ИНТЕРФЕЙС ИНФОРМАЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И ЕГО ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА Российский патент 2023 года по МПК B64C99/00 G06F3/00 G06F13/00 

Заявленное изобретение относится к авиационным системам передачи информации и позволяет организовать двустороннюю информационную связь между летательным аппаратом и цифровой моделью летательного аппарата в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник» по протоколам, толерантным к задержкам.

В соответствии с ГОСТ Р 57700.37-2021 под понятием «цифровой двойник» понимается система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием и его составными частями, а под цифровой моделью изделия - система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов испытаний по ГОСТ 16504 оценена выполнимость предъявляемых к изделию требованиям.

Таким образом, для создания цифрового двойника (ЦД) летательного аппарата (ЛА) необходимо организовать двустороннюю информационную связь между летательным аппаратом и его цифровой моделью. Решение этой задачи в то время, когда ЛА находится на земле не вызывает никаких сложностей и может быть решено с помощью различных известных из уровня техники устройств, например, по проводным каналам связи или с помощью мобильной связи с применение технологий 3G/4G по сети Интернет. Однако организация канала связи для приема и передачи информации с борта ЛА во время полета требует установки на борт дополнительных устройств, мобильная связь становится недоступна (без установки на борту дополнительных специальных средств связи), и организация информационной связи между ЛА и его цифровой моделью возможна при помощи спутниковых систем передачи данных или специальной бортовой аппаратуры, организующей отдельный канал передачи данных «борт-земля». При этом различные экземпляры ЛА могут быть оборудованы различным составом технических средств передачи данных, а сам процесс передачи данных в полете с борта ЛА отличается частыми разрывами соединений и задержками связи.

Заявленное изобретение позволяет организовать двустороннюю информационную связь между летательным аппаратом и цифровой моделью летательного аппарата по протоколам, толерантным к задержкам, и тем самым способствовать решению задачи бесперебойной передачи информации о между ЛА и его цифровой модели. Решение задачи по организации процесса передачи данных в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник» в предлагаемой системе решается путем реализации технической возможности применения для передачи информации протокола DTN.

Для решения проблем TCP/IP протокола в сетях с большими временами задержки передачи сообщений разработан протокол сетевого уровня DTN (Disruption-Tolerant Networking - протокол, толерантный к задержкам) [Special issue on DTN // Journal of Communications. 2010. V. 5. No 2. P. 106-130.]. Этот протокол основан на принципе «хранить данные и перенаправлять их дальше». Этот протокол оперирует специальными единицами информации - bundle, представляющими собой сообщение, содержащее не только значимое для приложения содержимое, но и информацию, необходимую для маршрутизации. Узлы DTN, обмениваясь bundle, хранят их. По мере появления связи со следующим узлом данный bundle пересылается дальше, пока не будет достигнут узел назначения или время жизни bundle'a истечет.

При этом, наиболее близким аналогом, известным из уровня техники, является изобретение «Предоставление сетевой связности и доступа к контенту и передачи данных через движущиеся объекты» (патент на изобретение RU 2696260), которое включает первый движущийся объект, который обеспечивает сетевую связность, содержащий: первое устройство восходящей линии связи первого движущегося объекта, чтобы соединять первый движущийся объект с публично доступной компьютерной сетью; первое устройство нисходящей линии связи первого движущегося объекта, которое должно быть связано с возможностью обмена данными с удаленным устройством на конкретном сегменте по маршруту первого движущегося объекта, при этом удаленное устройство должно предоставлять данные, принимаемые через первое устройство нисходящей линии связи, пользователю; кэш-память, связанную с возможностью обмена данными с первым устройством восходящей линии связи и первым устройством нисходящей линии связи; модуль связи для попытки устанавливать соединение для передачи обслуживания между первым движущимся объектом и вторым движущимся объектом и, в ответ на установление соединения для передачи обслуживания, переносить маршрутизацию данных к и от удаленного устройства на второе устройство нисходящей линии связи и второе устройство восходящей линии связи на втором движущемся объекте с первого устройства нисходящей линии связи; и если соединение для передачи обслуживания не установлено, сохранять часто запрашиваемый интернет-контент в кэш-памяти; и ждать соединение для передачи обслуживания, которое должно быть установлено, чтобы предоставить часто запрашиваемый интернет-контент удаленному устройству через второе устройство нисходящей линии связи.

Недостатком этого решения является то, что система, в силу ограниченных функциональных возможностей в части организации каналов связи для передачи с борта ЛА, не использует спутниковую систему связи и специальные каналы связи с борта ЛА и не может быть использовано напрямую для организации информационной связи в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник».

Технической задачей заявленного изобретения является расширение арсенала устройств, применяемых для внедрения технологии цифровых двойников в авиации.

Решение технической задачи достигается тем, что устройство для информационного взаимодействия летательного аппарата и его цифрового двойника включает три бортовых модуля информационного взаимодействия с цифровым двойником входы-выходы которых соединены с первыми входами-выходами портов локальной сети летательного аппарата; вторые входы-выходы портов локальной сети летательного аппарата соединены с первым, вторым и третьим входом-выходом системной шины; четвертый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока резервного копирования; пятый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока формирования информации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения информации; шестой вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока питания; седьмой вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока управления и индикации; восьмой вход-выход системной шины соединен с входом-выходом перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства; девятый, десятый и одиннадцатый входы-выходы системной шины соединены с входами-выходами портов подключения к внешней сети передачи данных; двенадцатый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока постоянного запоминающего устройства; тринадцатый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом процессора; четырнадцатый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока оперативного запоминающего устройства; второй вход-выход первого порта подключения к внешней сети передачи данных соединен с входом-выходом блока приема-передачи информации по каналам сотовой связи; второй вход-выход второго порта подключения к внешней сети передачи данных соединен с входом-выходом блока приема-передачи информации по каналам спутниковой связи; второй вход-выход третьего порта подключения к внешней сети передачи данных соединен с входом-выходом блока приема-передачи информации по каналам бортовых систем передачи информации, причем бортовые модули информационного взаимодействия с цифровым двойником, блок формирования информации, блок хранения информации и блок резервного копирования выполнены с возможностью передачи информации по беспроводному протоколу, а процессор выполнен с возможностью формирования информации о исправности всех блоков, подключенных к системной шине, и передачи этой информации по беспроводному протоколу.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, заключается в обеспечении возможности организации двустороннего информационного взаимодействия между летательным аппаратом и его цифровым двойником по каналам мобильной связи или по каналам специализированных бортовых систем передачи данных.

Функционирование заявленного изобретения иллюстрируется фигурой, на которой обозначены:

Контур А - контур передачи данных (контур А или устройство А), внутри которого на многослойной печатной плате с наружными и внутренними проводящими слоями припаяны блоки и элементы (4-19);

1, 2, 3 - бортовые модули информационного взаимодействия с цифровым двойником;

4, 5, 6 - порты подключения к локальной сети ЛА (порты LAN), (LAN - Local Area Network);

7 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

8 - процессор;

9 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

10 - системная шина;

а.1 - а.14 - входы-выходы системной шины (10);

11 - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ);

12 - блок формирования «Bundle»;

13 - блок хранения bundle (КЭШ память);

14 - блок резервного копирования;

15 - блок управления и индикации;

16 - блок питания;

17, 18, 19 - порты подключения к внешней сети передачи данных (порты WAN), (WAN- World Areal Network);

20 - блок приема-передачи информации по каналам сотовой связи;

21 - блок приема-передачи информации по каналам спутниковой связи;

22 - блок приема-передачи информации по каналам ботовых систем передачи информации.

Блоки 1, 2, 3 - бортовые модули информационного взаимодействия с цифровым двойником, представляют собой микропроцессор с блоком энергонезависимой памяти и устройством передачи данных по протоколу 1000Base - ТХ. Используются для получения и обработки информации о текущем состоянии узлов и агрегатов летательного аппарата от датчиков и систем летательного аппарата, а также результатов моделирования физических процессов от цифрового двойника.

Блоки 4, 5, 6 - порты подключения к локальной сети ЛА (LAN -Local Area Network).

Блок 7 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), представляет собой микросхему энергозависимой памяти с произвольным доступом. Содержимое ОЗУ стирается после выключения питания устройства. Используется для хранения промежуточных данных во время работы устройства.

Блок 8 - процессор является центральным блоком устройства, тип которого определяется при проектировании устройства. Основная задача процессора заключается в обработке входящих пакетов для принятия решения об их дальнейшей маршрутизации, при этом скорость с которой процессор способен обрабатывать информацию, напрямую зависит от типа.

Блок 9 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) представляет собой микросхему с энергонезависимой памятью, используемой для хранения загрузочного программного обеспечения, которое запускается первым в момент включения устройства и отвечает за его загрузку.

Блок 10 - системная шина выполнена в виде наружных и внутренних проводящих слоев на многослойной печатной плате и соединяет блоки устройства информационными связями через входы-выходы системной шины а.1 - а.12. Также по системной шине организовано питание блоков устройства от блока питания (16).

Блок 11 - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) представляет собой микросхему с энергонезависимой памятью, используемой для хранения дополнительных конфигурации устройства, которые считываются при последующих загрузках.

Блок 12 - блок формирования информации - bundle - представляет собой микросхему, реализующую в устройстве DTN - протокол.

Блок 13 - блок хранения информации - bundle (КЭШ память) - представляет собой микросхему с энергонезависимой памятью, которая хранит сформированные в (9) пакеты до момента успешной передачи пакета получателю;

Блок 14 - блок резервного копирования представляет собой микрочип твердотельного накопителя информации (SSD-диск), подключенного к системной шине. Позволяет осуществлять запись и резервное хранение передаваемой информации. Считывание информации из (11) возможно с USB - разъема блока (12).

Блок 15 - блок управления и индикации представляет собой микросхему управления, блок светодиодов, индицирующие режимы работы, и кнопки управления режимами работы (на фигуре не обозначены, размещены заподлицо на поверхности корпуса устройства).

Блок 16 - блок питания представляет собой адаптер питания от бортовой сети постоянного тока 27 В.

Блок 17, 18, 19 - порты подключения к внешней сети передачи данных (WAN - Wide Area Network).

Блок 20 - блок приема-передачи информации по каналам сотовой связи, может быть выполнен в рамках известного технического решения (https://business.gogoair. com/solutions/).

Блок 21 - блок приема-передачи информации по каналам спутниковой связи предназначен для организации спутниковой связи в движении SOTM (англ. Satcom on the move) на базе VSAT-технологии Ku-диапазона частот, может быть выполнен в рамках известного технического решения (https://www.steccom.ru/technology/).

Блок 22 - блок приема-передачи информации по каналам ботовых систем передачи информации, входящих в состав штатных средств связи и систем передачи данных самолета.

Функционирование заявленного изобретения заключается в следующем.

Информация от систем ЛА, сформированная в бортовых модулях информационного взаимодействия с цифровым двойником (1, 2, 3) для передачи в цифровую модель изделия, которая размещается на наземном пункте управления цифровым двойником на серверах специализированных ЭВМ, поступает в контур А через порты LAN (4, 5, 6) по протоколу 1000Base - ТХ. Откуда через системную шишу (10) под управлением операционной системы (предназначена для управления активным сетевым оборудованием) осуществляется маршрутизация пакетов.

Данные от приложений, представленные в виде сообщений произвольной длины (ADU, англ. Application Data Unit), трансформируются в специальные пакеты (Bundle) в блоке (12), предназначенные для пересылки в гетерогенных сетях через порты WAN (блоки 17, 18, 19). Причем выбор канала передачи данных осуществляется автоматически путем определения устройством А канала по качеству связи между блоками 20, 21,22.

Bundle состоит из не менее двух блоков, каждый из которых может содержать либо только данные приложений, либо только служебные данные, необходимые для доставки (https://www.rfc-editor.org/info/rfc9171).

Как и в IP-сетях, используется подход «Сохрани и передай», (англ. Store-and-forward), предполагающий сохранение пакетов при отсутствии возможности их немедленной успешной отправки. Однако, в DTN время хранения значительно дольше вследствие того, что канал может быть недоступен на момент передачи и к тому же сам по себе ненадежен. Кроме того, в сетях DTN сложнее своевременно отследить состояние канала из-за значительной задержки на передачу сигналов. Поэтому для ожидающих отправки пакетов используется блок хранения информации «Bundle» (13).

Для увеличения вероятности успешной передачи сообщения на всех узлах DTN создаются копии сообщения, чтобы они дошли до адресата. Это возможно только в сетях с большими объемами локального хранилища и широкой полосы пропускания относительно ожидаемого трафика. В предлагаемом устройстве таким хранилищами являются блоки 13 и 14.

Важной составной частью устройства являются блоки 6 и 8 в которых хранятся конфигурационные файлы. Рабочая конфигурация располагается в блоке 9 устройства и определяет его текущие настройки. Загрузочная конфигурация расположена в 11 и содержит команды операционной системы, которые выполняются в момент его загрузки.

Операционная система предназначена для управления работой устройства путем организации программно-аппаратного взаимодействия между блоками 7, 8, 9, 12, 13, 14, соединенных системной шиной 10.

Интерфейс информационного взаимодействия летательного аппарата и его цифрового двойника содержит три бортовых модуля информационного взаимодействия с цифровым двойником, три порта подключения к локальной сети ЛА (порты LAN), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), процессор, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), системную шину, содержащую 14 входов-выходов, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ), блок формирования «Bundle», блок хранения bundle (КЭШ-память), блок резервного копирования, блок управления и индикации, блок питания, три порта подключения к внешней сети передачи данных (порты WAN), блок приема-передачи информации по каналам сотовой связи, блок приема-передачи информации по каналам спутниковой связи, блок приема-передачи информации по каналам бортовых систем передачи информации, соединенные определенным образом. Обеспечивается организация двустороннего информационного взаимодействия между летательным аппаратом и его цифровым двойником по каналам мобильной связи или по каналам специализированных бортовых систем передачи данных. 1 ил.

Устройство для информационного взаимодействия летательного аппарата и его цифрового двойника, характеризующееся тем, что оно включает:

три бортовых модуля информационного взаимодействия с цифровым двойником, входы-выходы которых соединены с первыми входами-выходами портов локальной сети летательного аппарата;

вторые входы-выходы портов локальной сети летательного аппарата соединены с первым, вторым и третьим входами-выходами системной шины;

четвертый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока резервного копирования;

пятый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока формирования информации, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом блока хранения информации;

шестой вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока питания;

седьмой вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока управления и индикации;

восьмой вход-выход системной шины соединен с входом-выходом перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства;

девятый, десятый и одиннадцатый входы-выходы системной шины соединены с входами-выходами портов подключения к внешней сети передачи данных;

двенадцатый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока постоянного запоминающего устройства;

тринадцатый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом процессора;

четырнадцатый вход-выход системной шины соединен с входом-выходом блока оперативного запоминающего устройства;

второй вход-выход первого порта подключения к внешней сети передачи данных соединен с входом-выходом блока приема-передачи информации по каналам сотовой связи;

второй вход-выход второго порта подключения к внешней сети передачи данных соединен с входом-выходом блока приема-передачи информации по каналам спутниковой связи;

второй вход-выход третьего порта подключения к внешней сети передачи данных соединен с входом-выходом блока приема-передачи информации по каналам бортовых систем передачи информации,

причем бортовые модули информационного взаимодействия с цифровым двойником, блок формирования информации, блок хранения информации и блок резервного копирования выполнены с возможностью передачи информации по беспроводному протоколу, а процессор выполнен с возможностью формирования информации об исправности всех блоков, подключенных к системной шине, и передачи этой информации по беспроводному протоколу.