航空專用網(wǎng)絡(luò)故障檢測技術(shù)研究論文
摘要：文章深入研究了多種航空專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)航空網(wǎng)絡(luò)特點和具體應(yīng)用的需求，分析總結(jié)了航空專用網(wǎng)絡(luò)中存在的多種故障模式，并針對各種故障模式提出了適用于航空網(wǎng)絡(luò)的切實可行的故障檢測方法。該方法目前已在多個型號飛機的機電、航電網(wǎng)絡(luò)上論證并實現(xiàn)，經(jīng)過了實驗室和機上大量的功能測試和驗證，可滿足具體型號的技術(shù)要求，能夠及時準(zhǔn)確的檢測出網(wǎng)絡(luò)運行過程中的已定義故障，具有良好的可用性和可靠性。
關(guān)鍵詞:航空網(wǎng)絡(luò)；故障檢測
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，多種適用于航空電子的專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如AFDX網(wǎng)絡(luò)、FC總線、1394總線、1553總線技術(shù)）也得到了大力發(fā)展。航空網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有連線少、資源能共享能力強、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強、易于維護和擴展等優(yōu)點，能夠顯著提高了飛機的綜合性能。為了提高航空網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，這就需要自主研發(fā)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)故障檢測技術(shù)，用以保證整個機載網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備安全可靠的運行。航電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各類傳感器、終端設(shè)備和接口數(shù)量眾多，對網(wǎng)絡(luò)故障檢測技術(shù)的安全性、穩(wěn)定性和正確性的要求非常高，一般的網(wǎng)絡(luò)故障檢測技術(shù)無法滿足其需求。因此，應(yīng)該大力研究和發(fā)展航空專用網(wǎng)絡(luò)故障檢測技術(shù)。本文根據(jù)機載網(wǎng)絡(luò)的故障檢測要求，重點研究了多種拓撲結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)故障模式，并針對故障模式提出了對應(yīng)的故障檢測方法。
1航空網(wǎng)絡(luò)故障檢測的需求
航空網(wǎng)絡(luò)故障檢測技術(shù)，不僅應(yīng)該在系統(tǒng)規(guī)定的條件下檢測出已定義的故障，還必須滿足其自身的特殊需求，即:1）實時性：故障檢測技術(shù)必須能夠高效監(jiān)視航空網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點設(shè)備的狀態(tài)，必須能夠在規(guī)定的時間范圍內(nèi)檢測出已定義故障；2）可靠性：故障檢測技術(shù)本身必須是可靠的，能夠技術(shù)檢測出故障且不會誤報不存在的故障；3）低流量：盡管被監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備數(shù)量眾多、位置分散，但故障檢測技術(shù)作為一種基礎(chǔ)服務(wù)引入網(wǎng)格環(huán)境中，要求其對整個網(wǎng)格通信性能影響到盡可能的小，所耗費的資源盡可能低；4）靈活性：航空網(wǎng)絡(luò)中的故障檢測技術(shù)會用于網(wǎng)絡(luò)中各個不同的設(shè)備，要與不同類型的應(yīng)用程序兼容，要求故障檢測技術(shù)能夠根據(jù)應(yīng)用程序類型的不同和需求的不同，相應(yīng)調(diào)整檢測策略。
2航空網(wǎng)絡(luò)特點分析
航空網(wǎng)絡(luò)的故障模式與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議特性和拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，分析故障模式時必須考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性的拓撲結(jié)構(gòu)
2.1航空網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議特性
航空專用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多種多樣，他們具有如下共同的特點：1）可靠性：航空網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)通信的可靠性要求較高，希望各設(shè)備按照事先定義的方式穩(wěn)定運行，不允許既定數(shù)據(jù)丟失，也不允許產(chǎn)生不希望的數(shù)據(jù)。2）實時性：航空專用網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)通信的時間有著嚴(yán)格的要求，即規(guī)定了多個設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信應(yīng)該在固定的時間內(nèi)完成，不可拖延。3）確定性：航空專用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有可定義性，且各個消息應(yīng)該在規(guī)定的范圍內(nèi)到達目的節(jié)點，該時間范圍可確定。
2.2航空網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
航空專用網(wǎng)絡(luò)一般為星型或總線型的拓撲結(jié)構(gòu)，其中比較有代表性的有星型結(jié)構(gòu)的AFDX網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，和總線結(jié)構(gòu)的ARINC825CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。AFDX網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為可拓展的星型拓撲結(jié)構(gòu)，由端系統(tǒng)（EndSystem）、交換機（Switch）和傳輸鏈路組成，每個交換機允許連接若干個端系統(tǒng)，多個交換機可以互聯(lián)組成更大的網(wǎng)絡(luò)。ARINC825網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可設(shè)計為總線型拓撲結(jié)構(gòu)，多個節(jié)點機通過與公共總線連接，組成總線型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點之間可以是對等的關(guān)系，也可以根據(jù)實際需要設(shè)計為主從模式。
3故障模式分析和檢測
航空網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點機和連接節(jié)點機的設(shè)備組成。可以按照故障所在的位置，將航空網(wǎng)絡(luò)中的故障分為單節(jié)點故障和網(wǎng)絡(luò)連接故障。
3.1單節(jié)點故障分析和檢測
單節(jié)點故障是指網(wǎng)絡(luò)中某一單個節(jié)點發(fā)生了故障，該故障只對本節(jié)點的相關(guān)功能有影響，不應(yīng)影響網(wǎng)絡(luò)整體功能。該故障有以下幾種類型。1）硬件故障硬件故障是指構(gòu)成節(jié)點設(shè)備的各部分硬件出現(xiàn)的故障。硬件故障一般與時間和環(huán)境相關(guān)，一般來說，硬件故障可能是FLASH故障、CPU故障、SDRAM故障、DPRAM故障、時鐘故障、PCI總線故障等。該故障的檢測方法分為以下幾種：對于DPRAM或SDRAM等具有存儲功能的部件，檢測一般為方法讀寫操作或CRC校驗和對比；對于CPU或DSP等具有計算功能的部件，檢測方法一般為算術(shù)和邏輯運算。2）軟件故障軟件故障是指軟件沒有按照既定的方式運行，或無法應(yīng)對突發(fā)的異常時產(chǎn)生的故障。該故障一般為邏輯級故障、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)故障、軟件差錯和系統(tǒng)級的故障。軟件故障的檢測方法有：看門狗、心跳檢測、狀態(tài)監(jiān)控、異常中斷。3）通道故障通道故障是指節(jié)點設(shè)備的通信通道出現(xiàn)了故障，無法接入網(wǎng)絡(luò)。通道故障的檢測方法較多，但最可靠的檢測方法為收發(fā)環(huán)路法，即節(jié)點機向網(wǎng)絡(luò)中的另一設(shè)備發(fā)送一個請求，并在固定的時間內(nèi)收到該請求的正確響應(yīng)。
3.2網(wǎng)絡(luò)連接故障分析和檢測
鏈路故障是指網(wǎng)絡(luò)中連接各節(jié)點機的鏈路發(fā)生了故障，該故障可能導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)無法正常通信。該故障有如下幾種類型。1）核心設(shè)備故障航空網(wǎng)絡(luò)中的核心設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵部件，一般是指星型拓撲結(jié)構(gòu)中的交換機，或者總線型拓撲結(jié)構(gòu)中的總線連接設(shè)備。核心設(shè)備故障故障是指這些關(guān)鍵設(shè)備無法正常工作，從而導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點不能通信，成為一個個孤立的節(jié)點設(shè)備。2）網(wǎng)絡(luò)斷裂網(wǎng)絡(luò)斷裂是指網(wǎng)絡(luò)中某處通道連接的故障，導(dǎo)致多個節(jié)點組成的整體網(wǎng)絡(luò)斷裂成若干個局部網(wǎng)絡(luò)，雖然各個節(jié)點的通信功能正常，但無法執(zhí)行整體的網(wǎng)絡(luò)功能。3）節(jié)點脫離節(jié)點脫離是指某節(jié)點設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接斷開，無法了接入網(wǎng)絡(luò)中。該故障會導(dǎo)致此節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)脫離，成為孤立的節(jié)點。從以上分析可知，檢測網(wǎng)絡(luò)連接中的故障，不僅要檢測單個節(jié)點，還應(yīng)充分考慮所有節(jié)點的相互通信。可以引入網(wǎng)絡(luò)管理的概念，在網(wǎng)絡(luò)中定義一個管理端，其他的節(jié)點作為代理端。管理端可以主動的向代理端發(fā)送Get請求，代理端收到請求后將自身的狀態(tài)信息整理好發(fā)回管理端，管理端就可以獲取網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的狀態(tài)信息，從而獲取網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的狀態(tài)（包括節(jié)點自身狀態(tài)和與網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)）。
4故障檢測實現(xiàn)與驗證
4.1單節(jié)點故障檢測方法
對于單個節(jié)點的故障，采用BIT（Build-In-Test）的方法進行檢測。BIT可根據(jù)運行時機分為三類：上電BIT、周期BIT、維護BIT。1）上電BIT：該功能在設(shè)備上電時執(zhí)行，檢測設(shè)備的關(guān)鍵部件是否存在異常，如CPU、存儲設(shè)備（FLASH、DPRAM）、時鐘。該項檢測應(yīng)該在很短的時間內(nèi)完成，并存儲檢測結(jié)果。2）周期BIT：該功能在設(shè)備正常工作時周期的執(zhí)行，在不影響正常功能的情況下檢測設(shè)備中的部件是否存在異常，該檢測應(yīng)注重實時狀態(tài)，如軟件是否正常運行，時鐘是否穩(wěn)定增長。該檢測應(yīng)周期執(zhí)行，并存儲檢測結(jié)果。3）維護BIT：該檢測在設(shè)備處于維護狀態(tài)時執(zhí)行，應(yīng)該全面的.檢測設(shè)備的運行情況，檢測范圍可以很廣，檢測時間可以較長。該檢測在設(shè)備正常運行時禁止使用。三類BIT的使用規(guī)則為：上電后立即執(zhí)行上電BIT，設(shè)備運行過程中周期的執(zhí)行周期BIT，設(shè)備在維護狀態(tài)下執(zhí)行維護BIT。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備多種多項，所以BIT的檢測項和檢測方法可根據(jù)具體情況來定義。三類BIT綜合使用，可以全面的檢測出設(shè)備中已定義的故障。將三類BIT的檢測結(jié)果綜合處理，形成節(jié)點狀態(tài)信息，并將該狀態(tài)信息妥善存儲，將周期BIT的檢測結(jié)果實時更新到該信息中。
4.2網(wǎng)絡(luò)連接故障檢測方法
網(wǎng)絡(luò)連接故障檢測的基本思想為：網(wǎng)絡(luò)管理。在網(wǎng)絡(luò)中，將某一節(jié)點定義為管理端，其他節(jié)點定義代理端。管理端可以向所有代理端發(fā)送請求，并在規(guī)定時間內(nèi)接收到各個代理端的響應(yīng)消息，根據(jù)收到響應(yīng)消息的情況判斷整個網(wǎng)絡(luò)中的故障類型。但由于管理端本身也是一個節(jié)點，也有可能出現(xiàn)連接故障和設(shè)備故障，所以網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置兩個管理端互為備份。使用網(wǎng)絡(luò)管理方法進行網(wǎng)絡(luò)連接故障檢測的判斷準(zhǔn)則如下：1）管理端向某節(jié)點發(fā)送請求后，沒有在規(guī)定時間內(nèi)接收到響應(yīng)消息，則可判斷該節(jié)點故障。故障類型可能為連接故障或節(jié)點設(shè)備故障。通過查看該節(jié)點的自身狀態(tài)信息，判斷故障為連接故障還是節(jié)點故障。2）管理端向某節(jié)點發(fā)送請求后，在規(guī)定的時間內(nèi)收到了響應(yīng)消息，但響應(yīng)中的狀態(tài)信息中存在異常情況，即可檢測出該節(jié)點中存在的具體故障。3）管理端向某節(jié)點發(fā)送請求后，在規(guī)定的時間內(nèi)收到了響應(yīng)消息，且響應(yīng)中的狀態(tài)信息中不存在異常情況，則說明該節(jié)點沒有任何故障，可正常工作。
5總結(jié)
本文設(shè)計和實現(xiàn)的機載網(wǎng)絡(luò)故障檢測方法已完成工程設(shè)計與實現(xiàn)，并通過了大量測試驗證，其功能和性能滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。該技術(shù)對我國自主研發(fā)新一代飛機的機載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有重要意義和價值。由于機載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與升級，且網(wǎng)絡(luò)中存在的故障很難定義全面，還應(yīng)該深入分析網(wǎng)絡(luò)的特點，提高存在故障的定義率；并考慮故障檢測技術(shù)的可靠性、安全性需求，進一步改進和完善適用于航空網(wǎng)絡(luò)的故障檢測技術(shù)。
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