航空專(zhuān)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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，根據航空網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)和具體應用的需求，分析總結了航空專(zhuān)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(shí)可行的故障檢測方法。該方法目前已在多個(gè)型號飛機的機電、航電網(wǎng)絡(luò )上論證并實(shí)現，經(jīng)過(guò)了實(shí)驗室和機上大量的功能測試和驗證，可滿(mǎn)足具體型號的技術(shù)要求，能夠及時(shí)準確的檢測出網(wǎng)絡(luò )運行過(guò)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(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，多種適用于航空電子的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（如AFDX網(wǎng)絡(luò )、FC總線(xiàn)、1394總線(xiàn)、1553總線(xiàn)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(xiàn)少、資源能共享能力強、穩定性好、適應性強、易于維護和擴展等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著(zhù)提高了飛機的綜合性能。為了提高航空網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的穩定性和可靠性，這就需要自主研發(fā)相應的網(wǎng)絡(luò )故障檢測技術(shù)，用以保證整個(gè)機載網(wǎng)絡(luò )中各設備安全可靠的運行。航電系統的網(wǎng)絡(luò )結構復雜，各類(lèi)傳感器、終端設備和接口數量眾多，對網(wǎng)絡(luò )故障檢測技術(shù)的安全性、穩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(wú)法滿(mǎn)足其需求。因此，應該大力研究和發(fā)展航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )故障檢測技術(shù)。本文根據機載網(wǎng)絡(luò )的故障檢測要求，重點(diǎn)研究了多種拓撲結構下的網(wǎng)絡(luò )故障模式，并針對故障模式提出了對應的故障檢測方法。
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)，不僅應該在系統規定的條件下檢測出已定義的故障，還必須滿(mǎn)足其自身的特殊需求，即:1）實(shí)時(shí)性：故障檢測技術(shù)必須能夠高效監視航空網(wǎng)絡(luò )中多個(gè)節點(diǎn)設備的狀態(tài)，必須能夠在規定的時(shí)間范圍內檢測出已定義故障；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(huì )誤報不存在的故障；3）低流量：盡管被監視的網(wǎng)絡(luò )中各種設備數量眾多、位置分散，但故障檢測技術(shù)作為一種基礎服務(wù)引入網(wǎng)格環(huán)境中，要求其對整個(gè)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(huì )用于網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)不同的設備，要與不同類(lèi)型的應用程序兼容，要求故障檢測技術(shù)能夠根據應用程序類(lèi)型的不同和需求的不同，相應調整檢測策略。
2航空網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)分析
航空網(wǎng)絡(luò )的故障模式與網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議特性和拓撲結構密切相關(guān)，分析故障模式時(shí)必須考慮網(wǎng)絡(luò )協(xié)議特性的拓撲結構
2.1航空網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議特性
航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )協(xié)議多種多樣，他們具有如下共同的特點(diǎn)：1）可靠性：航空網(wǎng)絡(luò )對數據通信的可靠性要求較高，希望各設備按照事先定義的方式穩定運行，不允許既定數據丟失，也不允許產(chǎn)生不希望的數據。2）實(shí)時(shí)性：航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )對數據通信的時(shí)間有著(zhù)嚴格的要求，即規定了多個(gè)設備間的數據通信應該在固定的時(shí)間內完成，不可拖延。3）確定性：航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )應具有可定義性，且各個(gè)消息應該在規定的范圍內到達目的節點(diǎn)，該時(shí)間范圍可確定。
2.2航空網(wǎng)絡(luò )拓撲結構
航空專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )一般為星型或總線(xiàn)型的拓撲結構，其中比較有代表性的有星型結構的AFDX網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，和總線(xiàn)結構的ARINC825CAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。AFDX網(wǎng)絡(luò )結構為可拓展的星型拓撲結構，由端系統（EndSystem）、交換機（Switch）和傳輸鏈路組成，每個(gè)交換機允許連接若干個(gè)端系統，多個(gè)交換機可以互聯(lián)組成更大的網(wǎng)絡(luò )。ARINC825網(wǎng)絡(luò )結構可設計為總線(xiàn)型拓撲結構，多個(gè)節點(diǎn)機通過(guò)與公共總線(xiàn)連接，組成總線(xiàn)型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。該網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)節點(diǎn)之間可以是對等的關(guān)系，也可以根據實(shí)際需要設計為主從模式。
3故障模式分析和檢測
航空網(wǎng)絡(luò )由節點(diǎn)機和連接節點(diǎn)機的設備組成�？梢园凑展收纤诘奈恢�，將航空網(wǎng)絡(luò )中的故障分為單節點(diǎn)故障和網(wǎng)絡(luò )連接故障。
3.1單節點(diǎn)故障分析和檢測
單節點(diǎn)故障是指網(wǎng)絡(luò )中某一單個(gè)節點(diǎn)發(fā)生了故障，該故障只對本節點(diǎn)的相關(guān)功能有影響，不應影響網(wǎng)絡(luò )整體功能。該故障有以下幾種類(lèi)型。1）硬件故障硬件故障是指構成節點(diǎn)設備的各部分硬件出現的故障。硬件故障一般與時(shí)間和環(huán)境相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，硬件故障可能是FLASH故障、CPU故障、SDRAM故障、DPRAM故障、時(shí)鐘故障、PCI總線(xiàn)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(xiě)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(méi)有按照既定的方式運行，或無(wú)法應對突發(fā)的異常時(shí)產(chǎn)生的故障。該故障一般為邏輯級故障、數據結構故障、軟件差錯和系統級的故障。軟件故障的檢測方法有：看門(mén)狗、心跳檢測、狀態(tài)監控、異常中斷。3）通道故障通道故障是指節點(diǎn)設備的通信通道出現了故障，無(wú)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，即節點(diǎn)機向網(wǎng)絡(luò )中的另一設備發(fā)送一個(gè)請求，并在固定的時(shí)間內收到該請求的正確響應。
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 )中連接各節點(diǎn)機的鏈路發(fā)生了故障，該故障可能導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )無(wú)法正常通信。該故障有如下幾種類(lèi)型。1）核心設備故障航空網(wǎng)絡(luò )中的核心設備為網(wǎng)絡(luò )通信的關(guān)鍵部件，一般是指星型拓撲結構中的交換機，或者總線(xiàn)型拓撲結構中的總線(xiàn)連接設備。核心設備故障故障是指這些關(guān)鍵設備無(wú)法正常工作，從而導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )上所有節點(diǎn)不能通信，成為一個(gè)個(gè)孤立的節點(diǎn)設備。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，導致多個(gè)節點(diǎn)組成的整體網(wǎng)絡(luò )斷裂成若干個(gè)局部網(wǎng)絡(luò )，雖然各個(gè)節點(diǎn)的通信功能正常，但無(wú)法執行整體的網(wǎng)絡(luò )功能。3）節點(diǎn)脫離節點(diǎn)脫離是指某節點(diǎn)設備與網(wǎng)絡(luò )的連接斷開(kāi)，無(wú)法了接入網(wǎng)絡(luò )中。該故障會(huì )導致此節點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò )脫離，成為孤立的節點(diǎn)。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(gè)節點(diǎn)，還應充分考慮所有節點(diǎn)的相互通信�？梢砸刖W(wǎng)絡(luò )管理的概念，在網(wǎng)絡(luò )中定義一個(gè)管理端，其他的節點(diǎn)作為代理端。管理端可以主動(dòng)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 )中其他節點(diǎn)的狀態(tài)信息，從而獲取網(wǎng)絡(luò )中其他節點(diǎn)的狀態(tài)（包括節點(diǎn)自身狀態(tài)和與網(wǎng)絡(luò )的連接狀態(tài)）。
4故障檢測實(shí)現與驗證
4.1單節點(diǎn)故障檢測方法
對于單個(gè)節點(diǎn)的故障，采用BIT（Build-In-Test）的方法進(jìn)行檢測。BIT可根據運行時(shí)機分為三類(lèi)：上電BIT、周期BIT、維護BIT。1）上電BIT：該功能在設備上電時(shí)執行，檢測設備的關(guān)鍵部件是否存在異常，如CPU、存儲設備（FLASH、DPRAM）、時(shí)鐘。該項檢測應該在很短的時(shí)間內完成，并存儲檢測結果。2）周期BIT：該功能在設備正常工作時(shí)周期的執行，在不影響正常功能的情況下檢測設備中的部件是否存在異常，該檢測應注重實(shí)時(shí)狀態(tài)，如軟件是否正常運行，時(shí)鐘是否穩定增長(cháng)。該檢測應周期執行，并存儲檢測結果。3）維護BIT：該檢測在設備處于維護狀態(tài)時(shí)執行，應該全面的.檢測設備的運行情況，檢測范圍可以很廣，檢測時(shí)間可以較長(cháng)。該檢測在設備正常運行時(shí)禁止使用。三類(lèi)BIT的使用規則為：上電后立即執行上電BIT，設備運行過(guò)程中周期的執行周期BIT，設備在維護狀態(tài)下執行維護BIT。網(wǎng)絡(luò )中的設備多種多項，所以BIT的檢測項和檢測方法可根據具體情況來(lái)定義。三類(lèi)BIT綜合使用，可以全面的檢測出設備中已定義的故障。將三類(lèi)BIT的檢測結果綜合處理，形成節點(diǎn)狀態(tài)信息，并將該狀態(tài)信息妥善存儲，將周期BIT的檢測結果實(shí)時(shí)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，將某一節點(diǎn)定義為管理端，其他節點(diǎn)定義代理端。管理端可以向所有代理端發(fā)送請求，并在規定時(shí)間內接收到各個(gè)代理端的響應消息，根據收到響應消息的情況判斷整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的故障類(lèi)型。但由于管理端本身也是一個(gè)節點(diǎn)，也有可能出現連接故障和設備故障，所以網(wǎng)絡(luò )中設置兩個(gè)管理端互為備份。使用網(wǎng)絡(luò )管理方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )連接故障檢測的判斷準則如下：1）管理端向某節點(diǎn)發(fā)送請求后，沒(méi)有在規定時(shí)間內接收到響應消息，則可判斷該節點(diǎn)故障。故障類(lèi)型可能為連接故障或節點(diǎn)設備故障。通過(guò)查看該節點(diǎn)的自身狀態(tài)信息，判斷故障為連接故障還是節點(diǎn)故障。2）管理端向某節點(diǎn)發(fā)送請求后，在規定的時(shí)間內收到了響應消息，但響應中的狀態(tài)信息中存在異常情況，即可檢測出該節點(diǎn)中存在的具體故障。3）管理端向某節點(diǎn)發(fā)送請求后，在規定的時(shí)間內收到了響應消息，且響應中的狀態(tài)信息中不存在異常情況，則說(shuō)明該節點(diǎn)沒(méi)有任何故障，可正常工作。
5總結
本文設計和實(shí)現的機載網(wǎng)絡(luò )故障檢測方法已完成工程設計與實(shí)現，并通過(guò)了大量測試驗證，其功能和性能滿(mǎn)足系統的應用要求。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(jià)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，還應該深入分析網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，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(jìn)一步改進(jìn)和完善適用于航空網(wǎng)絡(luò )的故障檢測技術(shù)。
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