本發(fā)明涉及航空設備設計
技術領域：
，尤其涉及一種大規(guī)模、多層次分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)的建模設計方法。
背景技術：
：航電系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機裝備信息化的核心，是飛機的信息感知、顯示和處理中心。其性能和技術水平直接決定和影響著飛機的整體性能?？梢哉f，沒有高性能、高水平的航空電子系統(tǒng)，就不可能有真正的國產大飛機。正是由于航電系統(tǒng)在整個飛機中的重要地位，航電系統(tǒng)架構的設計將直接影響到飛機的重量和運營成本等多個目標。但是由于科技的不斷發(fā)展，飛機的功能和設備、網絡配置的復雜性和挑戰(zhàn)性不斷增長，并且同時需要考慮大量的安全、資源等約束，航電系統(tǒng)的配置變得十分困難。所以設計一套規(guī)劃合理、設計完善的國產化航電系統(tǒng)架構設計，實現(xiàn)一種大規(guī)模、多層次、分布式、綜合化、模塊化的配置航電系統(tǒng)設計模型十分必要。航電系統(tǒng)經歷了早期的分立式結構、聯(lián)合式結構、綜合化結構、綜合模塊化的演變，現(xiàn)在已經由綜合模塊化航電系統(tǒng)(IMA)逐漸向分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)(DIMA)結構進行演變。DIMA是物理上分布、功能上綜合的IMA結構，擁有聯(lián)合式結構與IMA結構的共同優(yōu)點，將綜合化模塊物理分布，充分發(fā)揮了自然故障壁壘和物理上位置可選的優(yōu)點。為了降低DIMA系統(tǒng)開發(fā)的復雜度，提高服務質量，滿足新一代航電系統(tǒng)協(xié)同、開放、高時效性、高安全性的要求，對DIMA的軟件、硬件和網絡等建立多層次模型。相對于IMA系統(tǒng)，DIMA的設備盡可能的將相關計算和I/O設備分布到靠近相關外設位置，正因為這種分布式的架構的改變，帶來了設備、軟件和網絡多層次的配置問題。由于不同的設備、軟件和網絡多層次的配置問題將在不同程度上影響飛機的安全、資源約束問題，同時也將影響飛機的質量、成本等問題。因此，航電系統(tǒng)各層次的合理配置十分重要。張超等人在文獻“ModelingAndOptimizationInDistributedIntegratedModularAvionics”以及相關專利中通過設備的選擇，并完成設備的硬件映射到安裝空間，以及子任務映射到硬件設備，并提供了可靠性指標的度量方法，并且使用了非線性函數(shù)的約束和性能指標，而且在優(yōu)化中考慮了可靠性指標的優(yōu)先級。德國等人在論文中將不同的設備映射到四個不同的安裝位置，不同的系統(tǒng)任務映射到不同的設備中完成對對DIMA的設備和任務建模，并使用多目標優(yōu)化算法進行優(yōu)化求解。由于分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)是一個分布式的計算系統(tǒng)，各個設備是由一個實時的網絡連接而成。DIMA的實現(xiàn)是建立在標準化設備、通信資源和軟件接口的基礎上的，因此網絡配置不容忽視。在當前的DIMA模型設計中，還沒有考慮對DIMA架構網絡配置設計的分析和建模。而且，當前在模型設計中普遍使用的0-1二進制編碼的航電系統(tǒng)建模設計，這種0-1二進制的編碼方式在面向實際航電系統(tǒng)復雜的、大規(guī)模條件下的結構中可擴展性差。由于DIMA中網絡分配的重要作用，和工程實際的大規(guī)模、多層次設計要求，因此本發(fā)明在任務和設備模型的基礎上提出了DIMA網絡配置的建模方法，同時對模型使用實數(shù)編碼進行重新設計以適應大規(guī)模、多層次的DIMA架構模型設計。技術實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種面向大規(guī)模分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)DIMA的多層次建模設計方法，該方法解決了大規(guī)模、多層次航電系統(tǒng)中系統(tǒng)層、硬件層、安裝層中設備、任務和網絡的分層配置，不僅使得整個航電系統(tǒng)的建模層次更加全面、具體，而且可擴展性強，同時其安全和合理性得到加強。技術方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：一種面向大規(guī)模分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)DIMA的多層次建模設計方法，包括以下步驟：步驟1.對航電系統(tǒng)進行硬件層配置，硬件層配置是將待安裝DIMA設備映射到飛機安裝位置的過程，將所有待安裝DIMA設備的分配可能通過硬件層配置向量Xdevice進行描述，根據(jù)硬件配置的資源約束以及隔離約束結合硬件層配置向量Xdevice建立硬件配置層模型。步驟2.對航電系統(tǒng)進行軟件層配置，軟件層配置是將航電系統(tǒng)任務映射到DIMA設備的過程，將所有任務的分配可能通過軟件配置層向量XTask進行描述，根據(jù)軟件配置的資源約束、任務之間的隔離約束以及原子性約束結合軟件配置層向量XTask建立軟件配置層模型。步驟3.對航電系統(tǒng)進行網絡層配置，網絡層配置是在航電系統(tǒng)架構上尋找最優(yōu)的DIMA設備的網絡連接的過程，將所有網絡的分配可能通過網絡層配置向量XNetwork描述，根據(jù)網絡層配置的資源約束以及路徑隔離約束結合網絡層配置向量XNetwork建立網絡配置層模型。步驟4.設計模型評價標準(即模型設計目標)，如質量和運營中斷成本，并對模型選用單/多目標優(yōu)化算法對分別建立的硬件配置層模型、軟件配置層模型、網絡配置層模型進行優(yōu)化評估，或者通過多目標優(yōu)化優(yōu)化算法對分別建立的硬件配置層模型、軟件配置層模型、網絡配置層模型進行聯(lián)合優(yōu)化評估，得到優(yōu)化后的硬件層配置向量Xdevice、軟件配置層向量XTask、網絡層配置向量XNetwork，進而完成DIMA設備、航電系統(tǒng)任務以及DIMA設備的網絡連接的配置。所述步驟1中建立硬件配置層模型的方法，包括以下步驟：步驟11.收集待配置的航電系統(tǒng)的安裝位置、系統(tǒng)任務、DIMA設備信息以及各安裝位置能夠提供的資源以及資源數(shù)據(jù)，并進行量化，同時獲取DIMA設備的質量、體積、網絡資源容納能力，并進行量化。其中，第i個安裝位置Locationi提供DIMA設備消耗的安裝位置資源為r1，則對第i個安裝位置Locationi有一個可用的資源向量集RLocationi=(r1,i1,...,rn,i1).]]>分別代表第i個安裝位置可用的資源類型及其對應的數(shù)量，n表示第i個安裝位置可以安裝資源的個數(shù),i∈Nlocation,i表示安裝位置的索引,Nlocation表示安裝位置的數(shù)量。對于第j個設備Devicej有一個設備安裝所需要的各種類型的安裝資源的向量集RDevicej=(r1,j2,...,rn,j2).]]>其中，第j個DIMA設備Devicej所需要的安裝位置資源為r2，表示第j個設備安裝所需要的資源類型的安裝資源，，n表示安裝資源的個數(shù)。同時，在實際分配中，第j個設備Devicej安裝到第i個安裝位置Locationi消耗的資源表示為：RDevicej,Locationi=(ρ1,...,ρm,...,ρn).]]>ρm表示第j個設備消耗的每一個安裝資源類型m的資源數(shù)量，n表示安裝資源的個數(shù)，m∈R+。步驟12.根據(jù)DIMA設備信息、系統(tǒng)任務以及待配置的航電系統(tǒng)的安裝位置，將所有DIMA設備的分配可能通過硬件層配置向量Xdevice進行描述：Xdevice=[xDevice1Locationi,xDevice2,Locationi,...,xDevicer,Locationi]T.]]>向量Xdevice中的每一個表示某一種分配可能，即表示第j個設備被分配到第i個安裝位置，Devicej表示第j個設備，j∈NTask，NTask為系統(tǒng)任務的數(shù)量。1，...，r為設備的索引，r為設備數(shù)量。Locationi表示第i個安裝位置，Locationi為小于Nlocation的正自然數(shù)，i表示安裝位置的索引,i∈Nlocation，Nlocation表示安裝位置的數(shù)量。步驟13.根據(jù)實際適用條件下硬件配置的資源約束，即每一個安裝位置上，所有設備消耗的資源總量不能超過該安裝位置所能夠提供的資源總量，則所有安裝在第i個安裝位置Locationi中所有設備消耗的資源有。Σi=kRDevicej,Locationi≤RLocationi,j∈NTask,k,i∈Nlocation.]]>表示第j個設備Devicej安裝到第i個安裝位置Locationi消耗的資源，表示第i個安裝位置能夠提供的資源總量。步驟14.分析設備在安裝位置上的隔離約束關系，即第m個設備Devicem和第n個設備Devicen需要在安裝位置上進行隔離，那么在第m個設備分配可能安裝位置以及第n個設備分配可能安裝位置中，需要滿足:Locationp≠Locationq，p，q∈Nlocation。步驟15.步驟12中的硬件層配置向量Xdevice、步驟13中的資源約束以及步驟14中的隔離約束關系共同構成了硬件配置層模型。優(yōu)選的：所述步驟1中建立硬件配置層模型的方法，還包括根據(jù)實際安全性要求和資源性約束條件，將設備禁止的分配的可能從硬件層配置向量Xdevice中刪去。所述步驟2中建立軟件配置層模型的方法，包括以下步驟：步驟21.收集待配置的航電系統(tǒng)的安裝位置、系統(tǒng)任務、DIMA設備信息以及各安裝位置能夠提供的資源以及資源數(shù)據(jù)，并進行量化，同時獲取DIMA設備的質量、體積、網絡資源容納能力，并進行量化。在軟件配置中，系統(tǒng)功能被建模為具有信號交換能力的軟件塊Block，將整個航電系統(tǒng)功能劃分為若干原子性的軟件塊，并將這樣的軟件塊稱為任務Task，任務是軟件配置的最小單位。步驟22.將系統(tǒng)任務映射到DIMA設備上，首先對系統(tǒng)任務類型和設備類型分析，并進行量化，將系統(tǒng)任務進行索引排序，將系統(tǒng)任務數(shù)量記為NTask，設備數(shù)量記為Ndevice，然后將安裝位置和DIMA設備按照一定的順序進行排序，并設置一定的索引順序。每一個設備被一個以上的任務配置，對于每一個設備定義一個能力集合Capacity，該能力是設備的屬性。該集合定義任務是否能夠配置到該設備上，以及如果該任務被配置到設備上所消耗的資源集合即該設備可以分配的任務Tk，以及分配任務Tk消耗的第j個資源類型的資源rj的數(shù)量向量rj∈R+，d表示設備中的資源個數(shù)。步驟23.根據(jù)DIMA設備信息、系統(tǒng)任務以及待配置的航電系統(tǒng)的安裝位置，將所有任務的分配可能通過軟件配置層向量XTask進行描述：XTask=[xTask1,Devicej,Capacityk,xTask2,Devicej,Capacityk,...,xTasks,Devicej,Capacityk]T.]]>向量Xdevice中的每一個表示某一種分配可能，即表示第i個任務被分配到第j個設備上并使用了第k個能力，i＝1…s，s是任務的索引，s∈NTask，NTask為系統(tǒng)任務的數(shù)量，j為設備的索引，j∈NTask，k為設備能力的索引，k∈Ncapacity，Ncapacity表示設備j能力的總數(shù)。步驟24.根據(jù)實際適用條件下軟件配置的資源約束，即分配到一個設備上任務消耗的資源總量不能超過該設備所能夠提供的資源總量,所有安裝在Devicej中所有設備消耗的資源有。Σs=lRTasks,Devicej≤RDevicel,s∈NTask,s,l∈Ndevice.]]>表示第s個任務Tasks安裝到第j個設備Devicej消耗的資源。表示第l個設備能夠提供的資源總量。步驟25.根據(jù)任務之間的隔離約束關系，在某個具體的設備上，第a個任務Taska和第b個任務Taskb需要進行隔離，那么第a個任務Taska的分配可能以及第b個任務Taskb的分配可能中，需要滿足：Devicep1≠Deviceq1,p1,q1∈Ndevice;]]>步驟26.根據(jù)任務之間的原子性約束，第c個任務Taskc和第d個任務Taskd需要進行原子約束，那么第c個任務Taskc分配可能以及第d個任務Taskd分配可中，需要滿足：Devicep2=Deviceq2,p2,q2∈Ndevice.]]>步驟27.步驟23中的軟件配置層向量XTask、步驟24中的軟件配置的資源約束、步驟25中的任務之間的隔離約束關系、步驟26中的任務之間的原子性約束共同構成了軟件配置層模型。優(yōu)選的：所述步驟2中建立軟件配置層模型的方法，還包括根據(jù)實際安全性要求和資源性約束條件，即將禁止配置到某些設備上的系統(tǒng)任務，在軟件配置層向量XTask中將對應的系統(tǒng)任務刪除。所述步驟3中建立網絡配置層模型的方法，包括以下步驟：步驟31.收集外設分配、鏈路分配和線纜路由分配中的相關信息和數(shù)據(jù)，統(tǒng)計網絡配置中的資源類型以及資源數(shù)據(jù)，收集待配置的航電系統(tǒng)的安裝位置、系統(tǒng)任務、DIMA設備信息以及各安裝位置能夠提供的資源以及資源數(shù)據(jù)，并進行量化，同時獲取DIMA設備的質量、體積、網絡資源容納能力，并進行量化。步驟32.對網絡配置系統(tǒng)任務類型和設備類型分析，并進行量化，將網絡配置系統(tǒng)任務進行索引排序，將網絡配置系統(tǒng)任務數(shù)量記為NConnection，設備數(shù)量記為Ndevice，然后將安裝位置和設備分別進行排序，并設置對應的索引順序。步驟33.在網絡配置建模中，網絡可以表述成一個邊集E和頂點集V構成的無向圖G。頂點集V＝{Location，Joints}，其中Location是安裝位置，Joints是電纜路由連接點，邊集E是電纜路由Routes。在信號分配中頂點集V是設備Device，邊集Edges為對應的鏈路Link。網絡是由一系列的連接所組成，一個連接Connection由一個二元組(Vs，VT)進行表述，其中Vs和VT分別表示一個連接的源點和終點。在建模前，首先對路徑進行預先分析處理，對每一個需要考慮的連接Connection分析其可能的網絡路徑Path，并對這些可能的路徑進行統(tǒng)計，并進行索引排序。步驟34.根據(jù)DIMA設備信息、網絡層配置系統(tǒng)任務以及步驟33建立的網絡，將所有網絡的分配可能通過網絡層配置向量XNetwork描述：網絡層配置向量XNetwork為：XNetwork=[xConnection1,pathi,j,xConnection2,pathi,j,...,xConnectionn,pathi,j]T.]]>表示第k個連接所使用的pathi，j這個路徑，對每一個Connectioni中i∈NConnection，每一個i是連接的索引，NConnection為網絡連接的數(shù)量，Pathi，j中j為連接i中網絡路徑的索引，為網絡連接i的路徑數(shù)。步驟35.根據(jù)網絡層配置的資源約束，即在每一個連接中，頂點或者邊上消耗的資源總量不能超過所能夠提供的資源總量，則使用不等式表示為：Σs=lRConnectioni,Vs≤RVl,i∈NConnection,s,l∈Connection;]]>Σs=lRConnectioni,Es≤REl,i∈NConnection,s,l∈Connection;]]>表示頂點上消耗的資源，表示邊上消耗的資源總數(shù)；表示邊上消耗的資源數(shù)量表示邊上的資源總數(shù)。步驟36.根據(jù)路徑隔離約束關系，某些路徑需要進行隔離，即在路徑中具有某些相同的節(jié)點或者邊連接需要被排除：Pathp3≠Pathq3,p3,q3∈NConnectioni,Pathj.]]>步驟37.步驟34中的網絡層配置向量XNetwork、步驟35中的網絡層配置的資源約束以及步驟36中的路徑隔離約束關系共同構成了網絡配置層模型。步驟4中根據(jù)實際的工程需要設計評估標準，以優(yōu)化質量和運營中斷成本評估模型為例，設計如下：步驟41.優(yōu)化質量根據(jù)步驟1中建立的硬件配置層模型、步驟2中建立的軟件配置層模型以及步驟3中的網絡配置層模型得到設備重量ADCN的重量和外設線纜重量而航電系統(tǒng)的重量m為設備重量ADCN的重量和外設線纜重量的和。m表示航電系統(tǒng)的重量，表示設備重量，表示ADCN的重量，表示外設線纜重量。最終，得到質量指標fm：fm＝(m1…mN)。2.運營中斷成本。運營中斷成本OIC是航班取消OICCancel和航班延誤OICDelay所造成的成本總和。OIC＝OICDelay+OICCancel。最終得到，運營中斷成本指標fOIC。fOIC＝(OIC1…OICN)。有益效果：本發(fā)明提供的一種面向大規(guī)模分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)DIMA的多層次建模設計方法，相比現(xiàn)有技術，具有以下有益效果：(1)本發(fā)明提出了一種多層次的分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)的建模設計，提供從軟件、硬件和網絡三個層次的模型設計方法，對整個航電系統(tǒng)的建模層次更加全面、具體。(2)本發(fā)明針對大規(guī)模、整機條件下的設計格局重新設計了基于實數(shù)的數(shù)學模型，克服了原先0-1編碼的可擴展性差的缺點，使得變量在面向大規(guī)模航電系統(tǒng)設計問題下的可擴展性上大大增強。(3)本發(fā)明的模型設計中充分考慮了除資源約束外，對隔離約束、原子約束等安全性約束的考慮，使得模型在實際實施過程中安全和合理性得到加強。附圖說明圖1為本發(fā)明的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施流程圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。一種面向大規(guī)模分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)DIMA的多層次建模設計方法，如圖1所示，包括以下步驟：步驟1.對航電系統(tǒng)進行硬件層配置，硬件層配置是將待安裝DIMA設備映射到飛機安裝位置，將所有待安裝DIMA設備的分配可能通過硬件層配置向量Xdevice進行描述，根據(jù)硬件配置的資源約束以及隔離約束結合硬件層配置向量Xdevice建立硬件配置層模型。步驟2.對航電系統(tǒng)進行軟件層配置，軟件層配置是將航電系統(tǒng)任務映射到DIMA設備，將所有任務的分配可能通過軟件配置層向量XTask進行描述，根據(jù)軟件配置的資源約束、任務之間的隔離約束以及原子性約束結合軟件配置層向量XTask建立軟件配置層模型。步驟3.對航電系統(tǒng)進行網絡層配置，網絡層配置是在航電系統(tǒng)架構上尋找最優(yōu)的DIMA設備的網絡連接，將所有網絡的分配可能通過網絡層配置向量XNetwork描述，根據(jù)網絡層配置的資源約束以及路徑隔離約束結合網絡層配置向量XNetwork建立網絡配置層模型。步驟4.采用質量和運營中斷成本通過單目標優(yōu)化算法對分別建立的硬件配置層模型、軟件配置層模型、網絡配置層模型進行優(yōu)化評估，或者通過多目標優(yōu)化優(yōu)化算法對分別建立的硬件配置層模型、軟件配置層模型、網絡配置層模型進行聯(lián)合優(yōu)化評估，得到優(yōu)化后的硬件層配置向量Xdevice、軟件配置層向量XTask、網絡層配置向量XNetwork，進而完成DIMA設備、航電系統(tǒng)任務以及DIMA設備的網絡連接的配置。分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)(DIMA)是航電系統(tǒng)軟件和硬件標準化的產物。DIMA是一個由通用綜合模塊組成的計算平臺，并在該計算平臺上可駐留多個飛機任務(由飛機系統(tǒng)功能所分割的原子概念)。由于DIMA具有平臺通用性，其計算、通信等資源可以被多個任務所共享，進一步可為飛機任務提供各種能力。硬件配置是將DIMA設備映射到飛機安裝位置，在硬件配置中使用一個向量Xdevice對硬件層進行建模。軟件配置是將航電系統(tǒng)任務映射到DIMA設備，在軟件配置中使用一個向量Xtask對任務層進行建模。網絡配置是在航電系統(tǒng)架構上尋找最最優(yōu)的網絡連接，在網絡配置中用一個向量Xnetwork對網絡進行建模。并且建立相關評估標準的目標函數(shù)集合。為實現(xiàn)綜合模塊化航電系統(tǒng)的設計建模，具體包括以下步驟：(1)硬件模型具體實施方法在實施物理配置過程中，充分收集航電系統(tǒng)安裝位置、設備信息和數(shù)據(jù)。統(tǒng)計飛機中航電系統(tǒng)的安裝位置信息，以及各安裝位置所有能夠提供的資源以及資源數(shù)據(jù)，如安裝位置的插槽、冷卻能力或者容量等各種資源的資源類型和數(shù)量。并將這些數(shù)據(jù)進行合理量化，通過矩陣、向量的方式進行表述。為了后期的模型評估，需要獲取系統(tǒng)功能設備的質量、體積、網絡資源容納能力等，然后根據(jù)這些設備的參數(shù)，進行安裝空間、質量和成本的一個評估。同時，需要收集DIMA設備相關信息和數(shù)據(jù)。DIMA設備是航電系統(tǒng)的硬件模塊，通常是航電系統(tǒng)的輸入/輸出接口、通用的處理模塊、遠程數(shù)據(jù)集中器模塊等。核心處理I/O模塊(CPIOM)是DIMA上的核心設備，CPM是通用的處理單元，唯一的I/O接口是AFDX，RDC是遠程數(shù)據(jù)集中器，具有先進的電磁干擾和振動保護I/O通道功能。對設備安裝所需要的資源類型和資源數(shù)量進行統(tǒng)計，如安裝到安裝位置需要的插槽、冷卻能力或者容量等各類資源需求類型和數(shù)量，并將這些數(shù)據(jù)進行合理量化，并且分析設備之間的隔離等約束關系，通過矩陣、向量的方式進行表述。同時，為了在對后期進行評估，還需要對設備所連接的外部設備進行分析，并且考慮設備被分配到不同的安裝位置時所造成外部設備(非DIMA設備，如傳感器、驅動器等)、網絡設備(非DIMA設備，如交換機、網絡鏈路等)連接線路的變化數(shù)據(jù)，例如，每一個設備可以安裝在不同的位置，不同的安裝位置會產生不同的成本或者質量的變化。以及各設備和相關網絡鏈路的單位質量、運營成本、初始配置成本等。DIMA設備的評估指標主要表現(xiàn)在：不同類型設備的數(shù)量、成本、占用空間、電纜使用情況等。各類外部設備的評估指標只要表現(xiàn)在：每個功能鏈接的外設位置，確定任務所在DIMA設備距離外設所需電纜的長度，然后推算電纜的重量和成本數(shù)據(jù)信息。在DIMA硬件層建模中，將合適的DIMA設備映射到飛機的安裝位置上。這里假設對于設備來說軟件映射已經被固定，即每一個設備已經被分配了相關的任務，這里僅僅將每個設備固定到安裝位置上。但是，并不是每個安裝位置都適合某個設備類型。例如，在暴露的安裝位置上的設備需要更高的電磁干擾(電磁干擾)保護。動態(tài)冷卻可能只適合在飛機的航電艙室，而且，每一個位置的空間是有限的。這些約束使用與軟件映射相似的建模方法。安裝位置Locationi提供DIMA設備消耗的安裝位置資源r。對每一個安裝位置Locationi有一個可用的資源向量集：RLocationi=(r1,i1,...,rn,i1),]]>分別代表某種資源類型和數(shù)量，如插槽、冷卻能力或者容量等安裝資源的數(shù)量。同時，對每一個設備Devicej有一個向量集：RDevicej=(r1,i2,...,rn,i2),]]>其中，第j個DIMA設備Devicej所需要的安裝位置資源為r2，表示第j個設備安裝所需要的資源類型的安裝資源和數(shù)量，n表示安裝資源的個數(shù)。同時，在實際分配中，第j個設備Devicej安裝到第i個安裝位置Locationi消耗的資源表示為：RDevicej,Locationi=(ρ1,...,ρm,...,ρn);]]>ρm表示第j個設備消耗的每一個安裝資源類型m的資源數(shù)量，n表示安裝資源的個數(shù)，m∈R+；在本發(fā)明中，硬件層配置向量為：Xdevice=[xDevice1Locationk,xDevice2,Locationk,...,xDevicer,Locationk]T,]]>對每一個Locationk中k∈Nlocation，每一個k是安裝位置的索引，Nlocation為安裝位置的數(shù)量，Devicej中j∈NTask，1，...，r為設備的索引，r為設備數(shù)量。在本發(fā)明所描述的模型中，需要考慮實際適用條件下的資源約束。每一個設備Devicej分配到安裝位置Locationk上必須消耗一定的安裝資源，如插槽、冷卻能力或者容量，但是每一個安裝位置上，所有設備消耗的資源總量不能超過該安裝位置所能夠提供的資源總量。即對每一個Devicej，所有安裝在Locationk中所有設備消耗的資源有Σk=iRDevicej,Locationk≤RLocationi,(j∈NTask,k,i∈Nlocation)]]>安裝位置約束，即某些設備由于其自身特性或者安裝位置限制，某些設備禁止安裝到一定的安裝位置。同時我們在考慮安裝位置約束時，我們可以在建模時可以將某些分配可能不予考慮，即在向量中刪除這些變量，以減少搜索空間。由于在航電系統(tǒng)的設計中，還必須考慮一定的安全性，即某些設備必須要在安裝位置上進行隔離。因此，在設計過程中，需要考慮在某個具體的安裝位置上，設備Devicem和Devicen需要進行隔離，那么在分配可能以及中，需要滿足Locationp≠Locationq(p，q∈Nlocation)分配向量和相關約束關系共同構成了硬件配置的數(shù)學模型。在實施中，首先對飛機中可行的航電系統(tǒng)安裝位置進行分析，并進行量化，將航電系統(tǒng)設備按照一定順序進行索引排序，將空間數(shù)量記為Nlocation，設備數(shù)量記為Ndevice，然后將安裝位置和設備按照一定的順序進行排序，并設置一定的索引順序。然后將所有的分配可能通過一個向量進行描述。其中，Locationk可以取小于Nlocation的正自然數(shù)，表示第i個設備被分配到第k個安裝位置，每一個中設備的索引是固定的，只需要考慮該設備的安裝位置。根據(jù)實際安全性要求和資源性約束等條件，分析某些禁止的分配可能，然后將這些禁止的分配可能從Xdevice中刪去，從而減少搜索空間。然后使用前期收集和統(tǒng)計并經過量化后的資源，對上述資源向量進行實例化，并帶入公式中，實現(xiàn)資源約束的數(shù)學模型。最后，分析設備在安裝位置上的隔離約束關系，并完成Locationp≠Locationq，p，q∈Nlocation的數(shù)學模型的表達。如圖1，綜合配置向量和資源、隔離約束的各向量、矩陣，實現(xiàn)配置數(shù)學模型的建立。(2)軟件配置模型具體實施方法系統(tǒng)任務也是航電設備上的重要模塊，DIMA的主要模塊的功能都是在通用硬件平臺由軟件實現(xiàn)。由于應用程序的可移植性、可重用性、可測試性和成本等問題，所以在設計時盡量實現(xiàn)硬件與軟件的相對獨立。在軟件配置中，系統(tǒng)功能被建模為具有信號交換能力的軟件塊(Block)，將整個航電系統(tǒng)功能劃分為若干原子性的軟件塊，并將這樣的軟件塊稱為任務(Task)，任務是軟件配置的最小單位。除此之外，在軟件模型中，還要考慮為實現(xiàn)軟件功能所需要的外部設備。假設每一個設備被一個任務或多任務配置。對于每一個設備定義一個能力集合Capacity，該能力是設備的屬性。該集合定義任務是否能夠配置到該設備上，以及如果該任務被配置到設備上所消耗的資源集合。具體用數(shù)學表示為即該設備可以分配的任務Tk，以及分配每一個Tk消耗的每一個資源類型j的資源rj∈R+的數(shù)量向量d表示設備中的資源個數(shù)。在本發(fā)明中，任務層配置向量為：XTask=[xTask1,Devicej,Capacityk,xTask2,Devicej,Capacityk,...,xTasks,Devicej,Capacityk]T,]]>對每一個Tasks中s∈NTask，每一個s是任務的索引，NTask為系統(tǒng)任務的數(shù)量，Devicej中j為設備的索引，j∈NTask，Capacityk中k為設備能力的索引，k∈Ncapacity，NCapacity表示設備j能力的總數(shù)。對于相同的任務和相同的設備具有不同的資源消耗集合是可能的，例如可選的I/O接口。所有的設備的資源都沒有超過其能夠提供的資源的總和，這樣的軟件配置才是有效的。此外，某些任務需要一些額外的約束。例如某些任務可能需要某些外部設備P的支持，即如果某些任務被分配到DIMA設備上，相關的外部設備也必須物理連接到該DIMA設備上。因為安裝位置上的外部設備在大多數(shù)的情況下是影響了整個架構的線纜重量。此外，任務還要受到相應的設備，安裝位置，或者電源供應的約束。最重要的，隔離和原子的約束，決定了一組任務必須或者必須不能共享一個DIMA設備，設備類型或者安裝位置。例如，兩個冗余系統(tǒng)的兩個相同部分通常必須要被隔離。在設備、安裝位置以及電源供應約束中，由于任務自身屬性和設備自身限制，某些系統(tǒng)任務禁止配置到某些設備上，這些限制可能是設備、安裝位置或者電源供應的限制，因此為了航電系統(tǒng)設計的安全性考慮，同時減少搜索空間，在向量編碼中將這些可能刪除。每一個任務Task必須被配置到DIMA設備Device上,而不能獨立于設備存在。但是支持任務必須要DIMA設備提供相關的資源(Resources)，這些資源可能是計算能力、內存或者I/O接口。每一個設備Di提供的資源類型j的資源rj∈R+使用一個向量表示。在實現(xiàn)資源約束時，每一個任務Tasks分配到安裝位置Devicej上必須消耗一定的設備資源，如計算能力、內存或者I/O接口，但是每一個設備上，所有分配到一個設備上任務消耗的資源總量不能超過該設備所能夠提供的資源總量。即對每一個Tasks，所有安裝在Devicej中所有設備消耗的資源有Σs=lRTasks,Devicej≤RDevicel,(s∈NTask,s,l∈Ndevice)]]>類似在硬件配置，即某些任務必須在設備之間進行隔離，即某些任務不能被陪陪到同一個設備上。在設計過程中，需要考慮在某個具體的設備上，任務Taska和Taskb需要進行隔離，那么第a個任務Taska的分配可能以及第b個任務Taskb的分配可能中，需要滿足：Devicep1≠Deviceq1,p1,q1∈Ndevice;]]>同時，由于系統(tǒng)功能的需求，某些任務之間具有協(xié)作性，某些任務必須同時被分配到同一設備上，即任務之間的原子性約束。任務Taskc和Taskd需要進行原子約束，那么第c個任務Taskc分配可能以及第d個任務Taskd分配可中，需要滿足：Devicep2=Deviceq2,p2,q2∈Ndevice;]]>在軟件配置實施過程中，充分收集DIMA設備相關信息和數(shù)據(jù)。統(tǒng)計DIMA所有能夠提供的資源類型以及資源數(shù)據(jù)，如計算資源、存儲資源、I/O等各種資源的資源類型和數(shù)量。并將這些數(shù)據(jù)進行合理量化，通過矩陣、向量的方式進行表述。為了后期的模型評估，需要獲取DIMA設備的質量、體積等，以及設備連接的外部設備線路長度和單位成本、質量等，并且統(tǒng)計相關設備的MEL(最低設備清單級別)。同時，將航電系統(tǒng)的所有系統(tǒng)功能進行分析和統(tǒng)計，并將系統(tǒng)功能分割成原子性的系統(tǒng)任務，并明確各系統(tǒng)任務執(zhí)行時所需要連接的外部設備，以及任務執(zhí)行所需要的硬件環(huán)境和所需要的資源類型以及資源數(shù)據(jù)，如計算資源、存儲資源、I/O等各種資源的資源類型和數(shù)量。并將這些數(shù)據(jù)進行合理量化，通過矩陣、向量的方式進行表述。為了后期的模型評估，需要獲取任務所連接外部設備的質量體積，以及相關線纜長度和單位成本、數(shù)量等。在DIMA軟件層建模中，將系統(tǒng)任務映射到DIMA設備上。在實施中，首先對系統(tǒng)任務類型和設備類型分析，并進行量化，將系統(tǒng)任務按照一定順序進行索引排序，將系統(tǒng)任務數(shù)量記為NTask，設備數(shù)量記為Ndevice，然后將安裝位置和設備按照一定的順序進行排序，并設置一定的索引順序。然后將所有的分配可能通過一個向量進行描述。XTask=Task1Task2...Taski...TaskNdeviceDevicej,CapabilitykDevicej,Capabilityk...Devicej,Capabilityk...Devicej,CapabilitykxTask1,Devicej,Capacityk,xTask2,Devicej,Capacityk,...xTaski,Devicej,Capacityk,...xTaskNTask,Devicej,Capacityk]]>其中，Devicej可以取小于Ndevice的正自然數(shù)，表示第i個設備被分配到第j個設備上并使用了第k個能力，每一個Devicej，Capacityk中設備和能力的索引是固定的，只需要考慮該任務所分配到的設備以及所使用的能力。根據(jù)實際安全性要求和資源性約束等條件，分析某些禁止的任務分配可能，例如計算型任務不能分配到I/O型設備上。然后將這些禁止的分配可能從XTask中刪去，從而減少搜索空間。然后分別將前期收集和統(tǒng)計并經過量化后的計算資源、存儲資源和I/O資源等各種資源類型和資源數(shù)量分別帶入各數(shù)學向量，并帶入公式：Σs=lRTasks,Devicej≤RDevicel,(s∈NTask,s,l∈Ndevice)]]>中，實現(xiàn)資源約束的數(shù)學模型。由于某些任務之間無法進行共存，即存在某些隔離約束關系。例如，為保障航電系統(tǒng)的安全，相互冗余的系統(tǒng)之間通常必須分配到不同的設備上。隔離約束關系，并完成的隔離約束數(shù)學模型的建立。最后，根據(jù)前期系統(tǒng)需求分析，對某些具有協(xié)作性的任務進行原子性約束，即構建的原子約束數(shù)學模型。最終，如圖1，完成軟件配置模型建立。(3)網絡配置模型具體實施方法網絡配置主要包括外設分配、鏈路分配和信號分配。外設分配是外設線纜從非DIMA設備到DIMA設備在整個飛機的結構的路由。外設線纜用于連接DIMA設備和外部設備，在外設分配主要解決的是將線纜映射到電纜路由和安裝位置。鏈路分配是ADCN線纜的路徑路由。連接DIMA設備的線纜被放置在外設線路中相同的線纜位置。鏈路上的信號分配需要被明確，用來滿足隔離約束。鏈路分配是相似于外設線纜分配的物理性分配。與外設線纜分配不同的是，網絡連接被分配到飛機的結構上。信號分配決定了任務的路由在鏈路和設備上的通信。信號消耗一定的資源如帶寬或者鏈路上的信號和交換機的數(shù)量。此外，相關聯(lián)的任務和安全性約束。信號時任務之間的數(shù)據(jù)交換。如果任務被分配到設備上并且網絡已知，那么信號分配路徑決定了信號從生產型任務的物理位置到消費型任務的物理位置之間的路徑。信號分配給一系列的鏈路和設備。外設線纜、鏈路和信號分配的共同點是在網絡拓撲中都有一個起點和終點連接形成的路徑。而且優(yōu)化的目標都是使得這條路徑最短，最輕、最便宜、最快速的。在建模過程中，還需要綜合考慮路徑的能力、安全約束。在網絡配置建模中，網絡被表述成一個邊集E和頂點集V構成的無向圖G。以外設線纜和線纜路由為例，則頂點集V＝{Location，Joints}，其中Location是安裝位置，Joints是電纜路由連接點，邊集E是電纜路由Routes。在信號分配中頂點集V是設備Device，邊集Edges為對應的鏈路Link。網絡是由一系列的連接所組成，一個連接Connection由一個二元組(Vs，VT)進行表述，其中Vs和VT分別表示一個連接的源點和終點。同時在實際的配置中還需要考慮一些在鏈路中的隔離約束和資源約束。隔離約束是由于某些安全約束或者其他限制，例如在某些連接中不能有共同的頂點或者邊。此外，還需要滿足網絡配置中的資源約束。在建模前，首先對路徑進行預先分析處理，對每一個需要考慮的連接Connection分析其可能的網絡路徑Path，并對這些可能的路徑進行統(tǒng)計，并進行索引排序。在本發(fā)明中，網絡層配置向量為：XNetwork=[xConnection1,pathi,j,xConnection2,pathi,j,...,xConnectionn,pathi,j]T,]]>對每一個Connectioni中i∈NConnection，每一個i是連接的索引，NConnection為網絡連接的數(shù)量，Pathi，j中j為連接i中網絡路徑的索引，為網絡連接i的路徑數(shù)。在實現(xiàn)網絡配置的資源約束時，但是每一個連接中，頂點或者邊上消耗的資源總量不能超過所能夠提供的資源總量。則使用不等式表示為：Σs=lRConnectioni,Vs≤RVl,(i∈NConnection,s,l∈Connection)]]>Σs=lRConnectioni,Es≤REl,(i∈NConnection,s,l∈Connection)]]>表示頂點上消耗的資源，表示邊上消耗的資源總數(shù)表示邊上消耗的資源數(shù)量表示邊上的資源總數(shù)。類似在軟件和硬件配置中，某些路徑需要進行隔離，即在路徑中具有某些相同的節(jié)點或者邊連接需要被排除:Pathp3≠Pathq3,(p3,q3∈NConnectioni,Pathj)]]>在軟件配置實施過程中，充分收集外設分配、鏈路分配和線纜路由分配中的相關信息和數(shù)據(jù)。統(tǒng)計網絡配置中的資源類型以及資源數(shù)據(jù)，同時考慮所需要的隔離約束。并將這些數(shù)據(jù)進行合理量化，通過矩陣、向量的方式進行表述。同時，還要考慮到模型評估，以及相關線纜長度和單位成本、數(shù)量等數(shù)據(jù)，以及相關聯(lián)的交換機、鏈路等，并且統(tǒng)計相關設備的MEL(最低設備清單級別)。在實施中，首先對系統(tǒng)任務類型和設備類型分析，并進行量化，將系統(tǒng)任務按照一定順序進行索引排序，將系統(tǒng)任務數(shù)量記為NConnection，設備數(shù)量記為Ndevice，然后將安裝位置和設備按照一定的順序進行排序，并設置一定的索引順序。然后將所有的分配可能通過一個向量進行描述。XNetwork=Connection1Connection2...Connectionk...ConnectionNConnectionpathi,jpathi,j...pathi,j...pathi,jxConnection1,pathi,j,xConnection2,pathi,j,...xConnectionk,pathi,j,...xConnectionNConnection,pathi,j]]>其中，Connectionk可以取小于NConnection的正自然數(shù)，表示第i個連接所使用的pathi，j這個路徑。然后分別將前期收集和統(tǒng)計并經過量化后的網絡資源等各種資源類型和資源數(shù)量分別帶入各數(shù)學向量，并帶入公式：Σs=lRConnectioni,Vs≤RVl,(i∈NConnection,s,l∈Connection)]]>Σs=lRConnectioni,Es≤REl,(i∈NConnection,s,l∈Connection)]]>中，實現(xiàn)網絡模型中資源約束的數(shù)學模型。根據(jù)實際安全性要求和資源性約束等條件，分析某些禁止的路徑可能，即存在隔離約束關系。完成的數(shù)學表達。最終，如圖1，完成網絡配置模型建立。(4)根據(jù)實際的工程需要設計評估標準，以優(yōu)化質量和運營中斷成本評估模型為例，設計如下：1.質量重量是評估航電系統(tǒng)設計最重要的一個目標，飛機的飛行成本和效率在很大程度上會受到重量的限制。航電系統(tǒng)的重量主要由設備重量ADCN的重量和外設線纜重量三個因素構成，是航電設備硬件的重量、安裝材料的重量等的綜合。在建模中，設備重量是所有硬件模塊重量的總和。ADCN是指網絡電纜和交換機等網絡模塊的質量綜合，其受到網絡技術、冗余水平和模塊分配的影響。外設線纜的重量指的是DIMA硬件設備和外部設備之間的連接線纜的重量。最終，得到質量指標fmfm＝(m1…mN)2.運營中斷成本運營中斷成本也是航電系統(tǒng)評估的重要指標之一。運營中斷成本通常是由于航電系統(tǒng)的非計劃性的維護操作所造成的飛機航班延誤、取消所造成的成本，例如對DIMA設備的維修或更換。飛機航班的取消或者延誤取決于最低設備清單和維修或更換的時間。因此，運營中斷成本是航班取消或者延誤所造成的成本總和。OIC＝OICDelay+OICCancel最終得到，運營中斷成本fOIC＝(OIC1…OICN)在上述目標評估中，通常還需要對模型編碼進行擴展和約束，以適應在優(yōu)化過程中所使用的設備、任務或者網絡。根據(jù)工程實際需求，分別對硬件、軟件和網絡模型進行評估。例如使得優(yōu)化質量最小，即使得fmTx最小，使得運營中斷成本最小，即使得fOICTx最小。根據(jù)工程實際需要，可以選用單、多目標的優(yōu)化算法對整個模型進行評估。如圖2。綜上所述，本發(fā)明充分考慮實際航電系統(tǒng)設計中的問題，建立了面向大規(guī)模、多層次的分布式綜合模塊化航電系統(tǒng)的建模設計方法。充分考慮模型設計中的約束關系，和模型本身在面臨大規(guī)模問題中的可擴展性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3