考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法

摘要

本发明公开了一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，属于可靠性技术领域。本方法首先获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及其互连关系；其次确定航电系统的任务及其可靠性指标要求；然后对航电系统的各个任务分别基于网络结构，考虑重要度和复杂度进行可靠性分配，得到每个任务的部件可靠性分配值；接着联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为其选择最严格的分配值；最后依据任务可靠性指标要求为其他部件再次进行分配，得到最终分配结果。本发明方法可有效解决航电系统网络化结构导致传统可靠性分配方法难以应用的问题，且能满足航电系统多任务特性对可靠性分配的特定需求，适用于网络化结构航电系统的任务可靠性分配。

说明书

技术领域

本发明属于可靠性技术领域，具体涉及一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分 配方法。

背景技术

航空电子系统是飞机的重要组成部分，包含无线电通信、导航与识别、探测与电子对抗、 系统控制与管理等功能，通常涉及飞控系统、显示系统、通信导航系统、飞行管理系统、雷 达系统、火控系统、机载网络等多个航电子系统。最初的航空电子系统是分立式结构，信息 交换由点到点电缆完成。但由于设备不断增多，大量电缆的布线成为飞行器设计的瓶颈，分 立的系统显示和控制给飞行员造成了巨大的负担，航空电子系统走向联合式，通过 MIL-STD-1553B等总线型结构的机载网络将航电子系统连接到一起。随着新一代航空电子系 统提出了大容量、深层次的信号与信息综合的要求，机载互连手段从较低速率的总线向宽带 网络发展成为必然的趋势，现在航空电子系统又再次走向综合式，发展出AFDX等较为复杂 的网络化结构。

航空电子系统的可靠性对飞机至关重要，其故障是导致飞机紧急停场（AOG）的五大原 因之一。威斯康星州航空公司宣称，该公司近50%的AOG与航空电子系统有关；喷气时代 航空公司宣称，该公司将近30%的AOG与航空电子系统相关，多数故障均出现在交互式设 备上。在航空电子系统的可靠性工程中，可靠性分配是立项论证和方案设计阶段的重要工作， 需要将航空电子系统的任务可靠性指标科学合理地分配到各个子系统。

然而与其他飞机系统不同，如今的航空电子系统是一个网络化系统，航空电子系统通过 机载网络，对信息密集的航电子系统进行信息综合和功能综合。机载网络大都具有多路径冗 余特征，往往不能直接使用常规的可靠性框图模型对航电系统进行任务可靠性建模，因而惯 用于飞机的AGREE等可靠性分配方法无法直接应用于航电系统可靠性分配。同时，航电系 统具备多任务特征，不同任务中又包含同类部件，因此现有的网络可靠性分配方法也不能直 接应用于航电系统的任务可靠性分配。

发明内容

本发明的目的是为了解决网络化结构、多任务特征的航电系统难以进行任务可靠性分配 的问题，提出了一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法。本发明方法根据航 电系统的任务可靠性指标要求，应用网络可靠性代数算法（如容斥原理法）或蒙特卡洛仿真 法对每个任务子系统分别进行可靠度、重要度的解析计算或仿真，并通过启发式算法迭代得 出满足精度要求的部件可靠性分配值，再为多任务中存在的同类部件选择最严格的可靠性分 配值，对其他部件再次进行可靠性分配，得出航电系统的最终可靠性分配结果。

一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，包括如下步骤：

步骤一：获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及分配对象间的互连关系；

步骤二：确定航电系统的任务及任务可靠性指标要求；

步骤三：对航电系统的各个任务分别进行可靠性分配，得到部件可靠性分配值；

步骤四：联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为该类部件选择最严格的可靠 性分配值；

步骤五：将步骤四同类部件的可靠性分配结果作为已知条件，重新依据任务可靠性指标 要求为各任务中的剩余部件再次进行可靠性分配，得到最终分配结果。

本发明的优点与积极效果在于：

（1）本发明方法使用启发式算法解决了传统AGREE分配法难以解决的网络化结构可靠 性分配问题，并使用蒙特卡洛仿真解决了复杂的网络化结构难以获得整网可靠度与部件可靠 度函数关系的问题；

（2）本发明方法通过在每次分配中约束同类部件的可靠性参数为同一值，满足了航电系 统中普遍存在的同类部件需要分配相同可靠性参数值的需求；

（3）本发明方法根据航电系统多个任务可靠度要求分别进行可靠性分配，并对多任务中 的同类部件分配值进行权衡，再对其他部件重新分配，解决了航电系统多任务可靠性分配结 果间的协调问题。

附图说明

图1是本发明的航电系统任务可靠性分配方法的流程图；

图2是本发明实施例中AFDX（航空全双工式以太网）网络拓扑结构图；

图3是本发明实施例中AFDX任务1相关节点与链路拓扑结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提出一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，包括 如下步骤：

步骤一：获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及其互连关系。

根据航电系统构成，确定机载网络拓扑结构，明确需要进行任务可靠性分配的航电子系 统部件间的互连关系。

步骤二：确定航电系统的任务及其可靠性指标要求。

具体包括如下步骤：

步骤2.1，描述航电系统需要执行的M个任务，包括涉及的子系统，任务成功的判据， 以及任务可靠性指标要求；

步骤2.2，根据任务描述，得出各个任务相关节点与链路的拓扑结构图。

步骤三：对航电系统的各个任务分别进行可靠性分配，得到部件可靠性分配值。这里选 用的可靠性分配值是可靠度。

如图1所示，对于每个任务在步骤二中获得了该任务所涉及的拓扑结构图，分别根据如 下步骤3.1～步骤3.6对第1～M个任务进行可靠性分配。

步骤3.1，设第k个任务共包含n_k类部件，n_k为正整数；

令各类部件的初始重要度相同，即根据任务确定第i类部件最长工 作时间t_k,i，并根据部件所包含基本构成单元数量应用式(1)确定各类部件的复杂度C_k,i；

C_k,i＝n_k,i/N（i=1,2…,n_k）  (1)

其中，C_k,i为第k个任务中第i类部件的复杂度，N为参与第k个任务可靠性分配的所有 部件的基本构成单元总个数，n_k,i为第k个任务中第i类部件的基本构成单元个数。

步骤3.2，根据a_k,i＝C_k,i/(ω_k,it_k,i)计算出第k个任务中第i类部件的故障率系数a_k,i，其 中ω_k,i为第i类部件的重要度，令该任务中第i类部件的故障率λ_k,i＝a_k,iX，X为正数。由此 可得出第i类部件的可靠度R_k,i＝exp(-λ_k,it_k,i)＝exp(-a_k,it_k,iX)，i=1,2…,n_k。

应用二分搜索法求解：

Max X

约束为：

$R_k^{*}\le R_k$

X＞0

其中，为航电系统第k个任务规定的可靠度要求；R_k为第k个任务当前的可靠度，对 网络拓扑结构简单的任务，可通过状态枚举法、容斥原理、不交积和、因子分解等解析方法 确定航电系统任务可靠度与部件可靠度的函数关系对网络拓扑结构 复杂的任务，则需要通过基于蒙特卡洛的网络可靠性仿真得出R_k。

步骤3.3，根据步骤3.2得到的X最优值和当前各部件的重要度，更新各类部件的故障率 和可靠度。

更新的第i类部件的故障率λ′_k,i＝a_k,iX；

更新的第i类部件的可靠度R′_k,i＝exp(-λ′_k,it_k,i)。

步骤3.4，计算各类部件的重要度。

对步骤3.2中建立了航电系统可靠度与部件可靠度的函数关系的，根据式(2)计算第k个 任务中第i类部件的重要度ω′_k,i：

${\omega }_{k,i}^{\prime }={\partial R}_k/{\partial R}_{k,i}^{\prime }---\left(2\right)$

对步骤3.2中采用网络可靠性仿真方法计算R_k的，则根据仿真结果计算重要度，第k个 任务中第i类部件的重要度定义为：

步骤3.5，若是第一次迭代，则令ω_k,i＝ω′_k,i（i=1,2…,n_k），然后转入步骤3.2；否则进入 步骤3.6。

步骤3.6，设上一次迭代得到的各类部件的可靠度为R_k,i，比较本次迭代计算出的每类部 件可靠度R′_k,i与上一次迭代过程中得到的可靠度R_k,i之差的绝对值|R′_k,i-R_k,i|,其中i=1,2…,n_k： 若存在任意|R′_k,i-R_k,i|≥ε，则令ω_k,i＝ω′_k,i（i=1,2…,n_k），并转入步骤3.2，其中ε为迭代终 止条件，体现分配精度要求，如取ε=0.001；若全部|R′_k,i-R_k,i|＜ε，则本次迭代得到的各类部 件的可靠度就是第k个任务的分配结果。

步骤四：联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为其选择最严格的分配值。

对于参与多个任务中的同类部件，例如交换机，选取不同任务下得到的最大可靠性分配 值作为该类部件的最终可靠性分配值，即选取最严格的可靠性分配值。

步骤五：将上述步骤四的同类部件的可靠性分配结果作为已知条件，重新依据任务可靠 性指标要求为各任务的剩余部件再次进行可靠性分配，得到最终可靠性分配结果。

分别根据如下步骤5.1～步骤5.6对第1～M个任务进行可靠性再分配。设第k个任务中 共有mk个可靠度已知的部件，针对该任务，调整剩余(n_k-m_k)类部件的可靠度。设第k个任 务中的第1类到第m_k类部件为由步骤四确定了分配值的部件。

步骤5.1，将剩余(n_k-m_k)类部件的初始重要度都设为1，即

步骤5.2，令剩余(n_k-m_k)类部件的可靠度i＝m_k+1,m_k+2,...n_k。

应用二分搜索法求解最优化问题：

Max X

约束条件为：

$R_k^{*}\le R_k$

X＞0

R_k,1＝R′_k,1

R_k,2＝R′_k,2

...

$R_{k,m_k}=R_{k,m_k}^{\prime }$

其中，R′_k,1…,表示由步骤四确定的m_k类部件的可靠度。

步骤5.3，根据步骤5.2得到的X最优值和当前各部件的重要度，更新剩余(n_k-m_k)类部 件的可靠度i＝m_k+1,m_k+2,...,n_k。

步骤5.4，计算剩余(n_k-m_k)类部件的重要度。

对步骤3.2中建立了航电系统可靠度与部件可靠度的函数关系的，根据式(2)计算第k个 任务中第i类部件的重要度ω′_k,i；对步骤3.2中采用网络可靠性仿真方法计算R_k的，则根据仿 真结果按照式(3)计算重要度ω′_k,i。其中，i＝m_k+1,m_k+2,...,n_k。

步骤5.5，若是第一次迭代，则令ω_k,i＝ω′_k,i（i＝m_k+1,m_k+2,...n_k），然后转入步骤5.2； 否则进入步骤5.6。

步骤5.6，设上一次迭代得到的剩余(n_k-m_k)类部件的可靠度为R_k,i，比较本次迭代计算 出的部件可靠度R′_k,i与上一次迭代过程中得到的可靠度R_k,i之差的绝对值|R′_k,i-R_k,i|，其中 i＝m_k+1,m_k+2,...n_k：若存在任意|R′_k,i-R_k,i|≥ε，则令ω_k,i＝ω′_k,i(i＝m_k+1,m_k+2,...,n_k)，并转入 步骤5.2；若全部|R′_k,i-R_k,i|＜ε，则本次迭代得到的剩余(n_k-m_k)类部件的可靠度就是这些部 件的可靠性最终分配结果。

实施例：

本发明实施例以A380客机采用的航空电子全双工交换式以太网（Avionics Full Duplex  Switched Ethernet，AFDX）为例，具体阐述本发明方法的任务可靠性分配过程。

步骤一：获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及其互连关系。

AFDX拓扑结构如图2所示。图2所示的AFDX拓扑结构中，交换机1、交换机2和交 换机9为飞控系统提供三冗余互连；交换机3和交换机4为双驾对称；交换机1～4对应于四 发动机，同时将座舱8管综显DU进行两两分配，即交换机1为L1和L2提供互连，交换机 3为C1和L3提供互连，交换机2为R1和R2提供互连，交换机4为C2和R3提供互连。 此外，对于一般系统或设备（如燃油/保障/动力/客舱系统）采用对称配置。

步骤二：确定航电系统的任务及其可靠性指标要求；

具体包括如下步骤：

步骤2.1，根据需求，航电系统任务与其可靠度要求的描述见表1。

表1航电系统任务与可靠度要求

序号 任务描述 可靠度要求 1 客舱信息至综显L2 0.90 2 燃油保障/动力至综显R2 0.90 3 飞行控制计算机至综显L1 0.90

步骤2.2，以任务1为例：任务1要求网络运行1000h以后连通可靠度R₁至少达到0.90， 即R1(1000)≥0.90。

该任务考察的节点共15个节点，包括9个交换机节点，3个端系统(ES)节点和3个子系 统节点。任务要求综合显示器L2能至少与1个客舱信息子系统连通。相关节点与链路拓扑结 构图如图3所示。

步骤三：对航电系统的各个任务分别进行可靠性分配，得到部件可靠性分配值。

以任务1为例，阐述分配过程。由式(1)，计算得到任务1各部件的复杂度见下表：

表2任务1中部件复杂度

子系统/部件 交换机 端系统 综合显示器L2 客舱系统 复杂度 00102 00025 00509 00509

根据步骤3.2-3.6，由于网络规模较大，使用蒙特卡洛方法仿真计算可靠度与重要度。其 中迭代终止条件取ε=0.001。历次迭代结果如下：

表3任务1可靠度迭代分配过程

迭代次数 交换机 端系统 综显L2 客舱系统 1 0.984777 0.996247 0.926308 0.926308 2 0.988660 0.997208 0.944675 0.828687 3 0.987314 0.996876 0.938275 0.857338 4 0.987503 0.996922 0.939173 0.851234 5 0.987331 0.996880 0.938357 0.851760

其中最后一行即为任务1各相关部件初次分配结果。程序仿真得系统可靠度为0.900433， 满足案例要求R₁(1000)≥0.90。

对3个任务依此进行可靠性分配后，各任务分配结果汇总见表4：

表4航电系统可靠度分配结果

N/A表示Not Applicable，即该任务未为此部件分配可靠度。

步骤四：联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为其选择最严格的分配值。

对于涉及3个任务的端系统和交换机，选取最严格的可靠度分配值，则端系统的可靠度 R_ES=0.997559，交换机的可靠度R_SW=0.990271。

步骤五：将上述步骤四所述的同类部件可靠性分配结果作为已知条件，重新依据任务可 靠性指标要求为其他部件再次进行可靠性分配，得到最终分配结果。

根据步骤5.1-5.6，重新根据各任务分配可靠度，分配结果见表5.

表5各任务可靠度再分配结果

子系统或部件 重分配结果 子系统或部件 重分配结果 端系统 0.997559 燃油 0.861528 交换机 0.990271 动力 0.862958 综显L2 0.935388 综显L1 0.928455 客舱信息 0.848062 飞行控制计算机 0.752558 综显R2 0.952359    

表5即为本发明实施例中航电系统可靠度最终分配结果。