考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，属于可靠性【技术领域】。本方法首先获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及其互连关系；其次确定航电系统的任务及其可靠性指标要求；然后对航电系统的各个任务分别基于网络结构，考虑重要度和复杂度进行可靠性分配，得到每个任务的部件可靠性分配值；接着联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为其选择最严格的分配值；最后依据任务可靠性指标要求为其他部件再次进行分配，得到最终分配结果。本发明方法可有效解决航电系统网络化结构导致传统可靠性分配方法难以应用的问题，且能满足航电系统多任务特性对可靠性分配的特定需求，适用于网络化结构航电系统的任务可靠性分配。
【专利说明】考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法
【技术领域】
[0001]本发明属于可靠性【技术领域】，具体涉及一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法。
【背景技术】
[0002]航空电子系统是飞机的重要组成部分，包含无线电通信、导航与识别、探测与电子对抗、系统控制与管理等功能，通常涉及飞控系统、显示系统、通信导航系统、飞行管理系统、雷达系统、火控系统、机载网络等多个航电子系统。最初的航空电子系统是分立式结构，信息交换由点到点电缆完成。但由于设备不断增多，大量电缆的布线成为飞行器设计的瓶颈，分立的系统显示和控制给飞行员造成了巨大的负担，航空电子系统走向联合式，通过MIL-STD-1553B等总线型结构的机载网络将航电子系统连接到一起。随着新一代航空电子系统提出了大容量、深层次的信号与信息综合的要求，机载互连手段从较低速率的总线向宽带网络发展成为必然的趋势，现在航空电子系统又再次走向综合式，发展出AFDX等较为复杂的网络化结构。
[0003]航空电子系统的可靠性对飞机至关重要，其故障是导致飞机紧急停场(AOG)的五大原因之一。威斯康星州航空公司宣称，该公司近50%的AOG与航空电子系统有关；喷气时代航空公司宣称，该公司将近30%的AOG与航空电子系统相关，多数故障均出现在交互式设备上。在航空电子系统的可靠性工程中，可靠性分配是立项论证和方案设计阶段的重要工作，需要将航空电子系统的任务可靠性指标科学合理地分配到各个子系统。
[0004]然而与其他飞机系统不同，如今的航空电子系统是一个网络化系统，航空电子系统通过机载网络，对信息密集的航电子系统进行信息综合和功能综合。机载网络大都具有多路径冗余特征，往往不能直接使用常规的可靠性框图模型对航电系统进行任务可靠性建模，因而惯用于飞机的AGREE等可靠性分配方法无法直接应用于航电系统可靠性分配。同时，航电系统具备多任务特征，不同任务中又包含同类部件，因此现有的网络可靠性分配方法也不能直接应用于航电系统的任务可靠性分配。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决网络化结构、多任务特征的航电系统难以进行任务可靠性分配的问题，提出了 一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法。本发明方法根据航电系统的任务可靠性指标要求，应用网络可靠性代数算法(如容斥原理法)或蒙特卡洛仿真法对每个任务子系统分别进行可靠度、重要度的解析计算或仿真，并通过启发式算法迭代得出满足精度要求的部件可靠性分配值，再为多任务中存在的同类部件选择最严格的可靠性分配值，对其他部件再次进行可靠性分配，得出航电系统的最终可靠性分配结果O
[0006]一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，包括如下步骤:
[0007]步骤一:获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及分配对象间的互连关系；[0008]步骤二:确定航电系统的任务及任务可靠性指标要求；
[0009]步骤三:对航电系统的各个任务分别进行可靠性分配，得到部件可靠性分配值；
[0010]步骤四:联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为该类部件选择最严格的可靠性分配值；
[0011]步骤五:将步骤四同类部件的可靠性分配结果作为已知条件，重新依据任务可靠性指标要求为各任务中的剩余部件再次进行可靠性分配，得到最终分配结果。
[0012]本发明的优点与积极效果在于:
[0013](1)本发明方法使用启发式算法解决了传统AGREE分配法难以解决的网络化结构可靠性分配问题，并使用蒙特卡洛仿真解决了复杂的网络化结构难以获得整网可靠度与部件可靠度函数关系的问题；
[0014](2)本发明方法通过在每次分配中约束同类部件的可靠性参数为同一值，满足了航电系统中普遍存在的同类部件需要分配相同可靠性参数值的需求；
[0015](3)本发明方法根据航电系统多个任务可靠度要求分别进行可靠性分配，并对多任务中的同类部件分配值进行权衡，再对其他部件重新分配，解决了航电系统多任务可靠性分配结果间的协调问题。
【专利附图】
【附图说明】 [0016]图1是本发明的航电系统任务可靠性分配方法的流程图；
[0017]图2是本发明实施例中AFDX (航空全双工式以太网)网络拓扑结构图；
[0018]图3是本发明实施例中AFDX任务I相关节点与链路拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0019]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0020]如图1所示，本发明提出一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，包括如下步骤:
[0021]步骤一:获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及其互连关系。
[0022]根据航电系统构成，确定机载网络拓扑结构，明确需要进行任务可靠性分配的航电子系统部件间的互连关系。
[0023]步骤二:确定航电系统的任务及其可靠性指标要求。
[0024]具体包括如下步骤:
[0025]步骤2.1，描述航电系统需要执行的M个任务，包括涉及的子系统，任务成功的判据，以及任务可靠性指标要求；
[0026]步骤2.2，根据任务描述，得出各个任务相关节点与链路的拓扑结构图。
[0027]步骤三:对航电系统的各个任务分别进行可靠性分配，得到部件可靠性分配值。这里选用的可靠性分配值是可靠度。
[0028]如图1所示，对于每个任务在步骤二中获得了该任务所涉及的拓扑结构图，分别根据如下步骤3.1~步骤3.6对第I~M个任务进行可靠性分配。
[0029]步骤3.1，设第k个任务共包含nk类部件，nk为正整数；
[0030]令各类部件的初始重要度相同，即吟广外^=，=?4 =1，根据任务确定第i类部件最长工作时间tti，并根据部件所包含基本构成单元数量应用式(I)确定各类部件的复杂度Clu;
[0031]Ck；i = nk；i/N (i=l,2-,nk) (I)
[0032]其中，Cm为第k个任务中第i类部件的复杂度，N为参与第k个任务可靠性分配的所有部件的基本构成单元总个数，nti为第k个任务中第i类部件的基本构成单元个数。
[0033]步骤3.2，根据&,，1 = (^/(0^^)计算出第1^个任务中第1类部件的故障率系数ati，其中ω k i为第i类部件的重要度，令该任务中第i类部件的故障率Xk i = ak iX，X为正数。由此可得出第 i 类部件的可靠度 Rk，i = exp (-λ k；itk；i) = exp (-ak；itk；iX), i=l, 2...，nk。
[0034]应用二分搜索法求解:
[0035]Max X
[0036]约束为:
[0037]Rl < Rk
[0038]X > 0
[0039]其中Λ,力航电系统第k个任务规定的可靠度要求；Rk为第k个任务当前的可靠度，对网络拓扑结构简单的任务，可通过状态枚举法、容斥原理、不交积和、因子分解等解析方法确定航电系统任务可靠度与部件可靠度的函数关系A…，A.,,对网络拓扑结构复杂的任务，则需要通过基于蒙特卡洛的网络可靠性仿真得出Rk。
[0040]步骤3.3，根据步骤3.2得到的X最优值和当前各部件的重要度，更新各类部件的故障率和可靠度。
[0041]更新的第i类部件的故障率λ ' k i = ak iX ；
[0042]更新的第i类部件的可靠度R' k，i = exp (_λ ' k；itk；i) ?
[0043]步骤3.4，计算各类部件的重要度。
[0044]对步骤3.2中建立了航电系统可靠度与部件可靠度的函数关系的，根据式(2)计算第k个任务中第i类部件的重要度ω' Μ:
[0045](0；:J=dR,/cR；;J.2)
[0046]对步骤3.2中采用网络可靠性仿真方法计算Rk的，则根据仿真结果计算重要度，第k个任务中第i类部件的重要度定义为:
[0047]
【权利要求】
1.一种考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤一:获取机载网络拓扑结构，确定分配对象及分配对象间的互连关系； 步骤二:确定航电系统的任务及任务可靠性指标要求； 步骤三:对航电系统的各个任务分别进行可靠性分配，得到部件可靠性分配值； 步骤四:联合考虑各任务中同类部件的可靠性分配结果，为该类部件选择最严格的可靠性分配值； 步骤五:将步骤四同类部件的可靠性分配结果作为已知条件，重新依据任务可靠性指标要求为各任务中的剩余部件再次进行可靠性分配，得到最终可靠性分配结果。
2.根据权利要求1所述的考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，其特征在于，所述的步骤三具体实现方法是: 步骤3.1，设第k个任务涉及nk类部件，令各类部件的重要度的初始值都为1，为第k个任务的第i类部件的重要度，i=l, 2...，nk ； 根据任务确定第i类部件最长工作时间tti(i=l，2-,nk)； 确定第i类部件的复杂度Clu为=Clu = nti/N，N为参与第k个任务可靠性分配的所有部件的基本构成单元总个数，nM为第k个任务的第i类部件的基本构成单元个数； 步骤3.2，选用可靠度作为可靠性分配值；确定第i类部件的故障率系数ati = Clu/(ω k, itk； i)和故障率 Xk，i = ak>iX,则第 i 类部件的可靠度 Rm = exp (-ak；itk；iX)； 应用二分搜索法求解=Max X，约束为
3.根据权利要求1所述的考虑机载网络特征的航电系统任务可靠性分配方法，其特征在于，所述的步骤五的具体实现方法是:步骤5.1,选用可靠度作为可靠性分配值；设第k个任务涉及nk类部件，第I类到第mk类部件在步骤四中确定了可靠性分配值，将剩余(nk-mk)类部件的重要度的初始值都设为I ;
步骤 5.2,剩余(nk-mk)类部件的可靠度
【文档编号】G05B19/418GK103676854SQ201310634919
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】王景夫, 李瑞莹, 黄宁 申请人:北京航空航天大学