一种基于DDS的机载海量数据共享方法及共享系统

摘要

本发明提供了一种基于DDS的机载海量数据共享方法及共享系统，该共享方法包括如下步骤：S1、创建软件节点；S2、定义数据采集和分发数据流；S3、定义数据存储数据流；S4、定义数据设置数据流；S5、根据S1‑S4定义，配置DDS域和参与者；S6、定义分布式硬件架构；S7、配置各软件节点并启动运行。本发明克服了DDS通信模型的弱点，在海量数据情况下满足先进的数字化飞机的机载数据通信要求。

说明书

技术领域

本公开涉及机载嵌入式软硬件技术领域，尤其涉及一种基于DDS的机载海量数据共享方法及共享系统。

背景技术

机载系统数据通信存在两个主要性能要求：1、高数据完整性；2、低传输延迟(10毫秒以内)。传统的机载数据共享方法为点对点式通信，在数据量不大(飞机参数小于1万个)的情况下能够满足机载数据通信要求；但面对海量数据(飞机参数大于1万个)时，点对点通信效率较低，数据丢包增多，传输延迟急剧增加，无法满足机载数据通信要求。

随着信息技术在飞机上的广泛应用，飞机的机载系统一方面产生了海量数据，另一方面也需要从其他系统获取海量数据，先进的数字化飞机需要一种能够满足机载数据通信要求的海量数据共享方法。

OMG(对象管理组织Object Management Group)组织的DDS(数据分发服务DateDistribution Service)标准定义了一种基于“发布-订阅”模型的数据总线式通信方式。这是一个纯软件解决方案，所有节点皆为平行的用户节点，用户节点之间可以方便地共享数据。DDS通信模型可以满足数据量不大情况下的机载数据共享要求，而且与底层操作系统平台无关，是一种高效的机载数据共享方法。但DDS标准对于海量机载数据的处理表现不佳，无法满足飞机通信要求。根据对DDS通信模型的性能测试结果，DDS在数据包过大(大于100M字节)，或者通信主题数过多(大于1万个)时，多个通信用户节点之间的通信延迟将会大于50ms，会导致机载数据获取不及时以及丢包，无法满足机载系统数据通信要求。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种基于DDS的机载海量数据共享方法及共享系统，以克服DDS通信模型的弱点，在海量数据情况下满足先进的数字化飞机的机载数据通信要求。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于DDS的机载海量数据共享方法，包括如下步骤：

S1、创建软件节点；

S2、定义数据采集和分发数据流；

S3、定义数据存储数据流；

S4、定义数据设置数据流；

S5、根据S1-S4定义，配置DDS域和参与者；

S6、定义分布式硬件架构；

S7、配置各软件节点并启动运行。

进一步地，S1中，所述软件节点包括采集节点、设置节点、中转节点和用户节点；所述采集节点用于集中采集机载系统所需的数据，所述设置节点用于集中设置发往待共享的机载系统的数据，所述中转节点用于系统内部的数据分发，所述用户节点为最终用户。

进一步地，S2中，所述采集节点和所述中转节点之间的数据流定义主题名为“物理总线名称+采集频率”；所述中转节点和所述用户节点之间的数据流定义主题名为“物理总线+数据名”。

进一步地，所述采集节点和所述中转节点之间的主题对应的结构体格式定义为该物理总线上同一采集频率的所有数据的集合；所述中转节点和所述用户节点之间的主题对应的结构体格式定义为“数据格式”。

进一步地，S3中，在所述中转节点上部署大容量存储设备，对采集数据进行集中存储和分析，避免分散存储对网络带宽的占用。

进一步地，S4中，按照所述设置节点和所述用户节点定义数据设置数据流，主题名为“物理总线名称+SetData+数据块规模”，主题对应的结构体格式定义为物理总线上的对应数据块的数据格式。

进一步地，S5中，为所述采集节点、中转节点和用户节点配置数据采集域和参与角色，为所述设置节点和所述用户节点配置数据设置域，所述设置节点为订阅者，所述用户节点为发布者。

进一步地，S6中，采用分布式硬件架构，将所述采集节点和所述中转节点物理分开，并采用高速网络进行通信。

本发明还提供一种基于DDS的机载海量数据共享系统，包括：

用户节点层，包括各软件应用，用于通过发布或者订阅数据，进行机载数据通信；

功能节点层，所述功能节点层包括采集节点，用于采集机载系统所需的数据，还包括中转节点，用于数据的打包和发送，还包括设置节点，用于设置参数并发送到待共享的其他系统；

硬件模块层，所述硬件模块层包括采用机载技术设计的电子模块，用于驻留各软件节点，实现数据共享。

进一步地，所述硬件模块层包括：

分别设置于输出和输入端的接口模块，用于驻留采集节点和设置节点；

高性能处理模块，用于驻留中转节点；

应用服务器模块，用于驻留各用户节点；

高速网络模块，所述高速网络模块分别与所述接口模块、高性能处理模块、应用服务器模块连接，用于实现各电子模块之间的高速和高带宽通信。

本发明的基于DDS的机载海量数据共享方法及共享系统，在DDS标准的基础上，在充分利用了其灵活、易于使用和平台无关等优点的同时，突破了其处理机载海量数据的性能瓶颈，使其能够应用于先进的数字化飞机，为机载系统海量数据共享提供了一个可行的技术方案。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中共享系统DDS节点总体架构；

图2为本发明实施例中共享方法DDS域、主题及结构体定义；

图3为本发明实施例中共享方法机载海量飞机参数采集和分发的步骤。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

如图1所示，本发明的基于DDS的机载海量数据共享系统采用了层次化设计，由三层组成。用户节点层由各软件应用组成，各应用通过发布或者订阅数据，进行机载数据通信。功能节点层由采用DDS标准实现的各软件功能节点组成，采集节点负责采集、中转节点负责打包和发送、设置节点负责设置参数并发送到其他系统。硬件模块层由采用机载技术设计的电子模块组成，用于驻留各软件节点。接口模块用于驻留采集节点和设置节点；高性能处理模块用于驻留中转节点；应用服务模块用于驻留各用户节点；高速网络模块用于实现各电子模块之间的高速和高带宽通信。

如图2至3所示，本公开实施例提供一种基于DDS的机载海量数据共享方法，其具体步骤为：

1、创建软件节点

将软件定义为采集节点、设置节点、中转节点和用户节点四种类型。采集节点集中采集机载系统所需的数据，而设置节点集中设置发往其他机载系统的数据。中转节点负责系统内部的数据分发。用户节点为最终用户。

2、定义数据采集和分发数据流

根据机载系统ICD数据库，机载数据的集中采集和存储会导致海量数据流，单一系统向其他系统发送的数据不会导致海量数据流。根据这一特征，采集节点和中转节点之间采用“大数据包，少主题数”的方式进行数据流定义，主题名为“物理总线名称+采集频率”，主题对应的结构体格式定义为此物理总线上同一采集频率的所有数据的集合。

中转节点和用户节点之间采用“小数据包，中主题数”的方式进行数据流定义，主题名为“物理总线+数据名”，主题对应的结构体格式定义为“数据格式”。

3、定义数据存储数据流

在中转节点上部署大容量存储设备，对采集数据进行集中存储和分析，避免分散存储对网络带宽的占用。

4、定义数据设置数据流

按照设置节点和用户节点定义数据设置数据流，不设置中转节点。主题名为“物理总线名称+SetData+数据块规模”，主题对应的结构体格式定义为物理总线上的对应数据块的数据格式。设置节点按照固定频率将最近一次收到的值发送出去。

5、配置DDS域和参与者

按照步骤1至4定义，在DDS层定义域和主题，如图2所示。为采集节点、中转节点和用户节点配置数据采集域和参与角色。为设置节点和用户节点配置数据设置域，前者为订阅者，后者为发布者。

6、定义分布式硬件架构

采用分布式硬件架构，将采集节点和中转节点物理分开，两个之间采用千兆机载以太网或其他高速网络进行通信，以硬件方式提高大数据包传输性能。中转节点配置高性能处理能力，以应对海量数据处理洪峰。中转节点和用户节点之间采用普通机载以太网或其他网络进行通信。

7.配置各软件节点并启动运行

按照步骤1-6配置各软件节点的配置文件，然后启动运行。各软件节点独自运行，按照DDS标准进行通信。由于采集节点和中转节点之间的大数据包通过高速网络进行交换，低传输延迟得以保证；而中转节点与多个用户节点之间为小数据包，传输延迟亦可满足要求。各用户节点需要向其他系统发送数据时，通过小数据包(数据设置主题)直接发送到设置节点，由后者向其他系统发送。

本技术方案将综合采用软件架构、硬件架构和数据流结构设计等多种方法突破纯软件DDS通信模型的性能瓶颈。主要思路为在DDS之上建立软件层，将DDS的平行的用户节点重新分层，设计为功能节点层+用户节点层。用户使用平行节点进行通信，享受DDS数据通信的便利；功能节点(采集、中转和设置等节点)进行海量数据流的分流和分段处理，应对海量数据的洪峰。在DDS之下建立硬件层，解决个别DDS节点之间的大数据包传输性能的问题；三层进行整体设计，共同作用，提高数据吞吐量，降低传输延迟，满足机载海量数据共享的需要。

接下来，采用具体实施例对本方法过程进行详细说明。假设需要通过8路AFDX和8路ARINC429等机载总线采集10万个飞机参数，并进行集中存储和按需分发给机载系统的内部用户，方法的具体步骤如下：

1、创建软件节点

创建1个AFDX采集节点和1各ARINC 429节点，分别采集8路AFDX数据和路Arinc429数据。创建1个中转节点和4个用户节点。

2、定义数据采集和分发数据流

为采集节点和中转节点之间的通信定义16个主题如下：AFDX1，AFDX2至AFDX8，ARINC429_01,ARINC429_02至ARINC429_08。16个主题对应的结构体依照各总线上的ICD进行定义。

按照中转节点和用户节点之间的ICD定义，定义相应的数据主题和结构体。如“AFDX1+飞机位置”，或“ARINC429_01+当前时间”等。

3、配置DDS域和参与者

定义“飞机数据采集域”，AFDX和ARINC429采集节点为数据发布者，中转节点为数据订阅者，通信内容为步骤2定义的16个主题；定义中转节点为数据发布者，定义用户节点为数据订阅者，通信内容为步骤2定义的数据主题。

4、定义分布式硬件架构

采用4个AFDX接口模块和1各ARINC429模块驻留采集节点，采用高性能服务器模块驻留中转节点，采用千兆网络模块连接采集与中转节点，采用应用服务器模块驻留用户节点，采用特定的接口模块驻留设置节点。

5、配置软件节点并启动运行

将以上步骤的定义写入XML文件中，作为个软件节点的配置文件在软件启动时加载。完整的采集和发布过程为：飞机数据通过AFDX或A429接口到达后，被打包通过千兆以太网模块发送到高性能服务模块中驻留的中转节点。中转节点一方面可以将全部或部分数据进行本地存储，一方面可以按各个用户节点的需要，将所需的数据发送给驻留在应用服务器中的多个用户节点。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。