机载综合处理机可靠性建模与改进

武健 孙东旭 张楠

摘要：机载综合处理机是综合模块化航电系统的关键平台，其任务可靠性是一项重要指标。该文对某型综合处理机进行了可靠性建模，结合产品设计架构分析了设计薄弱环节，进行了针对性的可靠性设计改进，并对改进后的任务性可靠性进行了评估确认，该文的流程和方法为相似航电设备的改进提供了参考。

关键词：综合处理机;可靠性建模;可靠性改进

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）10-0266-02

1 引言

机载综合处理机（IPU）是综合模块化航电系统的关键平台，承担了航电系统数据处理、信息综合、数据存储、数据交换等重要任务[1-2]。由于飞机的多项任务都需要基于机载综合处理机来完成，机载综合处理机的运行情况直接影响了飞机的性能，因此综合处理机的可靠性十分重要。IPU的任务可靠性[3]描述了IPU的在规定任务剖面能完成规定功能的能力，是IPU在设计时重点考虑的指标，如何提高IPU的任务可靠性成为IPU设计新的关注点。本文对通过对某型IPU进行可靠性建模、分析薄弱环节和设计改进，有效地提高了该型IPU的任务可靠性。

2 IPU可靠性建模及设计改进流程

IPU可靠性建模及设计改进主要包含如下步骤：

（1）确定产品的可靠性目标：可靠性目标可通过借鉴历史相似产品、航电系统可靠性分配[4]等方法来确定，本文中IPU的任务可靠性目标为[RIPU≥0.95]。

（2）通过分析产品的处理能力、存储能力、网络交互能力等功能性能需求，进行产品的初步方案设计。

（3）对产品设计方案进行可靠性建模评估，评估其是否满足可靠性的指标，如满足可靠性指标，则可以进行设计确认;否则，需要对产品进行设计改进。

（4）在设计改进时，根据建模分析结果和产品的设计情况，分析产品的薄弱环节，针对性地进行改进，在设计改进后重新进行可靠性建模评估，不断迭代设计，直至满足可靠性设计目标。

IPU可靠性建模及设计改进的流程如图1所示。

3 改进设计架构和可靠性建模评估

某型IPU改进前设计架构如下图2所示，该型IPU采用模块化设计，由4块处理模块（PM）、1块网络交换机（SW）、1块存储模块（MM）组成。其中PM模块实现数据处理、信号处理、图像处理功能，可靠度[RPM=0.98];SW模块实现IPU内部各模块间及IPU与外部各航电设备网络互连，可靠度[RSW=0.95];MM模块实现IPU内部任务数据、监控数据、管理数据的存储，可靠度[RMM=0.99]。在IPU的任务执行的过程中，需要全部模块的正常工作，即IPU内部任意模块故障，均会导致IPU任务无法完成。

由于改进前IPU内部不存在冗余设计，IPU内部任意一个模块故障均会导致系统故障，其任务可靠性模型为串联模型，可靠性框图如下图3所示。

根据图3所示的可靠性框图，可计算出改进前IPU的任务可靠性计算结果如下：

由式1可知，改进前IPU的任务可靠性未达到目标值[RIPU≥0.95]，结合建模结果和产品的设计架构，分析出薄弱环节如下：

（1）4个PM模块组成的处理资源任务可靠性较低，虽然PM单个模块可靠度较高，但是在当前架构下4个PM模块全部正常才能完成IPU的处理任务，4个PM模块之间可靠性模型为串联模型，可靠性下降较快。

（2）SW模块是三种组成模块中可靠性最低的模塊，SW模块的失效将引起IPU内部和与外部数据交换中断导致IPU的任务无法运行，对IPU的任务可靠性造成了较大的影响。受限于模块的复杂性较高以及基础元器件所能达到的可靠性水平，单个SW模块的可靠性提升较为困难。

4 设计改进与可靠性指标验证评估

通过综合评估改进前IPU可靠性建模结果和IPU设计架构，针对产品设计中的薄弱环节进行了如下改进：

（1）增加冗余的PM模块计算资源，考虑到PM模块较多，为每个PM模块提供一个冗余模块会导致功耗、体积、重量以及设计复杂性的大幅提高，在机载领域实现较为困难，因此本文采用动态余度的结构进行任务动态重构，PM1～PM4共享一块备份PM模块，当IPU监测到PM1～PM4模块中任意一块故障，将故障模块中的任务迁移到备份PM模块中处理，实现任务动态重构，为减少任务迁移所需时间，备份PM模块与工作PM模块同时上电并进入准备状态;

（2）考虑到SW模块可靠性较低且SW模块故障将直接导致整个IPU无法运行任务，设计改进增加网络余度，通过增加一块SW模块组成双余度网络，网络通信采用双发双收机制，发送方将两份相同的数据经两个SW模块传输至接收方，接收方对接收到数据进行校验检查，并对最先受到的有效数据进行处理。

改进后的IPU设计架构如图4所示。

对改进后IPU进行可靠性建模，在增加了冗余PM模块的基础上，5块PM只需4块正常工作就可完成处理任务，因此PM模块组成K/N表决模型;在双余度网络中，SW1和SW2只要任意一块模块正常工作就网络交换功能，支撑IPU任务的运行，因此SW1和SW2组成并联模型。改进后IPU的任务可靠性模型为由表决模型、并联模型、串联模型组成的混联模型，其可靠性框图如图5所示。

改进后IPU任务可靠性计算结果如下：

由式2可知，改进后IPU可靠性满足了可靠性目标[R≥0.95]，可进行后续的设计确认工作。

5 总结

本文通过对某型综合处理机进行可靠性建模，分析其薄弱环节，通过适当的冗余设计，实现提高可靠性的目的，满足了可靠性目标，其建模和设计改进的思路可用于其他机载电子设备可靠性改进中。由于冗余设计会带来功耗、体积、重量的提升，同时也会一定程度地降低产品的基本可靠性，因此在实际的产品设计中，需要对各项指标进行权衡。

参考文献：

[1] 王国庆，谷青范，王淼，等.新一代综合化航空电子系统构架技术研究[J].航空学报，2014，35（6）：1473-1486.

[2] 孙东旭，李键，武健.面向IMA平台的离散事件演化树仿真分析方法[J].电光与控制，2019，26（2）：97-100.

[3] 曾声奎.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，2013.

[4] 王开山，郝宗敏.直升机系统基本可靠性分配方法研究[J].直升机技术，2017（2）：33-36，72.

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