СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ БОРТОВОЙ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК G05B19/42 G06F11/16 

Изобретение относится к области вычислительной и контрольно-измерительной техники и может использоваться в системах цифровой обработки информации и управления, содержащих избыточные аппаратные и программные средства, с целью обеспечения отказоустойчивости данных систем.

Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) [1] широко признана авиационными специалистами и промышленностью. Цели, возможности [2] и архитектуры [3] ИМА являются достаточно универсальными и отражают основные современные концепции, относящиеся к высоконадежным интегрированным комплексам авионики.

Интегрированная модульная авионика второго поколения (ИМА2), в отличие от ИМА, охватывает не только вычислительные ресурсы обработки данных (централизованные в ИМА первого поколения), но более широкий круг подсистем и блоков авионики. Она развивается в сторону распределенной вычислительной среды, охватывает также подсистемы командного управления, обработки сигналов, подсистемы ввода/вывода. Определились новые требования к совокупности вычислительных и коммуникационных средств бортовой авионики как к единой бортовой интегрированной вычислительной среде (БИВС). Такая среда должна обеспечивать вычислительными и коммутационными ресурсами обработку информационных потоков разных (в пределе -всех) иерархических уровней; она должна также обеспечивать передачу всех видов трафика бортовой авионики, заменяя применяемые в настоящее время отдельные системы шин и линий связи различных типов - сенсорных связей, шин данных, командных шин и отдельных линий, используемых для передачи разнородных сигналов (временных меток, разовых команд и др.).

Присущая такой среде гибкость размещения функциональных приложений на вычислительных ресурсах создает принципиально новые возможности унификации комплексов бортового оборудования и обеспечения их отказоустойчивости.

Известна отказоустойчивая вычислительная система с аппаратно-программной реализацией функций отказоустойчивости и динамической реконфигурации [4], которая может быть использована для решения задач управления бортовыми системами транспортного корабля. Техническим результатом указанного изобретения является ускорение и автоматизация процесса реконфигурации в отказоустойчивых системах. Указанное изобретение и данная заявка близки по назначению - управление и реконфигурация комплекса оборудования (КО). Но в указанном изобретении рассматривается не БИВС в целом, а только вычислительная система с четырьмя специальным образом устроенными и взаимодействующими друг с другом вычислительными машинами.

Известны способ и устройство формирования архитектуры комплекса бортового оборудования на основе сетевой технологии AFDX [5]. Эти способ и устройство для его реализации выбраны в качестве прототипа.

Судя по опубликованным результатам, известные подходы обладают следующими особенностями:

1. Задача отказоустойчивости решается применительно к вычислительным ресурсам путем однородного резервирования, т.е. за счет специально для этого предусмотренных избыточных средств с аналогичными функциями и их размещением.

2. Архитектурный подход на основе AFDX не в полной мере подходит для интегрированной сетевой инфраструктуры ИМА2, поскольку архитектура и протоколы AFDX, оптимизированные для обеспечения детерминированной задержки доставки сообщений при приемлемой в целом пропускной способности, дают диапазон значений времени задержки, не приемлемый для некоторых видов функциональных приложений. В частности, они не соответствуют критическим по времени приложениям быстрых контуров управления, где низкие задержки являются ключевым показателем. В результате для таких частей бортовой авионики распределенной архитектуры с требованиями малых задержек и коротких рабочих циклов сети AFDX редуцируются к так называемым «легким» сетевым соединениям LC-AFDX (Low Capacity AFDX) [6] как «частным» системам связи, фактически в большинстве случаев вырождающимся в прямые радиальные связи типа точка-точка.

Указанные обстоятельства существенно сужают возможности решения проблем обеспечения отказоустойчивости вычислительной среды и комплекса бортового оборудования в целом.

Целью настоящего изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик БИВС в составе интегрированного комплекса бортового оборудования (КБО) аппаратов различного назначения.

Эта цель достигается тем, что в способе управления избыточностью БИВС маршрутизация информационных потоков от источников к получателям осуществляется выбором из избыточного числа альтернативных путей, каждый из которых обладает непосредственным доступом коммуникационных средств, включая высокоскоростные линии передачи данных, сетевые коммутаторы и маршрутизаторы, как к вычислительным ресурсам (устройства памяти и вычислители), так и к различным конструктивно целостным и обособленным компонентам (сенсоры, актюаторы, дисплеи и сигнализаторы) функциональных систем (ФС) комплекса оборудования. Формирование альтернативных путей осуществляется автономно различными вычислителями на конкурсной основе с учетом дисциплинирующих правил (приоритет запроса на информацию, очередность подачи заявки на формирование пути, защита от коллизий и перегрузок компонентов, правила предпочтений доставляемой информации и др.).

Изобретение и его особенности поясняются чертежом, на котором изображена функциональная схема БИВС согласно настоящему изобретению, где:

1 - Высокоскоростная коммутационная среда пакетов данных;

2 - Шины данных;

3 - Маршрутизирующий коммутатор;

4 - Модуль единого времени;

5 - Множество сетевых контроллеров/концентраторов;

6 - Вычислитель общего назначения;

7 - Контроллер периферийных систем;

8 - Модуль обработки графических изображений;

9 - Бортовая массовая память;

10 - Функциональная система бортового комплекса;

11 - Система электронной индикации и сигнализации.

Поскольку способ реализуется при помощи работы устройства (см. чертеж), то полное его описание приведено в разделе пояснения работы этого устройства.

Бортовая интегрированная вычислительная среда (БИВС) включает резервированную высокоскоростную коммутационную среду пакетов данных (КСД) 1, в качестве которой может использоваться, например, интерфейс SpaceWire, резервированную шину данных (ШД) 2 без жестких требований к скорости, представленную, например, интерфейсом STD-1553B (или AFDX), маршрутизирующие коммутаторы (МК) 3, дублированный модуль единого времени (МЕВ) 4, сетевые контроллеры/концентраторы (СКК) 5, вычислители общего назначения (ВОН) 6, контроллеры периферийных систем (КПС) 7, модули обработки графических изображений (МОГ) 8 и бортовую массовую память (БМП) 9. Однотипные или взаимозаменяемые ВОН 6 образуют основной вычислительный ресурс БИВС. Каждый ВОН 6 в соответствии с техническими характеристиками и загружаемыми пакетами программ может использоваться для обработки информации и вычислений каждой из N функциональных систем (ФС) 10 интегрированного КО. При этом для решения задач формирования (синтеза) в реальном времени и отображения изображений в составе системы электронной индикации и сигнализации (СЭИС) 11 эти вычислители дополняются МОГ 8. Все ВОН 6 номинально (не обязательно конструктивно) могут входить в состав ФС 10 интегрированного КО, включая СЭИС 11. Все коммутации ВОН 6, МОГ 8 и КПС 7 с шинами КСД 1 и ШД 2 осуществляются посредством СКК 5. КПС 7 размещены в ФС 10 и СЭИС 11, имеют специфику, обусловленную особенностями компонентов последних, и обладают унифицированными интерфейсами для взаимодействия с СКК 5. Маршрутизирующие коммутаторы (МК) 3 используются для обеспечения доставки пакетов по избыточным каналам КСД 1.

Работает устройство (см. чертеж) следующим образом.

Каждый ВОН 6 наряду с комплектом прикладных программ по назначению ФС 10 содержит пакет программ, реализующий распределенное управление избыточностью КБО. Основой такого управления может быть, например, периодический арбитраж по аналогии с [7, 8]. Конкурирующие между собой конфигурации БИВС не обязательно должны быть однозначно связаны с конкурирующими между собой ВОН 6. Возможны раздельные или каким-либо образом согласованные арбитражи конфигураций БИВС и ВОН 6. В результате так или иначе проведенного арбитража осуществляется выбор ведущего ВОН 6 и доминирующей конфигурации БИВС с соответствующим распределением вычислительных ресурсов. При этом для минимизации объемов пересылаемой информации первоначально может предусматриваться использование каждой ФС 10 одного из тех ВОН 6, которые входят в ее номинальный состав. ВОН 6, выигравший арбитраж, используя СКК 5, осуществляет использование необходимого оборудования через КПС 7, реализуя тем самым соответствующую конфигурацию КБО, и синхронизирует работу остальных ВОН 6. В процессе функционирования КБО его средствами, например, в соответствии с [9, 10], проводится мониторинг технического состояния и/или правильности функционирования комплекса в целом, отдельных его систем и компонентов. По истечении периода цикличности или при возникновении нештатной ситуации арбитраж повторяется, и с учетом фактического состояния бортового оборудования (отказов, сбоев, неправильного функционирования и пр.) выбирается новый ведущий ВОН 6 и новая доминирующая конфигурация КБО. При обеспечении равнодоступности (в смысле задержек реакции на запросы) вычислительных ресурсов для каждой ФС 10 может использоваться любой ВОН 6 независимо от его номинальной принадлежности к той или иной ФС. Априорная и текущая информация, необходимая для мониторинга текущего технического состояния систем КБО, накапливается, хранится и обрабатывается выделенными для этого ВОН 6 во взаимодействии с бортовой массовой памятью БМП 9.

Промышленная применимость

Заявленные способ управления избыточностью БИВС и устройство для его реализации промышленно применимы в вычислительной и контрольно-измерительной технике и наиболее успешно могут использоваться для создания отказоустойчивой БИВС в перспективных КБО подвижных объектов и комплексах автоматизированного управления функционированием производственных и энергетических объектов с целью обеспечения их отказоустойчивости и безопасности функционирования.

Источники информации

1. DO-297. Integrated modular avionics (IMA) development guidance and certification considerations. RTCA Inc., Washington, 2005.

2. Watkins С В. Integrated Modular Avionics: Managing the Allocation of Shared Intersystem Resources. 25th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Portland, Oregon, October 2006.

3. Garside R and Pighetti J F. Integrating Modular Avionics: A New Role Emerges. 26th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Dallas, Texas, October 2007.

4. Еремеев П.М., Беликов Ю.А. и др. Отказоустойчивая вычислительная система с аппаратно-программной реализацией функций отказоустойчивости и динамической реконфигурации. Патент RU 2455681 С1, опубликован 10.07.2012, Бюл. №19

5. Hainaut D. SCAlable & ReconfigurabLe Electronics plaTforms and Tools - Towards the next generation of Integrated Modular Avionics. An Introduction to SCARLETT. Aerodays 2011, Madrid, Spain, 2011.

6. Bernard S. and Garcia J.-P. Braking Systems with New IMA Generation. SAE International, 2011.

7. Буков B.H., Гнусин М.Ю., Дьяченко A.M., Шурман B.A., Яковлев Ю.В. Способ автоматического управления избыточностью неоднородной вычислительной системы и устройство для его реализации. Заявка на патент РФ 2015102223.

8. Боблак И.В., Буков В.Н., Евгенов А.В., Шурман В.А. Способ автоматического управления неоднородной избыточностью комплекса оборудования и устройство для его реализации. Заявка на патент РФ (в работе).

9. Аверьянов И.Н, Буков В.Н., Бронников A.M., Кушнир А.Л., Сельвесюк Н.И. Циклический способ локализации неконтролируемых множественных отказов технических систем в процессе их функционирования и устройство для его реализации, патент RU 2557441 С2, Бюл. №20 от 20.07.2015.

10. Boldyrev S., Chernyshov V., Nickolaev D., Ksenofontov V., Antonets C. Determination of functional efficiency of an airborne integrated navigation system for the purpose of reconfiguration of it in flight // Proc. of The 4th European conference for aero-space sciences, Saint Petersburg, Russia, Report 818-1245-1-RV, 2011.

Все унифицированные по интерфейсам и программному обеспечению вычислители общего назначения, а также специализированные по назначению контроллеры периферийных устройств посредством управляемых сетевых контроллеров/концентраторов подключаются ко всем интерфейсным шинам и могут образовывать любую из предопределенных конфигураций вычислительной среды комплекса. Повышаются надежность и безопасность функционирования бортовой интегрированной вычислительной среды, являющейся основой перспективных комплексов бортового оборудования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления избыточностью бортовой интегрированной вычислительной среды, включающий формирование архитектуры на основе сетевой технологии AFDX, отличающийся тем, что в каждый вычислитель общего назначения предварительно загружают все пакеты прикладных программ, используемых различными функциональными системами, и пакеты программ управления избыточностью бортовой вычислительной среды, вычислители общего назначения периодически или при возникновении нештатной ситуации на конкурсной основе выбирают ведущий вычислитель, осуществляющий на очередном временном цикле общее управление вычислительной средой, который с учетом технического состояния компонентов выбирает доминирующую конфигурацию бортовой вычислительной среды, ведущий вычислитель путем коммутирования и настроек компонентов в текущем временном цикле реализует выбранную доминирующую конфигурацию бортовой вычислительной среды.

2. Устройство для реализации способа управления избыточностью бортовой интегрированной вычислительной среды по п. 1, содержащее низкоскоростные шины данных с маршрутизирующими коммутаторами, вычислители, контроллеры периферийных устройств, модули обработки графических изображений, бортовую массовую память и модуль единого времени, отличающееся тем, что в него введены высокоскоростная коммутационная среда пакетов данных с высокоскоростными маршрутизирующими коммутаторами и сетевые контроллеры-концентраторы, а каждый вычислитель, контроллер периферийных устройств и модуль обработки графических изображений посредством сетевых контроллеров-концентраторов подключен ко всем шинам данных.