AFDX航空网络的可靠性建模与性能分析

【类型】学位论文

【作者】王臣虎 

【关键词】 AFDX航空网络 可靠性分析 故障树综合 网络演算 确定性时延 概率约束时延

【摘要】航空电子系统的可靠性很大程度上依赖与负责航空电子子系统之间通信和交互的航电网络的性能，而随着现代具有更全面的功能和更复杂的结构的航电系统的出现，传统的航空电子总线（ARINC429、1553B等）已经难以为新一代航空电子子系统提供充分可靠的通信保证了，首先，传统总线的低带宽不能满足持续增加的航空数据的通信要求。其次，在现代更复杂的航电系统的背景下，传统总线子系统间端到端直接布线的特点使得飞机的重量急剧增加，造成飞机的额外过多的载重和消耗。再次，传统总线扩展性差、布线复杂、成本高昂，也使得其不满足现代航空电子系统的发展方向。航空全双工交换以太网（Avionics Full Duplex Switched Ethernet,简称AFDX）在这种背景下应运而生，有效的解决了传统总线中存在的问题，并逐步的被应用到了空客A380、波音787等大型客机上。ARINC664标准的第七部分，定义了AFDX中航空电子子系统之间数据交换的电器和协议规范，但是，由于AFDX采用异步传输模式的理念（Asynchronous transfer mode），不同子系统之间通过同一个主干网进行通信，不同数据帧在交换机上需要信息元中继，共享通信和计算资源，这使得集合数据流的传输出现竞争，从而给AFDX的新理念和新机制的综合可靠性验证提出了新的要求。本文依据AFDX的协议描述和工作机制，使用故障树理论对网络数据帧的可达性进行了分析和建模，并针对航空电子系统对数据传输的强实时性要求，利用网络演算及其概率扩展理论进行了网络时延的分析与计算。论文的主要工作和研究成果如下：（1）使用静态故障树对AFDX网络建模。分析了AFDX网络服务实体的拓扑分布以及工作机制，抽象出了虚拟链路端到端的故障树逻辑架构，分类考虑了由于网路系统功能部件失效造成的数据帧丢失，以及网络功能部件正常工作时由于网络协议造成的丢帧，最后依据各个基本事件的失效率，利用布尔代数的方法进行了数据帧丢失概率的定量计算。（2）根据AFDX网络中存在的事件动态依赖特性，对AFDX静态故障树进行了优化和完善。利用动态故障树对静态故障树中无法描述的动态故障特性进行了建模，主要指故障树中对事件发生序列敏感的功能模块，包括AFDX链路冗余算法模块，各个交换机的冗余备份等，基于马尔科夫链对AFDX动态故障树进行了定性和定量分析。（3）利用网络演算对确定性传输时延进行了分析。针对AFDX的SP-FIFO调度策略，将数据帧在单服务节点上的时延分离为本优先级队列数据流造成的内部时延和其他优先级数据流造成的外部时延，分别考虑了本优先级队列中的最差竞争结果和其他优先级队列最差到达情况，得出了单服务节点上可能的最大时延，同时对确定性时延进行了端到端多跳路径上的扩展，通过黑盒网络系统计算了端到端时延。（4）论文对时延的分布概率进行了基于随机网络演算的分析。针对AFDX网络中不同数据流的安全要求级别和交换机的差分服务架构，分别对飞行控制数据流和其他航空数据流进行了概率约束时延的计算，比较了确定性时延和概率约束时延的差别和适用场景。（5）基于一个AFDX航空网络的工业配置实例，按照虚拟链路数据帧的可达性和可用性要求，完成了综合可靠性分析与验证。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】上海交通大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】胡飞，李健

【读秀链接】读秀链接