硬軟件設(shè)計方面挖掘潛力。在硬件設(shè)計方面，價格相同情況下，選擇性能指標占優(yōu)元器件;設(shè)計過程中，全面使用可靠性預(yù)計/分配、降額、熱設(shè)計、EMC設(shè)計、安全設(shè)計等手段。在軟件設(shè)計方面，采用 VxWorks653、Intigrity－178、LynuxOS－178等安全等級更高的操作系統(tǒng)，對關(guān)鍵應(yīng)用實施分區(qū)隔離，變動態(tài)重構(gòu)集中管理為分布式管理;以更苛刻的軟件開發(fā)標準，比如DO－178C或NASA－STD－8719.13B來指導(dǎo)軟件開發(fā)，用更加嚴格的目標和過程來規(guī)范軟件開發(fā)活動［4］，從而達到提高軟件乃至系統(tǒng)可靠性目的。

5.3 維護性

維護性(Maintainability)是在給定條件下使用預(yù)定規(guī)程和資源進行維護時，設(shè)備保持在或恢復(fù)到執(zhí)行要求功能狀態(tài)的能力［5］。在CNS系統(tǒng)中，通過上電自檢、周期自檢以及啟動自檢為系統(tǒng)提供全方位故障診斷覆蓋，在此基礎(chǔ)上獲得故障快速定位和隔離。此外，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，大大降低模塊種類，易識別易記憶。不僅如此，系統(tǒng)結(jié)合動態(tài)重構(gòu)特點，增加特有的綜合測試與維護功能，快速重現(xiàn)飛行中出現(xiàn)的重構(gòu)過程，更全面地改善維護性能。

6 算法仿真驗證

CNS動態(tài)重構(gòu)算法使用Matlab Simulink 7.8.0.347 仿真算法邏輯，人機界面使用 LabWindows 2010編程展示，分別部署于不同計算機，兩者之間基于UDP/IP以太網(wǎng)互連，使用上/下位機模式。圖8是Simulink使用射頻、中頻、信號處理、數(shù)據(jù)處理原型模塊建立的算法頂層模型，圖中4個重構(gòu)模型的子模型沒有進一步示出。

圖8 算法仿真頂層模型Fig.8 Algorithm simulation top model

建模完成后，按照任務(wù)模式和故障狀態(tài)準備所有場景并依次輸入仿真模型。圖9是假定系統(tǒng)最多同時具備10種應(yīng)用功能，每種應(yīng)用功能需要射頻、中頻、信號處理、信息處理模塊資源，每種功能模塊備份2塊，在系統(tǒng)初始狀態(tài)時所有功能模塊均正常的情況，執(zhí)行場景:“應(yīng)用功能3”的射頻模塊和數(shù)據(jù)處理模塊故障，“應(yīng)用功能5”的數(shù)據(jù)處理模塊故障之后，仿真界面顯示的模塊使用以及應(yīng)用功能狀態(tài)情況。需要說明的是，場景數(shù)量取決于系統(tǒng)中應(yīng)用功能數(shù)量以及為每種應(yīng)用功能配備的模塊數(shù)量。

圖9 仿真界面Fig.9 Simulation interface

實際的工程系統(tǒng)是有界的，所以其應(yīng)用場景數(shù)量也是有限的?；诖?，采用歸類有限窮舉模式，枚舉出該系統(tǒng)下的所有場景，用腳本語言對其進行描述，并逐一把這些場景驅(qū)動運行在服務(wù)器上的動態(tài)重構(gòu)仿真模型，仿真模型在接收到重構(gòu)指令后根據(jù)模型自身邏輯進行信號和數(shù)據(jù)處理流程，輸出仿真結(jié)果，周而復(fù)始，直至所有場景被全部執(zhí)行。仿真驗證情況表明，仿真結(jié)果完全符合算法對資源選擇的理論預(yù)期。

7 結(jié)束語

動態(tài)重構(gòu)是一項非常有意義的工程應(yīng)用研究課題，覆蓋系統(tǒng)、硬件、軟件甚至機械、電氣等諸多技術(shù)層面。本文介紹了動態(tài)重構(gòu)基本原理、動態(tài)重構(gòu)所關(guān)注的設(shè)計要素以及在此基礎(chǔ)上構(gòu)建的動態(tài)重構(gòu)算法，這些思路或方法對可重構(gòu)系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。但是，實際系統(tǒng)還需要根據(jù)具體邊界和限制條件適當調(diào)整。

關(guān)于動態(tài)重構(gòu)，還有很多工作需要繼續(xù)深入開展，比如大功率電路交換、動態(tài)重構(gòu)算法完善、樹狀管理、以重構(gòu)為目標的模塊化設(shè)計等。故障管理雖不是動態(tài)重構(gòu)組成部分，但其輸出結(jié)果的置信度卻直接關(guān)系動態(tài)重構(gòu)成敗，作為技術(shù)延伸，故障管理研究也是重要努力方向。另外，動態(tài)重構(gòu)對適航認證帶來的挑戰(zhàn)必須引起足夠重視。

［1］Allied Standard Avionics Architecture Council.Modular and Open Avionics Architectures［M］.Brussels:NATO，2004.

［2］Nielsen J.可用性工程［M］.劉正捷，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2004.Nielsen J.Usability Engineering［M］.Translated by LIU Zheng－jie.Beijing:China Machine Press，2004.(in Chinese)

［3］曾聲奎.可靠性設(shè)計與分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2011.ZENG Sheng－kui.Design and analysis of reliability［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2011.(in Chinese)

［4］SC－205，Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification［S］.

［5］呂川.維修性設(shè)計分析與驗證［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.LV Chuan.Design analysis and verification of maintenance［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2012.(in Chinese)