航电网络

航电网络（共7篇）

航电网络 篇1

光纤通道(Fiber Channel,FC)[1]是美国国家标准委员会于1988年开始制定的高速串行传输协议,采用通道技术控制信号传输,信道的传输速率极高,误码率很低,适用于网络负载较重的应用。光纤通道在航电系统中的应用也越来越多,如在F/A-18、长弓阿帕奇直升机都得到了应用,以光纤通道来代替现在航空电子的主网络1553,构建新一代航空电子网络已经成为航电系统的优先选择。

目前关于航电网络性能分析的文献主要分为理论分析和网络仿真。其中理论分析主要解决网络最大延迟分析的问题,旨在从理论上论证特定网络配置和调度算法等是否可以满足实时数据传输的要求。尽管理论分析可提供对延迟的上限分析,但仍有一定的局限性,为了保障航电网络的高度可靠性,通常仍需使用网络仿真进行进一步验证。本文即以FC航电网络新调度算法及其仿真技术为研究内容,开展相关研究工作。

文献[2]分析了光纤通道交换机的分组调度策略,对加权循环调度[3](Weighted Round Robin,WRR)算法实时性能进行了理论分析并通过仿真进行了验证,由于WRR是以包为单位的,因此存在变长分组引起的不公平现象;文献[4]对FC网络不同拓扑结构的实时性进行了测试;文献[5]建立了基于FC的交换式网络和仲裁环网络,并且进行了延迟和吞吐量的分析,文中交换机的调度采用先来先服务的方法,但是网络中各个节点的数据流需要的带宽不同,采用先来先服务在一定情况下不能完全满足时延的要求。基于上述文献,本文在OPNET中建立基于FC的航电网络模型,使用差值轮询调度[6](Deficit Round Robin,DRR)算法作为交换机的调度算法,分析了网络的实时性和吞吐量。

1基于FC的航电网络模型

目前航电系统的问题是通信范围的限制导致出现了复杂不可变规模和高成本的结构。解决方法是使用标准的、高带宽、串行互连技术,即可变规模光纤实时互连。图1是用光纤通道实现的可变规模实时互连的一个方案[7],该方案简化了总线互联,具有较高的带宽。

针对航电网络的高带宽、高可靠性、低延迟等特点,采用光纤通道建立完整的航电网络。航电网路系统由雷达、传感器、大气机、数据处理器、显示器等终端节点和光纤交换机组成,网络拓扑结构和数据流向相对固定。终端节点的功能可简化为生成FC数据包并发送到交换机,接收交换机转发过来的数据包并进行处理,交换机负责对数据包进行高效的转发。

2 航电网络交换机的调度算法

调度算法性能主要通过延时、公平性、算法复杂度、吞吐量以及带宽利用率来衡量。现存的调度算法主要分为2大类:分类优先级调度和基于帧的调度。分类优先级调度也称为类GPS(Generalized Processor Sharing)调度[8],该算法维持一个虚拟时间的全局变量,每个分组的优先级根据全局变量计算的时间戳区分,按照时间戳递增顺序被调度。这类算法能提供较好的公平性和较低的时延,但计算虚拟时间使算法复杂度高。基于帧的调度算法主要是轮询式,调度器以轮询的顺序为所有非空队列服务。在每次服务中,业务流按照预分配的带宽接受服务,既不需要维持全局变量,也不要求根据变量来选择被服务的分组,算法复杂度低。根据不同的分配带宽原则有DRR算法和WRR算法等几种算法。

在上述几种调度算法中,DRR算法复杂度低,具有较小的延迟并且有确定的延迟上界。在DRR调度器中,每个服务队列都有一个量子值和差额计数器,量子值为每一个轮询周期队列获得服务的平均比特数,比特数越大,得到的带宽也越大。差额计数器是调度器还需为该队列服务的比特数,调度器根据量子值和差额计数器为各个端口服务。对于航电系统中的非周期性数据,也可以转变为周期性数据,所以本文在交换机内部使用DRR算法。

端口队列调度模型如图2所示,假设整个网络中共有N个数据流,输出端的处理能力是C,第i个数据流的差额值是Di,量子值是Qi,定义

$F={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}Q}{}_i$ (1)

是一个轮询中所有队列要传输的总的数据量,Di ,Qi和F的单位都是比特。系统初始化时,已经为每个队列分配了一个量子值Qi,差额计数器Di初始化为Qi。调度器检查第i个输入队列,如果对应端口队列的Di大于零,相应的队列就获得服务。分组获得服务后,Di将减去该分组的字节数,直到Di等于零或者Di的值小于队列头的第一个分组的大小,此时队列不获得服务。调度器为下一个队列服务,当所有队列都被服务过一次后,此次轮询周期结束。下一个轮询周期开始时,所有Di重新初始化为上次剩余的差额值加上量子值。

设θi是第i条数据流的延迟上界,在文献[9]中已经证明使用DRR算法的延迟上界是:

$\theta {}_i=\frac{3F-2Q{}_i}{C}$ (2)

由式(2)可以得出,对于不同的数据流具有不同的延迟,但是各个数据流都有确定的延迟上界,量子值小的数据拥有较大的最大延迟。

3 使用OPNET仿真航电网络

通过仿真可以获得端到端延迟,系统吞吐量,链路利用率等性能参数,对这些参数的分析可以评价该网络是否能满足航电环境的要求。本文使用OPNET仿真工具仿真基于FC的航电网络,并对航电网络的性能进行评价。航电网络中的节点主要分为交换机节点和终端节点。

3.1 终端模型

在OPNET中终端节点负责数据生成、发送数据、接收数据、销毁数据、数据的统计,在OPNET中终端节点的模型如图3所示。在该模型中,src根据某种分布生成数据包,是数据的生成端; proc的进程模型如图4所示,该模块负责将src模块产生的数据按一定规格编码,由xmt模块发送,同时分析统计从rcv模块接收到得数据并进行相应的处理;rcv和xmt分别是收信机和发送机;q_rcv和q_xmt是输入输出队列。

3.2 交换机模型

交换机的模型如图5所示,交换机采用组合输入交叉排队(Combined Input-Crosspoint Queueing,CICQ)结构,在输入端使用虚拟输出队列(Virtual OutPut Queuing,VOQ),可有效解决排头阻塞问题,同时在交叉点设置缓存,使端口的输入调度和输出调度分开,有效提高了交换机的性能。本文实现了四端口的交换机,图中p_in_i(i=0,1,2,3)负责根据接收到的数据包的地址信息,把数据包插入相应虚拟输出队列中去;p_proc_i(i=0,1,2,3)按照DRR算法把虚拟输出队列中的数据包发送到输入与输出端口交叉节点的缓存中,实现端口的输入调度;q_i_j(i,j=0,1,2,3)模拟交叉节点的缓存;p_out_i(i=0,1,2,3)按照DRR算法对队列q_0_i,q_1_i,q_2_i,q_3_i(i=0,1,2,3)进行调度,实现端口的输出调度。

在上述交换机模型中,p_proc_i,p_out_i (i=0,1,2,3)分别在端口的输入端和输出端实现DRR算法,它们的进程模型如图6所示。例如对于端口i的输入端,初始化时为各个虚拟输出队列分配量子值,差额计数器初始化为量子值。然后进入idle状态,p_proc_i首先为第一个虚拟输出队列服务,进入状态sch_queue_0。当为第一个虚拟输出队列服务完后,先回到idle状态,然后为第二个虚拟输出队列服务,进入sch_queue_1,直到所有虚拟输出队列都获得服务。Idle还负责一个轮询周期在什么时候结束以及更新差额计数器的值。端口输出端的调度与输入端类似,在此就不再详细介绍。

3.3 链路模型

链路模型的传输速率设定为2 Gb/s。

3.4 帧模型

FC交换型网络的帧模型按照FC的标准分为数据帧,确认信号ACK和准备好信号R_RDY。

4 仿真分析

4.1 仿真模型的建立

在OPNET Modeler中,通过已建立的终端节点模型、交换机模型、链路模型和数据帧模型,就可以根据网络的拓扑结构在OPNET工程编辑器中以适当的方式放置这些节点模型,从而将整个仿真网络系统映射为OPNET网络模型。使用OPNET建立的网络模型如图7所示,网络中一共4个终端和一个交换机节点。本文使用FC协议中的2类服务,2类服务提供面向无连接有确认的传输服务,用于多路传输,采用缓存到缓存和端到端的流量控制。

4.2 仿真实验与结果分析

4.2.1 传输时延实验与分析

航电网络对数据包的传输时延要求较高,不同的数据流对时延的要求也不同,不同数据流的延迟相互也会影响。下面通过仿真实验,测试数据包的端到端延迟,分析各条数据流的延迟。实验中链路速率设置为2 Gb/s,网络的数据流如表1所示。

按照表1设置各个终端节点,运行仿真,仿真结果如图8,图9所示。

图8中的五条曲线表示五个数据流的端到端延迟,从图8中可以看出,各个数据流都具有延迟上界,数据流S1,S2,S3,S4,S5的最大延迟分别是35.3 ms,38 ms,36.4 ms,37.5 ms,36.8 ms都小于允许的最大延迟50 ms。各条数据流的最大延迟与最小延迟相差不到4 ms,延迟时间相对比较稳定。说明DRR算法在某种程度上可以满足航电网络的实时性要求。图9是使用DRR算法的延迟与使用先来先服务的延迟比较,结果表明在交换机内部使用DRR算法可以有效降低端到端的延迟,满足一定的实时性,提高网络的性能。

4.2.2 吞吐量实验与分析

网络吞吐量是航空电子网络的重要性能指标,网络吞吐量定义为单位时间内成功传送的有效数据量,通常使用归一化网络吞吐量,它定义为单位时间内成功传送的有效数据流与网络数据容量之比,简称吞吐量。为了验证使用DRR算法后系统的吞吐量,实验仍然使用上面提到的5条数据流,不同的数据流S2的发送周期随仿真时间而线性减小,到达一个固定值后不再减小,仿真结果如图10所示。

从图10中可以看到,使用DRR算法后,系统的吞吐量可以达到80%左右,而使用先来先服务的方法系统的吞吐量只有60%多。实验表明,交换机使用DRR算法后可以有效提高系统的吞吐量。

5 结束语

光纤通道作为一种新型的总线结构,将广泛用于航电网络的互连,本文针对光纤通道在航电网络的应用,将复杂的网络结构简化,在CICQ结构交换机的输入端和输出端使用DRR算法,然后在OPNET中建立航电网络模型。通过仿真验证,该算法具有更小的端到端延迟,并且有确定的延迟上界,能够满足一定的实时性,提高了系统的吞吐量,为未来使用FC进行航电系统互连提供一种设计和评价方法。

摘要：研究了光纤通道技术的应用,使用OPNET建立了基于光纤通道的航电网络,并且按照协议标准建立了终端节点和交换机节点的有限状态机模型。交换机使用组合输入交叉排队(Combined Input-Crosspoint Queueing,CICQ)结构,在输入端口和输出端口使用差值轮询调度(Deficit Round Robin,DRR)算法,然后使用OPNET进行仿真,分析了网络的端到端延迟和吞吐量。结果显示在航电网络中,使用DRR调度算法,能够显著降低数据包的端到端延迟,满足一定的实时性,提高网络的吞吐量,表明此模型适合航电网络。

关键词：航电网络,DRR,OPNET,延迟,归一化吞吐量

参考文献

[1]宋少峰.光纤通道在航空计算领域的研究和应用.西安.西北工业大学硕士论文,2007

[2]林强,熊华钢,张其善.光纤通道交换机在强实时约束下的分组调度.计算机学报,2006;29(4):570—575

[3] Katavenis M,Sidiropoulos S,Courcoubetis C.Weighted round-robincell multiplexing in a general-purpose ATM switch chip.IEEE Jour-nal on Selected Areas in Communication(S0733-8716),1991;9(8):1265—1279

[4]郭蔡健,熊华钢,徐亚军.航空电子FC不同拓扑结构和服务类的实时性测试.计算机工程与应用,2009;45(31):60—62

[5]周天然,宋丽茹,熊华钢,等.航空电子环境下FC网络的建模与仿真.北京航空航天大学学报,2008;34(10):1117—1120

[6] Shreedhar M,Varghese G.Efficient fair queuing using deficit roundrobin.IEEE/ACM Transactions on Networking(S1063-6692),1996;4(3):375—385

[7]支超有.机载数据总线技术及其应用.北京:国防工业出版社,2009:427—428

[8] Parekh A K,Gallagher R G.Generalized processor sharing approachto flow control in integrated services network:the single-node case.IEEE/ACM Transactions on Networking(S1063-6692),1993;1(3):344—357

[9] Stiliadis D,Verma A.Latency-rate servers:a general model for analy-sis of traffic scheduling algorithms.IEEE Transactions on Networ-king,1996;6(3):611—624

航电网络 篇2

本文设计一种集成化、多接口、可配置的航电网络测试平台, 支持对以AFDX网络为主干的航电网络通信测试, 同时集成了多接口功能, 可以实现对多路ARINC825总线、ARINC429总线等二级总线及航电网络系统的传感器、作动器I/O接口进行测试。通过灵活的配置和测试用例设计, 可以实现对网络不同场景、不同传输路径及数据流量的测试验证, 能够有效地完成对航电网络数据传输的测试, 保证航电系统数据传输的正确性。

1 航电网络架构及其测试分析

机载航空电子系统的发展经历了分立式、联合式、综合式和先进综合式4个阶段[1], 其系统综合化程度不断提高, 因而作为航空电子系统互联基础的总线网络也向着集中式、统一化发展。在国内外先进飞机航电系统中, 均采用了综合模块化航电技术作为其航电系统的主要架构, 提高了航电系统的综合化水平。综合模块化航电网络系统基本架构如图1所示。

图1中, 航电网络系统组成主要包括IMA核心处理平台、主干网络交换设备、航电子系统和远程数据采集器等设备, 通过主干网络进行互联。一般航电网络系统采用双冗余的架构, IMA核心处理平台、主干网络交换设备及子系统均采用多台设备以实现双冗余的架构。远程数据采集器实现二级总线及航电系统中其他的传感器、作动器数据向主干网络的接入及传输, 通过远程数据采集器实现二级总线、传感器数据向核心处理机的采集和传输, 实现核心处理机对外部作动器的输出控制[2]。

按照图1所示综合模块化航电的架构, 对航电网络的测试, 测试平台必需要作为航电网络系统的一个组成部分, 接入到航电主干交换网络中, 能够通过交换机同网络中所有的子系统及其他设备进行通信, 同时, 测试平台需要具备航电网络中二级总线、I/O接口功能, 一方面, 能够作为测试接口对航电网络中其他设备的接口进行测试, 另一方面, 可以模拟航电子系统功能实现多种类型数据的注入测试。在目前先进飞机 (A380、B787、C919) 的航电网络中, 均采用AFDX作为其主干交换网络[2,3], 针对以图1所示的综合模块化航电网络, 本文设计的多接口集成化的测试平台集成了主干的AFDX网络接口, 通过AFDX网络接口接入主干网络交换机, 二级总线集成包括机载网络有广泛应用的ARINC825总线、ARINC429总线, 外部I/O集成传感器包括温度传感器、电压采集传感器等, 作动器主要包括为地开、28 V开等信号。

2 多接口集成化测试平台设计

测试平台需要实现对航电网络所有类型通信接口的测试, 同时需要考虑对被测设备的调试、监控等功能。本文测试平台利用模块化的产品, 对其进行集成设计, 实现覆盖了多种接口功能的测试平台, 支持自动化的配置和测试用例构建, 支持模拟仿真航电网络中通信设备的仿真测试, 其总体设计如图2所示。

如图2, 测试平台通过余度AFDX网络接入航电网络核心交换机, 经过余度交换机同航电网络其他各个子系统进行数据通信连接;测试平台提供多条的ARINC825总线, 支持航电网络子系统中的多路CAN总线的接入;多路的I/O和ARINC429接收和发送接口可直接与航电网络中对应接口进行点对点连接测试;通过连接以太网交换机支持对多个航电网络子系统的网口调试功能;通过连接串口交换机支持对多个航电网络子系统模块的串口输出进行监控和显示, 并支持串口调试功能。

2.1 接口设计

根据目前航电网络的接口通信及测试需求, 本文测试平台接口设计如图3所示。

图3给出了测试平台所支持的外部接口, 其中, 配置引脚实现测试平台多个配置表的选择功能, 通过外部硬信号, 选择测试平台中对应的配置表运行测试用例, 支持不同的测试场景, 提高测试平台的灵活性。I/O接口主要用户对航电系统外部传感器、作动器信号的测试, 在输出I/O接口中, 提供了包含28 V开信号、温度信号、差分电压信号和地开信号等48路输出接口, 在输入I/O接口中, 提供了包含28 V开信号和地开信号的12路输入接口, 数据总线接口中设计了余度的ARINC664总线接口、多路的ARINC825和ARINC429总线接口。

在接口设计中, 通过设计配置引脚和多路总线、多路输入输出接口来保证测试平台的灵活性, 实际使用时, 根据需要测试的数据传输路径、接口类型、接口数量等不同测试需求, 可编制多张不同的测试配置表, 将这多张配置表存储在测试平台中, 配置引脚的每一种状态对应一个位置的测试配置表测试过程中, 通过改变配置引脚的状态, 测试平台自动选择对应的配置表, 并加载到测试平台进行测试, 提高了系统的测试效率。

2.2 基于CPCI接口的集成化测试平台设计

CPCI接口是在PCI总线基础上使用标准针孔连接器, 适用于更高可靠性应用场合[4]。测试平台集成了多种网络、总线及I/O数据接口, 采用模块化的思想, 将各种接口功能分配到不同的模块, 通过外部CPCI接口将多个模块集成在一起。通过这种设计, 一方面, 使得测试平台各接口功能相对独立而不互相影响;另一方面, 便于测试平台的维护, 在系统中某个模块或接口出现故障时, 仅需通过对该模块进行更换即可, 提高了测试平台的可靠性和可维护性。测试平台硬件设计如图4所示。

如图4所示, 基于模块化的设计思想, 测试平台由主处理模块、I/O处理模块、AFDX模块、ARINC825模块和ARINC429模块5个模块构成, 通过CPCI总线进行集成互联, 构成一个集成了多模块的测试平台硬件。主处理模块实现测试平台主处理功能, 采用商用的CPCI接口处理器模块实现, 支持Windows操作系统, 支持挂载多个CPCI从设备;AFDX模块通过FPGA实现AFDX的协议层控制, 通过以太网收发器实现AFDX物理层功能, 对外提供冗余的两路AFDX总线接口功能;ARINC825模块通过FPGA实现ARINC825总线协议的链路层控制功能, 配置多路的专用CAN收发器实现多路的ARINC825总线接口功能;ARINC429模块通过FPGA实现AR-INC429协议功能, 配置多路的ARINC429收发器实现ARINC429总线接口功能;I/O处理模块实现测试平台的离散量和模拟量采集和输出控制接口功能, 通过A/D转换实现外部模拟信号的转换, 输入至FPGA实现模拟量和离散量的采集和输出控制, 配置引脚作为外部的离散量输入, 也由I/O处理模块来进行采集。

测试平台的AFDX模块、ARINC825模块、ARINC429模块和I/O处理模块均以FPGA为核心进行设计, 各模块与主模块的通信方式采用共享双口的形式完成, 在FPGA内部实现一个内部双口DPRAM, 用于主模块和各子模块的数据交互通信, 该DPRAM通过CPCI总线向主模块开放。在FPGA内部实现对各总线的协议层控制和处理, 实现对模拟量和离散量的数据I/O采集和输出控制功能。

3 测试平台软件设计

测试平台软件运行在Windows操作系统环境的主处理模块上, 其面向航电网络测试的主要功能包括:测试的配置解析及加载、网络数据监控、网络数据流量注入、测试数据的保存和离线分析等。测试平台软件层次结构如图5所示。

如图5所示, 测试软件运行在硬件层之上, 按层次划分为系统层、驱动层、中间件层和应用层。硬件层为本文设计的基于CPCI总线的集成化测试平台, 完成各种网络总线及I/O接口的硬件功能;系统层为软件运行的操作系统, 采用Window操作系统平台;驱动层运行在操作系统之上, 提供包括AFDX模块、ARINC825模块、AR-INC429模块及I/O处理模块的驱动程序, 支持各模块的硬件初始化、配置加载、数据接收和发送、数据采集和输出控制等功能, 为上层的系统测试提供最底层的驱动功能;中间件层对驱动层各种软件接口进行统一的封装, 面向上层屏蔽底层驱动的差异, 向上层提供统一的调用和驱动接口, 简化了上层软件的设计, 避免由于底层驱动软件的修改而导致的上层软件改动, 提高了软件设计与实现的效率。应用层基于底层的驱动实现测试平台的主要功能, 包括配置管理、数据监控、数据分析和数据注入等。配置管理功能完成测试配置的解析、校验和加载, 按照约定的格式对存储在测试平台的配置表进行解析, 对配置内容进行校验, 校验正确后, 按照解析出的测试配置, 对测试所需的平台软硬件接口进行初始化并启动其工作;数据监控功能实时监控并显示测试平台接收到的所有接口消息内容, 并对其接收到的消息按照协议定义的各字段含义进行解析;数据分析功能完成测试平台监控到消息的存储和离线分析功能;数据注入功能按照设计的测试用例, 按照其时间特性向航电网络中注入测试数据, 支持按照协议定义的各个字段进行测试数据的组织。可视化界面软件是用户与测试平台的交互界面, 基于测试用例完成测试平台各种功能的显示和控制功能。

4 测试验证

搭建了图2所示的测试环境, 航电网络由两台AFDX交换机和一台具备多总线接口远程数据采集器构成, 对航电网络测试平台的接口的通信及采集等功能进行了测试验证, I/O接口的数据采集测试考虑到连接线引起的误差, 通过软件对其测量结果进行了补偿校正, 测试结果如表1所示。

表1中温度输出和差分电压输出接口测试, 在量程范围内由测试平台控制不同的输出值, 在航电网络端对输出值进行采集, 并计算测量误差, 测量结果满足应用精度要求。

本文结合目前先进飞机的航电网络架构及其接口类型, 设计了一种集成化、多接口、可动态配置的航电网络测试平台, 可实现对航电网络的接口测试、模拟仿真及系统测试功能, 通过管脚编程可动态选择不同测试配置和测试用例, 设计并实现了其硬件平台及上位机测试软件, 在对航电网络系统测试的工程实践中得到了很好的应用。

参考文献

[1]熊华钢, 周贵荣, 李峭.机载总线网络及其发展[J].航空学报, 2006, 27 (6) :1135-1144.

[2]孙欢庆.民用飞机综合航电系统技术发展研究[J].航空科学技术, 2010 (3) :6-8.

[3]赵永库, 李贞, 唐来胜.AFDX网络协议研究[J].计算机测量与控制, 2011, 19 (12) :3137-3142.

航电枢纽清污系统改造 篇3

关键词：清污机,门座式起重机,转运小车

0引言

汉江崔家营航电枢纽工程位于汉江中游丹江口—钟祥河段,坝址位于湖北省襄阳市下游17 km处,是一个以航运为主,兼有发电、灌溉、供水、旅游、水产养殖等综合开发功能的项目。电站安装6台15 MW灯泡贯流式发电机组,额定水头下耗水量366 m3/s,年利用小时4331 h,年平均发电量3.89亿k W·h,枢纽于2010年全面建成投运。

每年汛期,当河水流量在2000~3500 m3/s时,上游支流的大量水草顺流而下,聚集在发电站机组进水口,草堆厚度将近2 m。原有1台移动式耙斗清污机清污能力有限,导致机组拦污栅经常性堵塞,影响机组出力,严重时直接造成机组逆功率事故停机。水流在进水口1#~6#机组挡墙形成涡流,如果6#机堵塞将蔓延至5#机堵塞,6#,5#堵塞将蔓延4#机堵塞,如此恶性循环。因水草堵塞,机组负荷只能达到额定负荷的70%。表1为清污系统改造前2011年9月的发电量统计,从数据可以看出因清污不及时给电站造成直接发电经济损失高达27.4万元/天。

1清污系统设计构成

崔家营航电枢纽清污系统设计主要由浮式拦污栅、进口拦污栅、耙斗式清污机组成。

(1)浮式拦污栅。浮式拦污栅由127个的浮栅单元(浮箱)组成,通过36ZAB6X19+FC1670SZ钢丝绳串联并固定,浮式拦污栅主要用于拦住漂浮物,避免漂浮物直接冲进进水口拦污栅造成堵塞。

(2)进口拦污栅。进口拦污栅由1组75度角斜栅构成,由栅叶、清污导板、支撑钢柱组成,设置在机组进水口前,用于拦阻水流挟带的水草、漂木等污物。

(3)耙斗式清污机。1台2×80 k N耙斗式移动清污机装于机组流道进水口检修平台,主要用于电站6台机组流道进水口拦污栅栅面清污和水平运污。清污机采用液压耙斗,耙斗宽3.75 m,最大容量2 m3。

2原有清污设施存在的问题

(1)水草数量远远超出预期。汉江上游及唐白河支流河道的杂草每年汛期顺流而下,漂流至崔家营上游坝区水域。在泄水闸没有泄洪、电站发电的情况下,杂草会随水流在电站浮式拦污栅前聚集,崔家营清污系统为普通配置,汛期水草聚集量超出了设计清污能力。

(2)浮式拦污栅拦污效果有限。当杂草垃圾在拦污栅前聚集较多时,整个浮式拦污栅会有较大的弯曲弧度,杂草全部聚集在弯曲部位,堆积到一定程度后,从浮式拦污栅底部翻进电站进水口,在拦污栅前大量聚集。

(3)耙斗式清污机清污效率低。耙斗式清污机完成一次清污过程平均耗时约10 min,打捞杂草约1 m3,从6#机组清污点至卸污场往返用时10 min,且清污范围局限于进口拦污栅栅面,另外清污耙斗自身重量不够,遇到吸附在拦污栅厚实的草堆,清污耙斗下不去抓不动,能力有限,种种缺陷造成清污能力效率低,清污机无法解决大量杂草问题,只能作为辅助的清污工具或非汛期的栅面清污工具。

(4)清污机不能动水清污。清污机采用下水电缆控制液压耙斗,下水电缆由于自重和水流作用,频繁扯断电缆;同时液压耙斗在水流作用下,经常出现抓空现象。当大量杂草被发电水流吸附在拦污栅前时,清污耙斗下不去也抓不动,需停机清污。

(5)清污存在“盲区”。部分杂草、污物可穿过拦污栅进入检修门槽,造成机组技术供水管路堵塞、放检修叠梁门时门底因杂物造成检修门漏水。现有清污设备无法清理门槽内杂物,只能使用人工清污,清污任务重而且危险性大。

3清污系统改造

结合现场条件,针对清污系统存在的问题,通过局部改造、增加设备、更换设备、优化设计等方式进行的一系列改造,提高了清污效率,降低了发电损失。改造后的清污系统现场布置如图1所示。

3.1增加固定门座式起重机和专用排漂门

根据6台机组发电时的水流在6#机位置形成涡流,杂草在6#机前拦污栅聚集的特点,结合现场水工建筑物的实际布置,选择在6#机挡水墙上增加1台门座式起重机,起重量8 t,臂长17 m,工作幅度5~15.5 m,抓斗最大容积2.5 m3,可360°全方位旋转,门座式起重机清污效率高,完成一个清污动作用时约45 s。通过门座式起重机将6#机范围内的污物抓到泄水闸1#孔。

同时在泄水闸1#孔增加排漂叠梁门(利用原有3节检修叠梁门,新增1节2 m高的叠梁门组成排漂叠梁门),排漂叠梁门总高度低于上游正常水位1.9 m,配合工作弧门将漂浮在水面上的污物快速地排至下游,同时减少泄水量,还可避免对下游护袒的冲刷。

固定门座式起重机造价低,覆盖范围15.5 m,只能清除6#机局部范围内的污物,不能清除其他机组进口拦污栅前的污物,移动门座式起重机可以解决此类问题,值得推广但造价较高。

3.2增加1台清污机

重新设计1台清污机与原有清污机同轨道。为解决下水电缆问题及实现动水清污,新增清污机采用机械耙斗,并通过机械加压确保耙斗在大量杂草环境中也可实现闭合。同时将清污耙斗宽度增加至5 m,耙斗容量增加至3 m3,耙斗重量增加至6t,增设悬臂抓斗以满足检修门槽及拦污栅前辅助清污的要求。

3.3增加1台转运小车

在检修门槽盖板上新增1台转运小车,用转运小车代替原有的清污机集污斗,实现3台清污机共用1台转运小车运污,小车容量为12 m3,具有现地/遥控功能,方便操作。运污小车取代集污斗,不仅具有清污机转运杂物的功能,还能实现同轨道的2台清污机同时运行,提高了清污效率。

4改造效果

清污系统通过一系列的改造,整个清污体系较为完善,运作协调,高效,为正常发电提供了保障。经过2015年大量水草侵袭检验,清污系统改造成效显著,发电损失降低到98.68万元,见表2。

5导污思路

清污的最佳方案首选导污,充分考虑发电耗水量与泄水量的问题,通过科学的比较和合理的疏导使污物在排漂门前聚集,在合适的时间开启排漂门,将聚集的污物直接排放至下游,可以很好的解决清污难题,提高发电效率,减小清污投入。浮式拦污栅的设置相当重要。浮式拦污栅普遍采用的是钢丝绳柔性连接方式,由于发电水流原因呈一定弧度,杂草聚集在弧线上,因此,在设置浮式拦污栅时应尽量增大角度,减少弧度,由于崔家营的原有水工建筑物的特殊性,浮式拦污栅设置的改进实施代价过高。目前,国内有些设计单位已考虑到导污这个问题,将进水口的进水设计为侧面进水,有效的解决导污问题。

6结语

清污工作是内河航电枢纽的技术难题之一,不同环境、不同的地理位置,污物不同,清污方式不同,因地制宜制定适合本枢纽的清污方式显得十分重要。崔家营清污技术改造遵循“一导二疏三打捞”的原则,对于无法通过水流疏导的污物,在清污设备上改造创新,提高清污效率,改变传统的清污模式,系统解决清污过程中排污、打捞、转运的问题。一是因地制宜,采用效率更高的门座式起重机配合排漂孔进行清污、排污,其中移动门座式起重机在大量漂浮物的水电站清污的应用研究值得推广;二是技术改造,将传统清污机集清污、运污的功能分开,单独装设遥控运转小车,进一步提高清污机的工作效率。

参考文献

[1]王友亮,刘然心,汪宏志.三峡水利枢纽拦污和排污工程措施研究[J].长江科学院院报,1997,(2).

[2]童中山,周辉,吴时强,等.水电站导漂建筑物研究现状[J].水利水运工程学报,2002,(1).

浅析通用飞机航电系统发展 篇4

通用飞机由于种类多、功能复杂, 对航电系统和设备的要求很高。主要是两大类, 一类是低成本、安全可靠、自动化程度较高、人机界面简洁友好、易于裁剪构型的航空电子系统与设备;另一类是满足各种作业任务需要的设备与装置。

1 系统架构

通用飞机航电系统在过去很长一段时间都采用了分立式的航空电子系统架构, 即每一功能模块都有独立的专用传感器、处理器和显示器, 连接也是点对点的。例如:雷达、通信、导航, 各自具有专用的传感器、处理器和显示器, 并通过点对点的连线连接。

随着微计算机技术、数据通信技术和软件技术的不断发展, 通用飞机航电系统也逐渐从分立式架构转变到联合式架构, 并逐渐向综合式架构发展。联合式架构通常由一台或两台性能较强的中心处理机以及若干子系统计算机组成, 系统计算机之间采用总线进行通信, 资源共享只在信息链的后端控制与现实部分。综合式的航空电子系统进一步提高了综合化程度, 系统共享的综合核心处理器 (ICP) 以外场可更换模块 (LRM) 的形势安装于两个以上的综合机架中。各模块通过高速总线交联, 高速总线连接几个机架和系统共享的大容量存贮器, 传感器和座舱控制显示器通过点对点连接到综合机架的相应L R M。

2 设计特点

2.1 综合化

航空电子系统通过技术综合, 其性能可达到更高水平。综合电子系统能最佳和最充分地利用各子系统的信息资源。随着综合水平的提高, 系统将具有更强的功能、更好的容错能力和对各种不同需求的适应能力。

航空电子系统的综合不是各个航空电子设备的物理组合, 它是作为大系统下的一个子系统而存在的。它的所有的功能和性能在设计时都应进行总体的考虑和折衷。

现代化的航空电子综合系统应具有的特征是:通过数据总线联接各个子系统, 实现各子系统之间的大量数据交换, 形成以系统管理计算机为中心的系统结构;通过系统重构和容错能力提高系统的可靠性;通过机内自检 (BIT) 提高系统的可维修性;通过资源共享实现结构的简化;通过传感器数据的融合处理改善系统精度。

2.2 模块化

模块化是综合化的基础, 更高程度的模块化将带来更高程度的综合化。由于微电子技术发展很快, 目前微电路的集成度已达到很高水平, 各种完整的功能已紧凑地封装在一块标准电子模块内, 航空电子系统的三级维修制将向着二级维修制演进。极大地改善了飞机的适用性, 降低了飞机的后勤保障费用。

通用飞机具有重量轻的特点, 因此, 要求航电系统设备必须采用综合化和模块化的设计来进行减重。例如, G 1 0 0 0系统将V H F、V O R/L O C/G S、G P S、飞行管理系统做成模块化集成在综合航电单元内, 以达到减重目的。

2.3 通用化

通用化的含义是在系统中最大限度使用相同类型的模块, 以期提高系统重构能力, 从而提高系统的适应性。

通用化的设计不仅包含了设备模块的尺寸、安装形式, 也包含了设备的接口、数据总线, 飞机各用电设备的电源体制等。

3 试验

相比较航线飞机的航电系统验证试验, 通用飞机的试验数量大大减少。现在主要的通用飞机设计公司都将航电系统交联试验安排在供应商处实施, 通过信号模拟器提供激励方式进行系统交联试验, 并不在主机场所进行交联试验, 然后直接进行机上地面试验和飞行试验。适航验证试验中也较少使用试验室试验。

4 维护

通用飞机具有空间小的特点, 因此必然导致航电系统设备在维护时不便, 这也就要求航电系统的智能化设计水平较高。

Garmin公司开发的G1000系统, 空勤或地勤人员通过操作可以进入综合航电系统的构型模式。在构型模式中, 可将各LRU的自检测信息、各个LRU之间的接口信息、各传感器I/O口等信息通过显示器显示出来, 便于维护人员快速故障定位, 从而解决故障。

通用飞机航电系统中的各个LRU采用快拆卸式的安装方式。即采用航电设备支架, 在支架上每个LRU有专门的安装支架。拆卸LRU直接进行插拔即可, 便于维护。

5 适航审定

通用飞机出于经济性和研制周期较短特点考虑, 在对于航电系统和设备的选择上趋向于成熟的航电系统和产品, 新研产品相比较干、支线飞机较少。在全世界通用飞机航电设备市场上, 有很多成熟的供应商和产品。各个通用飞机航电系统设计中, 都不约而同采用相同产品。这在适航取证过程中可大量使用同与其他取证飞机的设计进行类比说明的方法, 从而减少试验验证产生的费用。

6 关键技术

6.1 飞行管理系统

飞行管理技术在通用飞机的应用, 极大的减轻了飞行员的负荷, 使得驾驶通用飞机简单、轻松。

通用飞机的飞行管理系统与支线/干线飞机的飞行管理在架构、功能上不同, 主要提供的功能是飞行计划管理、简单的性能计算、机场附近自动调谐等功能。

6.2 信息交换数据链技术

高端公务机在数据链通信的需求旺盛, 必然衍生出信息交换数据链技术的研究与发展。

6.3 作业任务设备研制

通用飞机应用范围非常广泛, 包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育、观光旅游、公务航行、私人飞行以及短途快捷运输等方面的飞行活动。因此, 需要研制适用各种作业的任务设备, 包含各类通航作业需要的通用和专用设备与装具的技术研究与研制。

6.4 HIRF防护

通用飞机装备的电子电气系统越来越复杂, 受到来自地面、舰船、海上平台或航空器上的雷达、无线电、电视、卫星上行数据等高功率发射机的辐射不断增多增大, 因此要求这些系统承受的内部环境、外部环境电磁干扰能力愈来愈高。出于对航空器安全运营考虑, 飞机的HIRF防护要求也越来越多, 特别是复合材料在通用飞机领域的大量使用, 使得复合材料的飞机HIRF防护成为一大关键技术。

7 国内研发现状及解决途径

7.1 可靠性低

当前国内研发的多种航电设备功能和性能均能达到要求, 但是由于某些技术和工艺水平差, 导致生产出来的设备可靠性低。

设备供应商应加大技术和工艺改进力度, 努力制造出可靠性较高的航空产品。

7.2 产品重量价格无优势

国内研发的航电产品重量大、价格昂贵, 相对于国外的成熟航电产品, 处于劣势。

设备供应商应试制重量小、价格合适的航电产品, 已取得市场竞争力。

7.3 集成能力差

目前国内仅有少数主机场所和航电系统供应商具有航电系统的集成能力, 且这些供应商中很少有实际应用经验。

系统集成商应寻找较好的飞机平台, 对新研制的综合航电系统进行验证。

7.4 适航能力差

对于复杂系统的国产航空电子系统, 国内适航取证还处于探索阶段, 因此取证难度非常大, 导致截止到目前, 国内尚无成功取证的综合航电系统。对于研制周期要求较短的通用飞机产品, 风险很大。

设备供应商和系统集成商, 应充分的重视适航, 努力建造适航保障体系, 按照适航的要求进行系统开发, 加强与民航局的沟通。

8 结语

当前国内航电系统/设备的研制走的还是军机研制模式, 导致研制成本居高不下, 使得其在低成本的通用飞机市场毫无竞争力。在通用飞机市场化的环境下, 承制单位与主机单位必须采用风险共担, 利益共享的模式下进行航电系统的开发。

航空电子综合系统是一项十分复杂的系统工程, 在国际上也只有少数国家能掌握此先进技术.为了跟踪国际先进水平, 进一步发展我国的航空电子系统的综合技术, 笔者认为应首先重视和加强航空电子系统综合技术的总体工作和与之相适应的系统仿真手段, 使得系统的论证、研制、测试和评估工作在先进的仿真手段下得到保证;其次应大力发展微电子技术, 试制多功能的集成电路芯片包, 只有缩小体积, 加强模块化, 才能获得高度综合;尽可能采用通用模块, 从而带来降低成本, 方便维护等一系列好处。这样, 我国的航空电子综合系统又可上一新的台阶。

参考文献

[1]许伟武.航空电子系统的现状和发展前景[J].仪器与测控.

[2]姚拱元, 吴建民, 陈若玉.航空电子系统综合技术的发展与模块化趋势[J].航空电子技术.

[3]浦传彬, 赵献国.从“小鹰”500飞机看通用飞机的型号合格审定[Z].

[4]涂泽中, 雷迅, 胡蓉.对新一代综合航电系统发展的探讨[J].航空电子技术.

[5]毕镐钊.飞机的雷电防护[Z].

航电1394总线节点设计实现 篇5

1394总线主要由机载网络接口子卡连接组成,航电1394总线节点产品为主机使用1394网络通信服务提供软、硬件接口,完成主机设备与1394总线间的信息交互能力,实现对1394总线网络系统运行的集中管理、时统控制、网络结构维护和网络数据通信功能,满足任务系统对1394网络的需求。该节点采用标准化、通用化及软硬件协同的设计思路,由驱动软件和FPGA逻辑共同实现SAE AS5643协议要求的CC、RN、BM一体化功能,提供PCI和PCIE两种主机接口,支持S100B/S200B/S400B总线通信速率,并通过电气特性验证及可靠性与环境试验验证,满足高可靠性机载环境使用的需求。

本文从硬件、逻辑构架和软件三方面详细介绍了航电1394总线节点的设计与实现过程,并通过网络验证平台对节点功能、性能进行验证。

1 节点设计

航电1394总线节点作为接入总线系统中的通用1394通信模块,具备航电系统CC/RN/BM角色,实现1394总线网络的控制、数据传输等功能。其设计遵循航空电子通信系统的层次结构划分(见图1),实现了系统物理层、数据链路层、传输层和驱动层的功能,其中,物理层与数据链路层由硬件实现,传输层(AS5643协议)通过可编程逻辑实现,应用软件和驱动软件驻留在上位机中,应用软件与特定的子系统有关,通过调用驱动软件实现子系统功能要求。

1.1 硬件设计

航电1394总线节点硬件设计采用标准化、通用化及软硬件协同的设计思路,实现了CC/RN/BM功能统一设计,提供标准PCI及PCIE主机接口,具有1394总线AS5643协议解析、1394电气信号驱动和消息存储功能。其主要硬件结构设计如图2所示。

节点设计采用FPGA逻辑实现AS5643协议处理功能,完成应用系统与主机接口连接。其中1394接口信号经过变压器耦合方式输出,每个节点对外提供3个端口,端口符合IEEE 1394B规范要求,支持S100、S200和S400 3种传输速率;1394链路层功能和1394物理层功能分别由符合协议规范的接口集成电路实现;提供4路离散量输出信号和4路离散量输入信号,用于抢权控制和功能扩展;配置1片4 Mbit Flash存储器,用于存储总线配置表[1]。

各主要模块功能如下:

(1)主机接口电路模块:主机接口可以采用32 bit/33 MHz工作方式PCI接口;也可以提供兼容PCIe1.1的1x规格、高速2.5 Gb/s接口。采用主机提供的二级直流电源(+5 V),经过电压转换器件产生3.3 V、2.5 V、1.8 V、1.2 V、1 V等各种电压,满足不同功能电路使用。

(2)时钟电路模块:主要由FPGA时钟使用单端输出的30 MHz晶振提供,便于逻辑功能分区实现。1394物理层时钟按照协议规范,可选晶振或晶体提供49.152 MHz时钟信号输入。

(3)复位电路模块:复位电路可根据实际的复位时间要求进行选择,节点设计包含两个复位:复位一为确保FPGA逻辑加载在全局复位结束前完成,采用监控芯片实现电压控制和复位输出;复位二为满足单一复位时间要求,采用RC复位电路与施密特反相器配合消抖实现总线物理层接口复位。

1.2 逻辑设计

FPGA逻辑结构设计主要集成了主机接口模块和AS5643协议处理模块两部分,其功能框图如图3所示[2]。主机接口模块是主机与AS5643协议处理模块进行数据交互的接口,实现主机对AS5643协议处理模块所有资源的访问。

AS5643协议处理单元模块是FPGA逻辑设计的主要实现单元,该模块采用CC/RN/BM节点一体化设计,完成主机与链路层接口芯片之间的通信,实现了AS5643协议定义的总线同步、总线通信、总线系统容错等关键技术,支持S100B、S200B或S400B模式通信。

FPGA逻辑结构采用共享主机存储工作方式,具备DMA引擎,实现数据在FPGA双口与主机RAM之间的高速搬移;提供片内DPRAM存储配置表信息,最大支持收发各128条消息,根据总线配置表进行消息调度;消息负载长度可配置,S100B模式下支持最大512 B,S400B模式下最大2 KB。

1.3 软件设计

节点软件由应用软件和驱动软件组成。驱动软件主要完成主机端与1394节点之间的数据交互,是主机应用层与AS5643逻辑的中间层,提供API接口函数给上层应用调用,将应用层和硬件与逻辑之间的交互分开[3]。上层应用软件与特定的子系统有关,应用软件通过调用驱动软件实现节点功能。软件体系结构如图4所示。

驱动软件作为主机访问1394接口子卡硬件资源和数据收发的接口,主要实现1394B总线数据通信和网络管理,可提供对1394节点内程序的调度,对1394节点状态的报告等处理,由主机应用层软件进行调用。软件采用CC/RN/BM节点功能兼容设计,支持Vx Works、ACore OS、ACore OS653等多种操作系统环境。

驱动软件按功能模块分为设备管理模块、消息控制模块、网络管理模块、时统管理模块和中断处理模块等,如图5所示。

节点软件实现首先完成主机接口初始化,实现板卡资源的访问、状态及信息的控制与读取。其次上层应用软件通过调用驱动软件实现1394节点功能,包括按照系统需求设置节点角色、网络工作模式及加载系统配置表进行逻辑内部寄存器配置等来完成正常的网络管理及数据通信。即CC节点能够正确获取网络控制权,处理网络节点状态,发布网络时间,发送和接收异步流消息;RN节点能够发送上下网请求,获取网络时钟,发送和接收异步流消息[4]。软件流程如图6所示。

2 技术优势

与其他总线节点相比,该设计实现的总线节点主要技术优点如下:

(1)提出了PCI/PCIE接口复用设计电路,满足多种主机接口需求;

(2)产品功耗较低(不大于6 W),体积小(68 mm×68 mm),重量轻(不超过60 g),可靠性高,使得产品应用范围更广,满足机载及地面环境下的多重应用需求;

(3)针对机载总线传输高可靠要求,按照S100B、S200B、S400速率下的电气特性指标,完成1394接口物理层信号完整性分析、设计及验证,有效地提高了总线信号传输质量,保障了数据传输可靠性;

(4)实现按照预分配的偏移时刻定时发送的事件消息,实现Mil-1394总线网络管理、网络时统以及流数据传输的方法及电路;

(5)为提高产品的应用灵活性,在软件、逻辑、硬件设计中首次采用CC/RN/BM一体化设计;

(6)设计实现了一种支持总线多节点的总线配置表结构和加载方案,满足机载产品在线加载的应用要求;

(7)从总线系统、总线信号质量和线缆/连接器测试三方面构建总线验证系统,进行网络通信测试、产品电气特性测试以及线缆连接器测试。

3 测试及验证

航电1394总线节点测试主要针对板卡性能和功能进行测试,以保证该节点设计满足协议功能需求和高可靠性、实时性的性能要求。

验证环境由航电1394总线节点测试系统、1394航电仿真卡测试系统、连接线缆等组成,其中1394总线分析仪作为监控节点接入测试网络。图7为一个简易的验证环境连接图。

针对Mil-1394总线对总线信号质量的要求,进行了环境试验下的总线电气特性测试和可靠性试验等测试,保证其在恶劣复杂工作环境下的正常通信。该测试保证了总线信号传输质量,保障数据传输的可靠性。

功能测试通过搭建1394航电仿真卡与待测试子卡进行点对点测试,以及在验证环境中加入多个待测子卡,组成网络测试1394总线系统通信功能是否正常。主要测试待测子卡是否满足AS5643协议的需求,包括STOF包发送/接收、总线网络管理、时统管理、异步流消息的发送/接收、总线配置表文件加载、总线故障注入等。经验证,1394总线节点能够实现航电系统1394总线节点功能,并且通过1394总线协议分析仪监控结果分析得知功能正常。

4 结论

本文就航电1394总线节点的设计及实现技术进行研究,从硬件架构、逻辑设计及软件实现等方面进行了分析。经1394总线验证平台实测,结果表明该航电1394总线节点实时性强、准确性高、性能稳定,并通过国军标软件工程化标准测试,可为各类机载安全关键和任务关键子系统提供高可靠、高确定、高带宽的系统级总线接口,并为相关产品开发提供设计思路和实践经验。

摘要：机载总线节点接口模块作为系统总线网络的接入节点,其功能性能的完备性、可靠性对于总线网络系统的构建有着至关重要的作用。1394总线作为新一代飞机航空电子系统的网络传输总线,其节点模块设计的重要性不言而喻,以1394总线协议为依据,结合总线系统的需求背景,设计了一种航电1394总线节点接口模块。该模块基于标准化、通用化的设计思想,提取用户共性需求,结合1394总线协议层次结构,确定最终的产品架构。总线节点功能设计中采用CC/RN/BM一体化设计,提供PCI/PCIE主机接口,支持S100B/S200B/S400B可配置总线通信速率,设计灵活,为用户提供标准软硬件接口,有效降低了设计、维护成本。

关键词：1394总线,AS5643协议,航电1394总线节点

参考文献

[1]张大朴,王晓,张大力,等.IEEE1394协议及接口设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.

[2]赵彬,田泽,杨峰,等.基于AS5643协议的接口模块设计与实现[J].计算机技术与发展,2013,23(8):100-102.

[3]冯莎,卢选民,王兴亮.一种基于SAE AS5643总线协议的驱动程序设计[J].测控技术,2013,31(10):98-100.

飞机航电系统故障排除方法分析 篇6

在这里, 我们按照航线工作和定检工作来分别进行故障分析:

1 日常飞行中航线维护出现故障的排除分析

航线维护中出现的故障, 按照故障出现的时间, 可以分为航前 (含过站) 故障、飞行中故障和航后故障。航前故障最为头痛, 因为飞机马上要执行航班了, 时间紧迫, 如果能够很快排除故障, 不延误飞机, 那就没什么问题。如果故障的排除可能会延误飞机, 而故障不排除, 飞机也可以按照MEL放行, 此类故障一般都会保留并放到航后进行处理。如果故障不排除, 飞机不能放行, 这就需要经验丰富的人员, 争取在最短时间内, 确定故障原因, 排除故障。飞行中故障, 按照故障严重程度区分, 依照航前故障分类操作。

航后故障 (含放到航后进行处理的故障) , 时间相对比较充裕 (到下一次航前有几个小时的时间间隔) , 在此类故障排除过程中, 可以培养、锻炼排故人员的思路、方法等, 积累排故经验, 以便从容应对那些航前突发故障、不可飞行故障和疑难故障等工作。

大部分航线故障一般都比较简单, 通过更换LRU (航线可更换件) , 大部分就能排除。思路方法也很简单, 飞机的系统设计一般都有两套, 进行两套相同系统间串件进行故障隔离, 一般很快就可以确定故障 (对于飞机只有一套的系统, 两架相同机型飞机可以相互串件排故) 。对人员要求也不是太高, 只要能够熟悉系统的原理和构造等, 可以熟练查阅并打印出系统相关手册, 比如AMM (飞机维护手册) 、FIM (故障隔离手册, 有的飞机没有, 有FIM手册的飞机故障一般更好排除了, 只要查出故障代码, 找到相关章节, 就有排故程序, 一般按照排故程序做下来就能够解决, 但是也有的故障不在FIM涵盖范围内, 就比较复杂, 需要按照后面提到的步骤来解决) 等, 进行简单分析, 列出排故方案, 一般很快就能够排除故障。但也有例外情况, 比较复杂的故障和不能简单进行串件操作的故障。

比如曾经遇到SAAB340飞机的显示器黑屏故障, 有位前辈一开始就连续串了两个件, 故障依旧, 还是黑屏。后来有一位比较谨慎的员工查阅相关手册发现, 此显示器电源是来自显示驱动计算机, 测量了一下电压发现, 电压过高, 故障原因是显示驱动计算机故障, 导致输出电压过高, 烧坏了显示器, 包括后来串的两个显示器也都被烧坏了。

再比如B737-CL曾经出现甚高频通话系统故障:

故障现象:机组反应, 在空中有时候和塔台没法通话联系, 塔台亦反应, 此飞机有时候一直处于发话状态, 全是噪音, 干扰塔台, 有时候正常。航电维修人员地面检查没发现故障, 系统功能正常, 遂放行飞机执行航班, 后续航班故障还是经常出现, 影响塔台没法工作, 影响到飞行安全, 塔台通知此飞机故障不排除, 不能飞行。

排故过程:此故障在空中时有时无, 在地面一直工作正常, 故障排除比较困难 (如果故障一直存在, 就会非常容易确定故障原因) , 我们临时组织了有经验的航电人员, 成立团队进行相关资料整理, 查阅了AMM (飞机维护手册) 、SSM (系统原理图) 、WDM (系统线路图) 、IPC (飞机图解部件目录手册) 等资料, 然后召开专题会议进行分析讨论并制定了一套排故方案:

经过以上工作后, 并没有发现和解决问题。我们再次召开会议讨论, 仔细审阅有没有什么遗漏的地方, 后来我们想到机组和塔台通话一般只用机组耳机, 驾驶舱还有手持麦克和氧气面罩话筒功能没检查。本架飞机没有配发手持麦克, 我们从库房领来麦克后测试, 发现副驾驶侧插孔工作不正常, 经破坏性拆除麦克插口后, 发现里面有一段麦克插头断裂的铜质碎片 (以前有手持麦克的插头断裂并遗留在里面) 。此段碎片可以在插孔里面, 随着飞机姿态的变化而移动, 有时就会形成插孔内线路短路, 造成无线电通讯发射现象并干扰塔台。至此故障原因确认。

航线维护的排故工作, 要特别注意一点, 平时要加强针对一些比较特殊系统等研究和总结, 避免因为平时养成的排故思维惯性而产生一些人为的工作失误。

2 飞机定检大修中出现故障的排除分析

大修排故思路与航线稍有不同, 尤其是定检后期的故障, 很多时候故障可能是因为拆装等工作操作不规范而人为产生的。所以我们一般进行分析后, 会先进行检查、测量线路, 如果需要, 最后再串件判断, 一般经过这几个步骤后, 都能够排除故障。但有时因为故障原因太隐蔽, 可能会非常困难, 下面举几个例子:

比如B737-CL的EGPWS改装故障:

故障现象:经过EGPWS增强型近地警告系统改装后, 系统不能够正常工作显示。

排故过程:我们经过分析, 经过执行制定的方案检查、测量线路、串件后故障依旧。我们后来把改装后的图纸的线路和飞机上的实际的插钉线路等进行逐一比较, 发现飞机多了一根插钉和导线, 原因是厂家进行改装设计时漏掉了 (对于改装等, 针对于程序销钉的插钉、线路错误时有发生) 。等我们拆掉此条导线后系统可以工作了, 但是, 左边显示系统不显示地形图而右边可以显示。左右显示系统进行串件后故障依旧, 确认不是件的问题。测量线路后也没发现线路有问题, 最后实在没有别的好的办法了, 我们就把飞机的电子架再次拆下来仔细检查, 发现有一根导线在施工的过程中被伤到, 线没有被剪断但只有两根线芯铜丝连着, 所以测量线路时没有检测出来, 修复导线后, 系统工作正常。

再比如B737-CL的LRRA系统故障, 定检后期无线电高度没有指示, 故障的原因是:电子架的电插头在定检中拆装过, 但是安装方式错误, 并没有把插头锁住固定, 只要安装计算机, 就会把电子架的电插头顶的缩到后面去, 但一拆下计算机就恢复到正常位置, 故障原因非常隐蔽, 难以查找。

还有B737-CL的自动飞行系统故障, 曾经遇到的故障现象有:自动驾驶进入不了自测试页面, 但经过连续几次按压按钮后就可以进入, 后来排故发现是E11有一个空地继电器一直处于空地变换状态, 造成飞机系统一直在空地间变换, 但因为转换太快系统显示不出来。自动驾驶系统遇到的故障原因还有:电门故障、传感器故障、作动筒故障、线路故障、地线没有安装、传感器连杆安装错误等等。所有航电系统中以自动驾驶系统最为复杂, 涉及部件区域最多, 对排故人员的挑战也是最大。

定检大修中的排故思路重点是要先考虑自己动过哪些地方, 做了哪些工作, 多考虑工作中可能的人为工作失误原因, 先把工作做足, 最后再进行串件进行故障隔离。特别注意, 要减少人为工作失误。

3 小结

上面简单分析了一下飞机航电系统的部分排故工作, 为了能够更快更准的找到故障原因, 减少损失, 我们平时需要做好以下几点工作:

3.1 加强维修人员业务知识学习和技能培训, 加强各类风险意识, 尤其是关于故障预防意识的培训

排故工作在飞机维修工作中, 对人员专业知识能力等要求是最高的 (一般都是要至少工作三年, 在获得维修人员执照和相关机型证书后, 才能慢慢入门) 。要想判断排除故障, 就必须对系统、手册等很熟悉, 各种操作都很熟练, 才有可能完成排故工作。所以维修人员一定要注意加强日常业务知识学习。在工作中经常会发现一些故障是我们的工作技能等不规范造成的, 尤其在飞机定检中特别突出, 比如经常发生安装错误、安装不到位、伤线、夹线、间隙不足、裕度不合适、工具错误、资料错误、航材错误等等失误。或者因为在排故中工作不规范, 本来可以很快排除的故障一时也排除不了, 比如航电专业最基本的线路测量工作, 并不是每个人都能够熟练操作好 (看似简单工作, 其实也有很多技巧和知识) 。所以要尽可能规范提高员工技能, 尽量减少人为产生的故障和衍生故障。

针对在工作中经常遇到的问题, 以及各类失误可能造成的风险等, 及时总结分析并建立相应的风险数据库, 把此类信息整合进故障数据库中, 以便查阅。并结合SMS安全管理, 进行全员宣传和培训。

3.2 建立故障的数据库, 进行总结分析, 开发排故培训课件, 加强逻辑分析能力和发散思维锻炼

建立公司的故障数据库系统, 对于以前发生的故障进行并进行总结统计归类分析入库, 结合风险库, 整和参考资料数据库系统, 实现故障的检索和故障树分析功能, 以便排故时可以快速查阅分析。培训教员依照此系统, 开发培训课件, 开展此类培训。

3.3 加强公司经验间共享

相同机型的航空公司的机队的故障现象和排故经验是很有借鉴价值的, 我们碰到的故障, 可能在别的航空公司已经有类似经验, 如果实现共享, 这样就可以节省很多。所以要加强与别的公司的维修部门协作, 互相借鉴经验教训, 实现经验共享和共同进步。

3.4 采用信息化手段, 实现数据库的在线查阅等

整合各公司的排故数据库信息, 和飞机相关手册相结合, 并实现实时数据查询阅读分析功能, 最好是有移动终端, 这样排故人员就可以在工作现场进行查阅分析判断, 这样可以很好的提高工作效率。

参考文献

航电网络 篇7

关键词：航空电子系统,大容量存储,NAND flash,文件系统

1 概述

NAND Flash是一种具有高存储密度、低功耗、非易失、大容量、优异的稳定性的存储介质, 非常适用于体积小、功耗低、环境恶劣、可靠性要求高的系统, 当前已被航空电子系统的大容量存储设备广泛采用。[1]随着技术的发展, 航空电子系统中普遍需要通过文件系统来管理大容量存储设备。机载环境的特殊性对文件系统提出了诸多可用性和可靠性方面的需求, 例如崩溃恢复、快速启动、损耗均衡、垃圾回收和高实时性等。

现有很多Flash文件系统, 例如Reliance、JFFS2、YAFFS2等, 都具有上述功能。该文基于机载嵌入式文件系统的需求, 对现有的部分文件系统的工作原理和特点进行对比分析, 对机载嵌入式Flash文件系统进行评估并给出相关选用建议。[2]

2 机载嵌入式文件系统需求

航电系统对大容量存储设备提出了抗恶劣环境、高可用、高可靠和高安全的要求。其中抗恶劣环境、高安全主要采取硬件手段实现, 而高可用、高可靠需软硬件结合保证。因此, 对于机载嵌入式文件系统来说, 具体需求包括:

1) 可用性:可用性是指在机载领域嵌入式系统中系统资源受限的应用情景下, 文件系统能够充分考虑系统资源, 保证实时性, 并能够高效的完成擦除、读写等操作。同时, 文件系统能够根据基于NAND Flash的大容量存储器的操作特点, 做相应针对性设计, 具有NAND Flash的基本管理功能, 如根据NANF Flash的异地更新 (out-of-place) 、有限的擦写次数等特征, 提供垃圾回收、损耗均衡等。

2) 可靠性:机载大容量存储设备的工作环境恶劣, 工作电源不稳定和突发性断电等状况极易导致存储设备中数据的灾难性损坏。因此, 机载嵌入式文件系统的可靠性包含两方面的内容:一是Flash文件系统能够在程序崩溃或系统掉电时, 保证文件系统的一致性和完整性不受影响, 即具备崩溃恢复能力;二是能够通过灵活的校验机制与坏损管理, 维护数据正确性, 确保现存储单元的可靠管理, 以保证数据的一致性和延长物理存储硬件的使用寿命。

3 典型Flash文件系统的实现方法

典型的Flash文件系统的实现方法有两种:

一是基于转译层 (Flash Translation Layer, FTL) 的文件系统。从系统层看来, 转译层将Flash设备被转变为一个可覆写的块设备, 从而可应用传统的磁盘文件系统。FTL把块设备上的文件系统直接应用到闪存上, 直观而方便的隐藏Flash的诸多限制。但转译层往往涉及产权保护, 从而阻碍了Flash文件系统的发展和推广, 同时, 影响了工作效率。

另一类是Flash专用文件系统。针对传统文件系统的问题, 从实施掉电保护, 确保数据可靠性、完整性的角度, 针对Flash的特点设计了一些专用文件系统。Flash专用文件系统可分为两大类, 一类是通用Flash文件系统, 既可用于NOR Flash, 也可在NAND Flash上运行;二是专门针对NAND Flash设计的Flash文件系统。

此外, 用于Flash大容量存储器的具有高崩溃恢复能力的文件系统的工作机制还分为日志型和事务型两种。

日志型文件系统基于日志模型, 会详细记录元数据中的操作和所修改的文件数据信息。每当修改文件的访问权限或者所有权, 则新建一个结点将新元数据信息储存于日志最后。若是更新文件内容, 不会用新数据直接覆盖旧数据, 而会在Flash上合适的区域中存储新建的数据结点, 并用version属性值将新旧数据结点加以区分。一旦系统发生故障, 比如突然掉电或程序崩溃, 由于旧数据还在, 只需重放日志, 即可将文件系统恢复到故障前状态。[3]

由于记录日志既需要将数据写入日志又需要写入外存, 造成一些额外的开销, 学术界开始慢慢的转入对事务型管理模式的研究上。事务型文件系统具有较高的可靠性, 且不要求更快的CPU或是更大的存储空间。该类文件系统保护措施的理念类似于银行事务的思想, 保留原始数据直到新数据写成功并且文件事务完成。在文件事务中, 所有的文件系统修改, 包括目录、文件、的修改, 都将保存在介质中某个空闲并且不含活跃数据的区域。由于新事务的数据被写入到介质的空闲区域, 从而消除了错误发生的可能性。写入到介质的空闲区域, 可保持文件系统的状态。因此, 之前事务的有效数据将一直有效。当写入操作期间发生系统错误时, 如掉电, 事务型文件系统总能提供有效的文件系统数据。

4 典型文件系统原理分析

由于基于转移层的文件系统如EXT2、FAT等对程序崩溃或系统掉电时的崩溃恢复能力较差, 该文主要分析JFFS2、YAFFS2、Reliance三种常用的Flash文件系统。

根据NANF Flash的异地更新策略, 以页为单位进行读写, 以块为单位进行擦除;更新Flash中数据时, 仅是将原有数据页标记为无效, 在空闲页写入更新的数据;这样, 一段时间后需擦除无效页较多的块以回收存储资源, 该过程称为垃圾回收。同时, 每一个块的擦写次数有限, 为平衡设备中每一块的擦出次数以达到最大的设备寿命, 还需引入损耗均衡的思想。下面对三种文件系统的实现原理和各自针对性设计的技术策略进行简要分析。

4.1 JFFS2

JFFS2是一种日志型的专用Flash文件系统。JFFS最初由Axis Communications公司专门为NOR Flash开发, 后由Red Hat对其进行改进, 产生了支持NAND Flash的JFFS2。

JFFS2的数据操作全部按照日志方式保存在Flash设备中, 完全按照日志进行管理。JFFS2的基本结构为一长列的节点, 每个节点包含了文件的实际数据或者关于文件的其他一些信息。[4]

以垃圾回收为基础, JFFS2具有简单的损耗均衡算法, 也为垃圾回收的处理机制。JFFS2将闪存上所有擦除块分为三个队列, 分别为干净块链表 (clean_list) 、脏块链表 (dirty_list) 和空闲块链表 (free_list) , 基于这些链表来完成垃圾回收操作。JFFS2文件系统基于概率算法来选定垃圾回收操作的目标链表。系统定义全局变量jiffies, 表示系统时钟;当jiffies模100不为0时, 系统对脏块链表中某一块进行回收操作;当jiffies模100为0时, 系统对干净块链表中某一块进行回收。[5]

尽管JFFS2解决了Flash存储器文件系统的一些问题, 但是随着Flash存储器的容量越来越大, 它也表现出一些严重的缺陷。首先, JFFS2的挂载时间比较长;其次, 随着容量的增加, 其内存消耗增大;最后, 它不能保证损耗平衡的确定性。

4.2 YAFFS2

YAFFS2是一种日志型的专用Flash文件系统。YAFFS文件系统由Aleph One公司开发, 专为NAND Flash存储器设计的嵌入式文件系统, 适用于大容量的存储设备。YAFFS2是YAFFS的第二个版本。

YAFFS2中, 文件是以固定大小的数据块进行存储的。这种实现依赖于它能够将一个数据块头和每个数据块关联起来。每个文件 (包括目录) 都有一个数据块头与之相对应, 数据块头中保存了ECC和文件系统的组织信息, 用于错误检测和坏块处理。[6]YAFFS2把这个数据块头存储在Flash的备用空间中, 充分考虑了NAND Flash的特点。当文件系统被挂载时, 只须扫描存储器的备用空间就能将文件系统信息读入内存, 并且驻留在内存中, 不仅加快了文件系统的加载速度, 也提高了文件的访问速度。

YAFFS2也提供损耗均衡和垃圾回收功能。在YAFFS2文件系统中设立Blockstate结构用于表示擦除块的各种状态, 如空、满、已损坏和分配等状态。另有B1ock Info结构, 用于描述块属性, 记录块内剩余空闲页数、块的状态等信息。YAFFS2采用数组管理所有块, 分配空间时, 按顺序对存储空间进行分配, 从而实现损耗均衡。YAFFS2采用综合垃圾回收策略, 具有两个垃圾回收线程, 分别负责在不同情况下完成垃圾回收任务。[7]一个线程具有最低优先级, 只在系统空闲时才会启动, 该线程采用贪心算法, 针对具有最多无效数据的擦除块, 这样可以一次回收尽可能多的存储空间。另一个线程具有最高优先级, 当系统负载较大, 需要很多存储区空间时, 启动该线程, 它最先适应算法以便提高执行速度。

但是上述繁复的日志操作会增加一定的内存消耗, 也会增加系统的加载时间。

4.3 Reliance

Reliance是Datalight公司开发的事务型文件系统, 结合Flash FX转译层可用于管理Flash设备。[8]

Reliance基于事务模型来保护文件系统并且维护数据完整性。Reliance可以不必进行数据恢复操作, 保留原始数据直到新数据写成功并且文件事务完成, 如果数据写入期间发生中断, 文件系统的原始状态还保存在介质中, 使得文件系统总能处于有效状态。

Reliance的垃圾回收功能由FTL层的Flash FX组件完成。在Flash FX中, 将大量无效块划入擦除区域并请求回收操作。在垃圾回收过程中, 先复制擦出区域的有效数据到空闲备用擦除区, 然后擦除旧区域并将其作为新的备用擦除区。Flash FX的损耗均衡包含动态损耗均衡和动态损耗均衡两部分操作。动态损耗均衡算法针对频繁更新的数据和较少使用的存储空间。当更新数据或者写入新数据缺乏足够空间时, 则会触发动态垃圾回收。该算法将从当前可用块中确定一个擦除次数最少的块作为目标块, 并将有效数据写入该目标块。每次都对使用次数最少的可用块进行操作, 一定程度上达到均衡利用频繁更新或较少损耗的设备块。然而, 一些数据写入数据块后, 基本不会再更新 (比如地图信息) , 这些块称为冷数据块。这些冷数据块无法被动态损耗均衡算法顾及, 导致其使用频率很低。作为补充, 静态损耗均衡算法能够有效地解决该问题。静态损耗均衡算法, 会比较擦除次数最多的块和次数最少的块, 二者擦除次数的差超过一定阈值时, 交换二者所存储的数据, 目的是在满足损耗均衡的同时, 尽可能减少存储器总的擦除次数。

基于事务型理念, Reliance文件系统在大容量介质中可快速启动, 并可长时间保持有效状态, 系统初始化不需要执行存储介质检测或扫描从而减少加载时间。

5 测试结果与理论分析

文件系统应针对NAND Flash的特点, 提供高效的损耗均衡和垃圾回收机制的同时, 尽可能提高加载速度和读写性能, 满足实时性。基于广泛的资料收集和实验验证, 我们对上述三种文件系统对比分析。

在加载时间方面, Flash文件系统的加载时间已经为系统启动延迟的最重要的原因, 当Flash容量和存储数据大小都很庞大时其影响更为明显。文件大小的改变、整个分区的利用率, 都将影响到文件系统的加载时间。我们很容易通过加载指令来测量加载时间。

由于基于事务结构的Relaince在加载速度上比日志型的JFFS2和YAFFS2文件系统存在明显的优势。

在读写性能方面, 影响Flash文件系统读写性能的因素非常复杂, 涉及映射机制、垃圾回收算法、Flash结构、压缩算法等等。文件系统标准检测程序Benchmark可以用于直接测试读写性能。由此, Relaince的读写性能优于JFFS2和YAFFS2。

由图可知, 由于日志型文件系统在系统启动和读写操作过程中加入一些日志记录操作, 从而增加了加载时间, 降低了读写数据的速度, 而在事务型文件系统中, 通过事务型操作改善了前者的问题。上述测试结果符合原理分析。

6 结束语

本文针对航电需求, 分析了典型Flash文件系统的实现方法和工作原理, 对JFFS2、YAFFS2和Reliance进行了分析比较, 认为针对NAND Flash的专用文件系统JFFS2和YAFFS2的功能完备、原理简单高效, 而通用文件系统Reliance的工作机制更为复杂;但基于事务模型的Reliance相比于基于日志型的JFFS2和YAFFS2, 具有相近的可靠性的同时, 可以保证更高的性能, 对航空电子系统中Flash文件系统的选择具有重要意义。

参考文献

[1]陈智育.嵌入式系统中的Flash文件系统[J].单片机和嵌入式系统应用, 2002 (2) :5-8.

[2]Chin-Hsien Wu, Tei-Wei Kuo, Li-Pin Chang.Efficient initialization and crash recovery for Log-based file systems over flash ACM symposium on Applied computing, 2006:837-863.

[3]MMCA Technique Committee[C].The Multimedia Card System Specification.US:Multimedia card association, 2003.

[4]Li-Pin Chang.On efficient wear-leveling for large-scale flash memory storage systems.Proceedings of the 2007 ACM symposium on Applied computing, 2007:1126-1130.

[5]张小平.嵌入式系统中NAND Flash文件系统的研究[D].太原:太原理工大学, 2010:17.

[6]CHEN TIANZHOU, HU WEI.Smart File System:Embedded File System Based on Nand Flash[C].IEEE Computer Society, 2006, 14 (4) :65-66.

[7]张磊.基于闪存的嵌入式文件系统的研究与实现[D].成都:电子科技大学, 2005:1-2.