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【摘要】相比采用雙通道模式的傳統兩余度機載計算機，混合余度計算機系統在處理故障時不會喪失余度采集與余度控制功能，這使其具備更高可靠性。基于此，本文將簡單介紹機電綜合管理系統及混合余度設計技術，并圍繞機電綜合管理系統混合余度設計及可靠性分析開展深入探討。

【關鍵詞】機電綜合管理系統；混合余度設計技術；背板總線

0前言

機電管理系統概念隨著航空電子技術發展而提出，通過統一管理龐雜的機電系統，即可實現重量減輕和維護費用降低，高可靠性的信息傳輸也可隨之實現。本文研究的混合余度設計技術能夠有效提升機電管理系統的容錯性和冗余度，機電管理系統可靠性可在該設計技術支持下大幅提升。

1機電綜合管理系統及混合余度設計技術

1.1機電綜合管理系統。機電綜合管理系統由兩臺機電管理計算機組成，二者承擔不同功能，包括中央數據處理模塊、總線通信模塊、總線監控模塊、輸入/輸出接口模塊、電磁防護模塊、電源模塊、高速串行總線背板。中央數據處理模塊由背板總線子卡、I/O處理基板、高性能處理器子卡、AFDX子卡組成，高性能處理器子卡負責應用軟件和操作系統的運行，FPGA軟件由GIO基板負責運行，具備背板總線管理、雙口訪問、離散量輸出、離散量輸入采集、模擬量等功能；IOM1（輸入/輸出接口模塊）由GIO基板、CAN子卡、背板總線子卡組成，IOM2由GIO基板、289A子卡、背板總線子卡組成。基于PCI2總線，GIO基板可實現對上層子卡的訪問，FPGA軟件能夠運行于GIO基板，具備289A管理、離散量輸出等功能；總線通信模塊由背板總線子卡、AFDX總線交換子卡通信基板模塊組成，基于PCI2總線，CIO基板可實現對背板總線子卡、單余度CAN總線的訪問，FPGA軟件通過CIO基板運行，命令表通信軟件固化于背板總線卡上；電源模塊由DC/DC變換電路、電源尖峰、過壓保護電路、過流保護電路、浪涌處理電路等組成；電磁防護模塊由雷電防護電路、高強度輻射場防護電路組成；總線監控模塊由289A子卡、大容量電子盤子卡、高性能處理器子卡、CAN總線子卡、CIO基板組成；高速串行總線背板用于互聯背板總線、離散量、模擬量等各種信號[1]。

1.2混合余度設計技術。傳統機電綜合管理系統的雙通道模式設置位于不同通道的兩臺計算機，如任意電源或計算機出現故障，對應的通道均會立即失效，余度降級的計算機系統將帶來嚴重負面影響。為滿足飛機安全性和可靠性的提升需要，機電綜合管理系統需要應用混合余度設計技術，即通過應用高安全、高可靠的容錯串行背板總線，連接所有的I/O、電源、處理機等設備，自己的處理信息可通過這類設備發送，其他設備處理信息的接收也可同時實現，完成基于背板總線的所有設備信息共享。機電綜合管理系統的余度控制和余度采集功能可在混合余度設計技術支持下大幅提升，可有效降低設備故障帶來的影響，因此該技術的應用可得到可靠性更高的機電綜合管理系統。總的來說，在應用混合余度設計技術的機電系統綜合管理系統中，存在互為余度配置的2塊中央數據處理模塊、2塊輸入/輸出接口模塊、2塊電源模塊，在出現存在故障的中央數據處理模塊后，其余模塊發送的數據可由另一塊中央數據處理模塊接收。在一塊輸入/輸出接口模塊出現故障后，另一塊模塊也可負責數據傳輸。在混合余度設計技術支持下，機電綜合管理系統的構型優化、總線效率提升、實時性強化、資源合理配置、備份冗余通道提供均可順利實現，也能更好滿足系統的冗余和實時性要求[2]。

2機電綜合管理系統混合余度設計及可靠性分析

2.1具體設計。作為高確定性、高可靠性容錯串行總線，高速串行背板總線支持四余度容錯，采用表驅動比例訪問，總線傳輸的數據選擇以“數據有效性表”為依據，暫時差錯的一條總線糾正可應用一個非故障信號對的組合實現，如存在無法糾正的2個同時發生差錯，即可標記接收數據為錯誤。背板總線直接關系著雙余度機電綜合管理系統的容錯機制、工作模式、具體構型、同步及交叉數據傳輸，具體如圖1所示。結合圖1進行分析可以發現，機電綜合管理系統混合余度設計需利用具備雙向特性的高速串行背板總線數據收發綜合論述器，以此完成基于雙向檢測的檢測機制設計，對于向總線上發送數據的某個模塊，對應的接收模塊的故障檢測和數據接收會基于接收邏輯完成，這批數據會同時由自身的接收邏輯開展相同操作。通信過程中無論數據的畸變發生在哪一環節，雙向檢測設計均可保證數據能夠被檢測出來。為更好保證傳輸數據正確性，接收數據交叉檢測機制設置于高速串行背板總線中，數據比較可在4條總線上（總線協議芯片接收邏輯）完成。每個數據的有效性由接收邏輯確定，總線數據比較、確認由接收邏輯內部設置的數據故障判別邏輯完成，總線出錯模式可最終通過檢測得出，具體的數據故障判別邏輯可概括為三部分：①存在數據異常的1條總線，能夠自動校正的總線協議不會影響總線傳輸；②存在來源不同數據異常的2條總線，錯誤可校正，能夠自動校正的總線協議不會影響總線傳輸；③存在來源相同數據異常的2條總線，或存在數據異常總線數量在3條及以上，錯誤不可校正，總線傳輸會因系統無法修正而中斷[3]。基于上述檢測機制，對于出現不可校正錯誤的總線上數據，且存在超出設定時間的連續出錯，錯誤即可由故障模塊檢測確定。具體的差錯檢測由4個“信號對”負責，相較于傳統雙余度，這種設計的容錯特性更好，同時相較于傳統4余度存在更小的復雜性。圖2為總線狀態異常表真值表。結合圖2進行分析可以發現，無論是接收環節還是發送環節出現故障，一旦故障被總線協議芯片檢測到，收發器發送端便會由發送使能為“無效”方式的置總線收發器關閉，總線上故障模塊無法進行數據發送，該模塊進入失步狀態，并同時存在視為無效的此次收發數據，故障信息向自身CPU上報，系統故障模塊的自行隔離與檢測自然能夠順利實現。為進一步驗證機電綜合管理系統混合余度設計可靠性，下文將對傳統設計和新型技術設計開展針對性對比。

2.2可靠性分析。圍繞機電綜合管理系統混合余度設計開展可靠性分析能夠發現，雙余度CPU的“工作+熱備份”功能能夠基于高速串行背板總線實現，在混合余度設計技術支持下，以此打造的機電系統架構的可靠性較高。圍繞傳統余度系統的可靠性進行分析，可靠性量化指標采用平均無故障時間，串—并聯模型余度系統的可靠度可表示為：R1=1-（1-R3）2（1）基于經驗數據可以確定，模塊1、模塊2、模塊3的平均無故障時間分別為10000h、8000h、9000h，分別表示為λ1、λ2、λ3，因此可得到式（2）：MTTFs1=+∞0乙1-1-e-λ1+λ2+λ3乙乙t乙乙2乙乙dt（2）基于式（2），即可求得平均無故障時間，確定傳統余度模型的可靠性，最終可得到結果為：MTTFs1=4462.81（3）進一步圍繞混合余度系統的可靠性進行分析，考慮到本文采用的混合余度設計技術打造了屬于并—串聯結構的混合余度系統，因此可確定其可靠度能夠表示為：R2-R1=6R5-12R4+6R3=6R3（R-1）2≥0（4）結合式（4）進行分析可以發現，相比采用串—并聯模型的傳統余度系統，采用并—串聯結構的混合余度系統可靠度更高，這一推論在可靠度不一的各個模塊情況下仍然成立。進一步計算平均無故障時間，可得到：MTTFs2=+∞0乙3i=1儀1-1-e-λit儀乙2乙乙dt（5）基于式（5）進行計算可得到：MTTFs2=7018.52（6）結合計算結果能夠確定，基于混合余度設計，采用并—串聯結構的混合余度系統能夠大幅提升可靠性。

3結論

綜上所述，混合余度設計技術能夠較好用于機電綜合管理系統。在此基礎上，本文涉及的混合余度設計技術、具體設計、可靠性分析等內容，則直觀展示了混合余度設計技術的應用路徑，該技術能夠大幅提升機電系統的任務可靠性和容錯能力，飛機的開發和維護成本也能夠在技術支持下大幅降低。

參考文獻

[1]范凱.多電飛機混合作動系統工作模式優化分析[J].科技創新與應用，2020（20）：44-45.

[2]朱一飛.基于SRTM的一發失效應急程序航跡規劃研究[D].德陽：中國民用航空飛行學院，2020.

[3]孫剛.淺談冗余飛控系統軟件架構設計[J].中國設備工程，2020（6）：100-101.

作者:張志偉 單位:中鐵十一局集團第五工程有限公司