[1]Изобретение относится к области систем бортового радиоэлектронного оборудования повышенной надежности и высоконадежного обмена информацией между системами. Изобретение может найти применение при создании систем обработки информации критических функций в бортовых средствах автоматизированного управления процессами авиационных, ракетно-технических, корабельных и других систем.
[2]Известна система, в которой телеметрическая информация критических функций передается на устройства обработки информации и выходные устройства через коммутаторы, коммутирующие информацию посредством временных циклограмм, реализованных в центральных коммутаторах [1].
[3]Известно устройство обработки информации критических функций в системе, архитектура которой включает вычислительную платформу централизованной обработки информации, периферийные устройства (источники информации, индикаторы и другие периферийные устройства) и центральные коммутаторы, коммутирующие обмен информации между устройствами [2].
[4]Известна архитектура компьютера с повышенной превентивной защитой [3]. Архитектура такой компьютерной системы содержит переключатели (коммутаторы), которые, в отличие от традиционных компьютерных систем с постоянным соединением устройств между собой и к терминалам, подключают к терминалу только одно из устройств. Такая архитектура позволяет с помощью программных систем обеспечить повышенную превентивную защиту компьютерной системы. В изобретении [3] архитектура компьютерной системы представляет собой N автономных модулей, подключающихся с помощью одного или N переключателей через соответствующую каждому модулю шину к шине одного или N терминалов, каждый модуль включает в себя центральный процессор, основную память, накопители, устройства ввода-вывода (УВВ), периферийные устройства, шину и программное обеспечение, каждый терминал включает УВВ и периферийные устройства, подключенные к шине терминала, причем каждый модуль осуществляет обмен данными только с терминалом или N терминалами, взаимодействие с которыми обеспечено переключателем или N переключателями. Отказ одного из N переключателей такой системы приводит к невозможности обмена информацией группы модулей, подключенных к данному переключателю, с терминалом, подключенным к этому же переключателю.
[5]По своему функциональному назначению переключения модулей системы при обмене информацией, наиболее близким к заявленному изобретению, является изобретение [3], которое было принято авторами в качестве прототипа.
[6]В компьютерных системах обработки критических функций, например в системах комплексов бортового оборудования летательных аппаратов, кроме превентивной защиты необходимо обеспечить надежность обмена информацией. Нормы летной годности [4] к надежности функций, отказы которых могут привести к катастрофическим ситуациям, предъявляют требование, чтобы вероятность отказа такой функции не превышала 10-9 на час налета. Из изложенного выше вытекают следующие недостатки прототипа:
[7]- Каждый из N переключателей (коммутаторов) соединен с одним из N терминалов. Отказ хотя бы одного любого переключателя (коммутатора) исключает подачу информации на этот терминал с любого из N терминалов, подключенных к этому коммутатору.
[8]- Для обеспечения отказоустойчивости системы необходимо резервировать цепочку коммутатор-терминал и, соответственно, все модули, подключенные к этому коммутатору.
[9]Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности обмена данными (в том числе и критических функций) между любыми из N модулей. В данном изобретении модулем является система, создаваемая по принципам концепции интегральной модульной авионики (ИМА), которая обеспечивает надежную обработку и обмен информации критических функций. Основные положения этой концепции изложены в документе ДО-297 [5].
[10]В заявляемом изобретении повышенная надежность обмена информацией достигается тем, что в архитектуре системы отказоустойчивой коммутации информации, состоящей из N модулей и коммутаторов, каждый модуль состоит из входных аппаратных приложений, выходных аппаратных приложений, интерфейсно-вычислительной платформы и встроенного в платформу коммутатора, при этом обмен информацией между модулями осуществляется при помощи коммутатора через выходы модуля, которые соединены с соответствующими входами остальных модулей по принципу «точка-точка». При этом каждый модуль может включать в себя n коммутаторов, обеспечивающих управление избыточностью модуля посредством его реконфигурации.
[11]Надежность коммутации (обмена информацией между модулями) у прототипа определяет надежность одного центрального коммутатора (переключателя). В предлагаемом изобретении надежность коммутации определяют n коммутаторов, реализованных в каждом модуле. При одинаковых характеристиках надежности центрального коммутатора и коммутатора каждого из модулей в предлагаемом изобретении надежность коммутации будет в n-1 раз выше, чем у прототипа.
[12]Сущность данного изобретения поясняется следующими графическими материалами:
[13]- структурная схема системы отказоустойчивого обмена информацией между подсистемами ИМА представлена на рисунке Фиг. 1;
[14]- схема коммутации портов интерфейсов AFDX и Fibre Chanel вычислительных узлов платформы ИМА на порты n выходных каналов представлена на рисунке Фиг. 2.
[15]Надежный обмен информацией между N модулями осуществляется следующим образом:
[16]1. В каждом модуле формируются пакеты информации по каждому типу интерфейса для каждого модуля, с которым данная подсистема производит обмен информацией.
[17]2. Коммутаторы каждого типа интерфейса каждого модуля коммутируют эту информацию на соответствующий i-й (i=1, 2, … n) выходной порт, соединенный линией связи данного типа интерфейса с i-м (i=1, 2, … n) модулем, как это показано на Фиг. 1.
[18]3. Обмен информацией между модулями по каждому типу интерфейса производится под управлением временных циклограмм, реализованных в программном обеспечении каждого модуля.
[19]Архитектура системы, состоящая из N модулей ИМА (Фиг. 1), каждый из которых имеет архитектуру, приведенную на Фиг. 2, позволяет:
[20]- обеспечить заданную отказоустойчивость системы из N модулей за счет создания управляемой избыточности в каждом модуле;
[21]- поддерживать отказоустойчивость обмена информацией между модулями на уровне отказоустойчивости модуля.
[22]Как видно из Фиг. 1, отказоустойчивый обмен информацией создается за счет того, что обмен информацией между N модулями происходит по линиям связи по принципу «точка-точка», без центрального коммутатора. Эти линии соединяют выходные каналы (порты различных типов интерфейсов) внешнего интерфейса каждого модуля ИМА с соответствующим входным каналом внешнего интерфейса подсистемы.
[23]На Фиг. 1 также видно, что модуль ИМА состоит из интерфейсно-вычислительной платформы ИМА, входных и выходных аппаратных приложений и входных и выходных каналов внешнего интерфейса. Входными аппаратными приложениями, как правило, являются источники информации (датчики, радиотехнические и другие средства). Выходными аппаратными приложениями, как правило, являются различного рода терминалы и исполнительные органы. Все программные приложения загружаются в вычислительную систему платформы.
[24]Схема коммутации портов интерфейсов AFDX и Fibre Channel вычислительных узлов платформы ИМА на порты N выходных каналов приведена на фиг. 2. На схеме видно, что вычислительная избыточность платформы ИМА создается за счет четырех вычислительных узлов МВУ1-МВУ4. На примере интерфейсов AFDX (COTS-технология интерфейса ETHERNET на условия авиационного борта) и Fibre Channel показано, как два резервированных коммутатора этих интерфейсов KAFDX/KFCH коммутируют информацию, обработанную в вычислительном узле для каждого из четырех каналов на соответствующий порт выходного канала. При этом информация обрабатывается во всех четырех вычислительных узлах, а коммутируется на выходные каналы только с одного исправного вычислительного узла. Исправный вычислительный узел определяется путем мажоритарного сравнения между собой информации, обработанной в каждом вычислительном узле. Для выдачи информации на выходные каналы с исправного вычислительного узла, при возникновении отказов в системе, коммутаторы, в зависимости от отказавшей компоненты, производят соответствующую реконфигурацию системы.
[25]Промышленная применимость
[26]Возможность осуществления данного изобретения подтверждается результатами отдельной конструкторской работы ОКР «Вычислитель», выполненной АО «НИИАО» совместно с ЗАО НТКЦ «Петрофарм» [6]. В процессе технического проекта был создан макетный образец платформы ИМА, который успешно демонстрировался на международной авиационной выставке МАКС. Реализация отказоустойчивого обмена информацией в системах, построенных на основе платформ ИМА, приведенных на Фиг. 1, позволит создавать комплексы бортового оборудования с архитектурой, подобной отказоустойчивой системе, приведенной на Фиг. 2. Избыточность таких систем при наличии системы управления избыточностью позволит реализовать принцип отложенного ремонта и необслуживаемой авионики - принцип MFOPs (Maintenance-free operating periods).
[27]Экономические расчеты показывают, что современные комплексы бортового оборудования, построенные на функциональных блоках (архитектура федерации легкосъемных блоков), имеют отношение затрат на техническое обслуживание к затратам на закупку комплексов как минимум два к одному и более. Внедрение изобретения позволит снизить затраты на техническое обслуживание до величины в 30-50% от затрат на их закупку за счет повышения надежности, снижения затрат на содержание обменных фондов на аэродромах и принципиально другой технологии ремонта отказавших систем.
[29]1. Бортовая Система ТелеИзмерений (БСТИ) для изделия РН АНГАРА на основе аппаратуры ПИРИТ.
[30]2. В.В. Косьянчук. Перспективы развития комплекса бортового оборудования на базе ИМА в Российской Федерации, сборник докладов международной конференции «Состояние и перспективы развития интегрированной модульной авионики», М., 2012 г.
[31]3. Патент РФ №2413290, приоритет от 28.08.12 (Архитектура компьютера с автономными модулями).
[32]4. Авиационные правила. Ч. 25: Нормы летной годности самолетов транспортной категории. М.: Изд-во Межгос. Авиац. Комитета. 2009.
[33]5. SC-200 © 2005, RTCA Inc. Руководство по вопросам разработки и сертификации интегрированного модульного авиационного радиоэлектронного оборудования (IMA) ДО-297. RTCA, Incorporated, 1828 L St NW„ NW„ 805 Washington, 2005 г.
[34]6. Технический отчет по ОКР «Вычислитель», ЗАО НТКЦ «Петрофарм», Санкт Петербург, 2008 г.
