機(jī)載綜合處理機(jī)可靠性建模與改進(jìn)

武健 孫東旭 張楠

摘要：機(jī)載綜合處理機(jī)是綜合模塊化航電系統(tǒng)的關(guān)鍵平臺，其任務(wù)可靠性是一項重要指標(biāo)。該文對某型綜合處理機(jī)進(jìn)行了可靠性建模，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計架構(gòu)分析了設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行了針對性的可靠性設(shè)計改進(jìn)，并對改進(jìn)后的任務(wù)性可靠性進(jìn)行了評估確認(rèn)，該文的流程和方法為相似航電設(shè)備的改進(jìn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：綜合處理機(jī);可靠性建模;可靠性改進(jìn)

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0266-02

1 引言

機(jī)載綜合處理機(jī)（IPU）是綜合模塊化航電系統(tǒng)的關(guān)鍵平臺，承擔(dān)了航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、信息綜合、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)交換等重要任務(wù)[1-2]。由于飛機(jī)的多項任務(wù)都需要基于機(jī)載綜合處理機(jī)來完成，機(jī)載綜合處理機(jī)的運(yùn)行情況直接影響了飛機(jī)的性能，因此綜合處理機(jī)的可靠性十分重要。IPU的任務(wù)可靠性[3]描述了IPU的在規(guī)定任務(wù)剖面能完成規(guī)定功能的能力，是IPU在設(shè)計時重點(diǎn)考慮的指標(biāo)，如何提高IPU的任務(wù)可靠性成為IPU設(shè)計新的關(guān)注點(diǎn)。本文對通過對某型IPU進(jìn)行可靠性建模、分析薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計改進(jìn)，有效地提高了該型IPU的任務(wù)可靠性。

2 IPU可靠性建模及設(shè)計改進(jìn)流程

IPU可靠性建模及設(shè)計改進(jìn)主要包含如下步驟：

（1）確定產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)：可靠性目標(biāo)可通過借鑒歷史相似產(chǎn)品、航電系統(tǒng)可靠性分配[4]等方法來確定，本文中IPU的任務(wù)可靠性目標(biāo)為[RIPU≥0.95]。

（2）通過分析產(chǎn)品的處理能力、存儲能力、網(wǎng)絡(luò)交互能力等功能性能需求，進(jìn)行產(chǎn)品的初步方案設(shè)計。

（3）對產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行可靠性建模評估，評估其是否滿足可靠性的指標(biāo)，如滿足可靠性指標(biāo)，則可以進(jìn)行設(shè)計確認(rèn);否則，需要對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。

（4）在設(shè)計改進(jìn)時，根據(jù)建模分析結(jié)果和產(chǎn)品的設(shè)計情況，分析產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，針對性地進(jìn)行改進(jìn)，在設(shè)計改進(jìn)后重新進(jìn)行可靠性建模評估，不斷迭代設(shè)計，直至滿足可靠性設(shè)計目標(biāo)。

IPU可靠性建模及設(shè)計改進(jìn)的流程如圖1所示。

3 改進(jìn)設(shè)計架構(gòu)和可靠性建模評估

某型IPU改進(jìn)前設(shè)計架構(gòu)如下圖2所示，該型IPU采用模塊化設(shè)計，由4塊處理模塊（PM）、1塊網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（SW）、1塊存儲模塊（MM）組成。其中PM模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、信號處理、圖像處理功能，可靠度[RPM=0.98];SW模塊實(shí)現(xiàn)IPU內(nèi)部各模塊間及IPU與外部各航電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)互連，可靠度[RSW=0.95];MM模塊實(shí)現(xiàn)IPU內(nèi)部任務(wù)數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的存儲，可靠度[RMM=0.99]。在IPU的任務(wù)執(zhí)行的過程中，需要全部模塊的正常工作，即IPU內(nèi)部任意模塊故障，均會導(dǎo)致IPU任務(wù)無法完成。

由于改進(jìn)前IPU內(nèi)部不存在冗余設(shè)計，IPU內(nèi)部任意一個模塊故障均會導(dǎo)致系統(tǒng)故障，其任務(wù)可靠性模型為串聯(lián)模型，可靠性框圖如下圖3所示。

根據(jù)圖3所示的可靠性框圖，可計算出改進(jìn)前IPU的任務(wù)可靠性計算結(jié)果如下：

由式1可知，改進(jìn)前IPU的任務(wù)可靠性未達(dá)到目標(biāo)值[RIPU≥0.95]，結(jié)合建模結(jié)果和產(chǎn)品的設(shè)計架構(gòu)，分析出薄弱環(huán)節(jié)如下：

（1）4個PM模塊組成的處理資源任務(wù)可靠性較低，雖然PM單個模塊可靠度較高，但是在當(dāng)前架構(gòu)下4個PM模塊全部正常才能完成IPU的處理任務(wù)，4個PM模塊之間可靠性模型為串聯(lián)模型，可靠性下降較快。

（2）SW模塊是三種組成模塊中可靠性最低的模塊，SW模塊的失效將引起IPU內(nèi)部和與外部數(shù)據(jù)交換中斷導(dǎo)致IPU的任務(wù)無法運(yùn)行，對IPU的任務(wù)可靠性造成了較大的影響。受限于模塊的復(fù)雜性較高以及基礎(chǔ)元器件所能達(dá)到的可靠性水平，單個SW模塊的可靠性提升較為困難。

4 設(shè)計改進(jìn)與可靠性指標(biāo)驗證評估

通過綜合評估改進(jìn)前IPU可靠性建模結(jié)果和IPU設(shè)計架構(gòu)，針對產(chǎn)品設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

（1）增加冗余的PM模塊計算資源，考慮到PM模塊較多，為每個PM模塊提供一個冗余模塊會導(dǎo)致功耗、體積、重量以及設(shè)計復(fù)雜性的大幅提高，在機(jī)載領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)較為困難，因此本文采用動態(tài)余度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任務(wù)動態(tài)重構(gòu)，PM1～PM4共享一塊備份PM模塊，當(dāng)IPU監(jiān)測到PM1～PM4模塊中任意一塊故障，將故障模塊中的任務(wù)遷移到備份PM模塊中處理，實(shí)現(xiàn)任務(wù)動態(tài)重構(gòu)，為減少任務(wù)遷移所需時間，備份PM模塊與工作PM模塊同時上電并進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài);

（2）考慮到SW模塊可靠性較低且SW模塊故障將直接導(dǎo)致整個IPU無法運(yùn)行任務(wù)，設(shè)計改進(jìn)增加網(wǎng)絡(luò)余度，通過增加一塊SW模塊組成雙余度網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信采用雙發(fā)雙收機(jī)制，發(fā)送方將兩份相同的數(shù)據(jù)經(jīng)兩個SW模塊傳輸至接收方，接收方對接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗檢查，并對最先受到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

改進(jìn)后的IPU設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。

對改進(jìn)后IPU進(jìn)行可靠性建模，在增加了冗余PM模塊的基礎(chǔ)上，5塊PM只需4塊正常工作就可完成處理任務(wù)，因此PM模塊組成K/N表決模型;在雙余度網(wǎng)絡(luò)中，SW1和SW2只要任意一塊模塊正常工作就網(wǎng)絡(luò)交換功能，支撐IPU任務(wù)的運(yùn)行，因此SW1和SW2組成并聯(lián)模型。改進(jìn)后IPU的任務(wù)可靠性模型為由表決模型、并聯(lián)模型、串聯(lián)模型組成的混聯(lián)模型，其可靠性框圖如圖5所示。

改進(jìn)后IPU任務(wù)可靠性計算結(jié)果如下：

由式2可知，改進(jìn)后IPU可靠性滿足了可靠性目標(biāo)[R≥0.95]，可進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計確認(rèn)工作。

5 總結(jié)

本文通過對某型綜合處理機(jī)進(jìn)行可靠性建模，分析其薄弱環(huán)節(jié)，通過適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計，實(shí)現(xiàn)提高可靠性的目的，滿足了可靠性目標(biāo)，其建模和設(shè)計改進(jìn)的思路可用于其他機(jī)載電子設(shè)備可靠性改進(jìn)中。由于冗余設(shè)計會帶來功耗、體積、重量的提升，同時也會一定程度地降低產(chǎn)品的基本可靠性，因此在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計中，需要對各項指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)：

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