星載嵌入式計算機系統可靠性技術研究

董 驍

（大慶師范學院計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163000）

星載嵌入式計算機系統可靠性技術研究

董 驍

（大慶師范學院計算機科學與信息技術學院，黑龍江 大慶 163000）

隨著我國經濟的不斷發展，我國的航天事業也得到了飛速的發展，因此就需要在可靠性能方面進行全面地改善，星載嵌入式計算機的性能、體型以及可靠性等。星載嵌入式計算機的可靠性直接關系到衛星的使用壽命，目前我國的星載計算機系統的可靠性技術尚存在諸多不足，這成為發展長壽命衛星的“絆腳石”。本文在空間環境和星載計算機抗輻射的角度研究了其可靠性，建立了馬爾可夫可靠性模型，在此基礎上進一步探討了星載計算機的并行性能。

星載計算機；系統可靠性；馬爾科夫可靠性模型

星載計算機系統是衛星的核心系統之一，主要功能是在惡劣的空間條件下對復雜的衛星綜合電子系統進行信息處理，包括對信息進行采集、處理、分配和存儲。所以星載計算機系統對于硬件的可靠性有極高的要求，此外，應最大限度地避免其出現故障和延長其使用壽命。因此，研究星載計算機系統的高可靠性設計是當下刻不容緩和勢在必行的任務。本文研究的星載并行計算機是基于上述目標設計研發的高可靠性星載嵌入式計算機系統。

一、當前我國星載嵌入式計算機系統可靠性存在的不足

（一）起步晚，技術不成熟

我國星載嵌入式計算機技術的起步相比其他發達國家比較晚，但是我國的星載嵌入式的計算機技術已經取得了非常可觀的發展，比如小型化以及高性能方面；并且隨著科學技術的不斷發展，對于嵌入式計算的需求和要求也變得越來越高，需要系統在可靠性方面必須具備相當可觀的可靠性，在此種情況下，我國在技術方面很大程度上存在著相當大的缺陷和漏洞。因此為了充分保證系統的可靠性，就需要對星載計算機體積和質量盡可能地減少。

（二）軟件編程往往無法達到既定要求

在對星載嵌入式計算機系統軟件進行編程的過程中，在很大一部分會出現系統可靠性能下降的現象，這種現象是由于在軟件系統的編程過程當中沒有達到既定的要求造成的，在此種情況下就需要對星載嵌入式的計算系統當中的軟件編程系統進行可靠性能方面的確定。

（三）使用壽命短

在進行星載嵌入式計算機系統的建造過程當中，需要對計算機系統的整體性進行充分的設計和滿足，集中體現在計算機的大規模集成電路性能方面。在現階段當中，一般情況下導致星載嵌入式計算機系統的使用期限不滿足設計要求的原因是由于星載計算機系統本身的可靠性指標造成的。

二、關于星載并行計算機體系結構的設計要求

在星載嵌入式計算機系統的運行過程中，需要在相當嚴格的條件下進行工作，在此種情況下，空間中的環境和地面當中的環境對于星載嵌入式計算機系統結構的設計方面造成不同程度的影響，集中體現在可靠性、抗輻射性能以及低功耗性這3個方面來進行分析。

在可靠性方面，計算機系統可靠性分為固有可靠性和使用可靠性兩個方面的內容，前者在計算機系統設計和制造的過程中確定，其設定遠高于地面的可靠性指標；后者受設計制造和使用條件的影響。為了保證星載嵌入式計算機本身的穩定性能在一定程度上保持相對大的穩定性能，就需要對星載嵌入式的設計結構體系方面進行全面提升，比如系統、部件、邏輯設計、電路板以及電器元件等各方面。

在抗輻射性方面，由于本星載嵌入式系統本身固有的特殊環境，在其空間環境當中的存在的大量輻射性的物質在很大程度上就會形成星載嵌入式計算機系統當中的不穩定因素，比如空間環境當中的高能質子、中子、α粒子以及重離子等都會對半導體器件發生單粒子效應以及總輻射計的劑量反映，從而對其可靠性和壽命造成一定程度的影響。

在低功耗性能方面，隨著星載嵌入式計算機技術的不斷發展，對于系統方面的功能要求也變得越來越多。在此種情況下，就會對星載嵌入式計算的系統在真空散熱方面的問題進行專項研究。如果計算機系統當中的散熱性能在不好的情況下，對于系統造成的功能性損耗也就會越來越大，從而影響系統的正常運行，導致計算機系統的異常工作現象。除此之外，在星載嵌入式計算機系統中，主要的能量來源為太陽能蓄電池提供的能量來進行運行工作，一般情況下太陽能蓄電池的續航時間是有一定限制的，需要在一定的時間內為系統提供必要的能量，因此就需要對系統進行低功耗的設計，從而達到滿足計算機系統可靠性的同時保證電能的有限續航時間。

三、馬爾可夫模型及分析

馬爾可夫鏈是一種無后效性的離散狀態隨機過程。用連續時間馬爾可夫鏈（CTMC）對計算機系統的可靠性進行建模，可以表示出系統中復雜的失效依賴關系。在星載計算機可靠性分析中，為了更為準確地體現雙CPU并行/雙機冷備份的容錯結構，本文建立了該系統的CTMC可靠性模型，并對其求解并對結果進行分析。

（一）馬爾科夫模型的建立

大數據、“互聯網+”、人工智能等技術爆發式發展，推動著傳統制造業向數字化、網絡化、智能化轉變。哈電電機審時度勢，推出發電設備遠程故障診斷系統，開展發電設備全生命周期運維服務。技術人員足不出戶，就能在第一時間掌握詳細準確的數據，分析、排查、監測一站式解決。2016年，該項目被國家工信部列入智能制造試點示范項目名單，這是大型發電設備制造行業唯一，也是黑龍江省首個智能制造試點示范項目。如今，三峽電站、向家壩電站、溪洛渡電站在線監測信號已引入平臺，豐滿電站在線監測信號將接入遠程診斷平臺；正在為董菁電站提供智能診斷模塊。

在星載并行計算機體系結構以及雙CPU并行雙機冷備份容錯設計中，如果在使用的過程中出現乙機且乙機無法降級使用的情況，就屬于系統出現的故障現象。在這種情況下，就需要對系統的關鍵部件進行充分分析，對關鍵部位的工作時間進行指數的測定。如果在系統故障之前，關鍵部位的狀態呈現出指數分布的狀態，則CPU部件在啟動時和正常工作時的平均失效率分別為λ1和λ3，降級使用時的平均失效率為λ5；如果橋接器的部件在啟動的時候平均失效率為λ2，在正常工作的時候平均失效率為λ4，那么在系統其它部分失效不考慮的情況下，就需要進行對模型進行建立。

用圖1所示的CTMC模型表示星載雙CPU并行/雙機冷備份系統的行為模型，圖中每個狀態采用五元組Z=｛p，q；r，s；t｝進行標識。

各個分量的含義是：

p代表甲機可用CPU的個數；

q代表甲機可用橋接器的個數；

表1　模型參數對比

r代表乙機可用CPU的個數；

t用以區別系統的不同狀態。

（二）馬爾科夫模型的求解

如果用｛Z（t），t≥0｝來表示狀態空間為Ω的連續參數齊次馬爾可夫鏈，則無窮小生成矩陣Q=［qij］就代表從狀態i到狀態j的轉移概率，其對角元素qii=-qi= -∑j≠iqij.對圖1中模型的狀態從左至右排序，狀態空間Ω=｛1，2，…，14｝，則Q矩陣為圖1所示。

（三）模型求解結果和分析

在實際的工作當中，元器件的失效率會出現升高的現象，因此就需要進行對比計算，見表1。

從表1中可以得出，在啟動失效率相同的情況下，第1，3，4組中CPU（橋接器）的工作失效率λ3（λ4）分別為啟動失效率λ1（λ2）的10倍、20倍、5倍；在系統升級之后，CPU的工作失效率λ5均為正常工作時失效率λ3的2倍，從而可以對計算機系統模型的可用度進行充分計算，結果如圖2所示。

從圖2中可以看出，部件啟動的失效率在第一組和第二組當中的參數曲線差別是很小的，證明了部件的失效率對于系統的可用度是相對較小的。在第三組當中的參數系統可用度要比第一組、第二組以及第四組的曲線參數要低。在圖2中的第四組參數是最高的，表示在系統運行的前10年之內系統使用的下降速度是很緩慢的。

四、分析與展望

星載嵌入式計算機的可靠性在受到自身的因素制約之外，處理的效率也是其中主要的制約因素之一。在此種情況下，就需要對星載嵌入式計算機系統的可靠性能進行充分地設計，以此來適應復雜多變的航天航空的任務要求。在星載并行計算機系統的設計過程中，需要以體系結構為主要出發點，來實現對并行處理結構的提升，從而對現有的機構性能和可靠性進行全方位地提升。此外，在現有研究成果的基礎上，我們可以在下述方面展開進一步地工作：

首先在計算系統的可靠性能方面，需要依靠模型來進行抽象系統的研究，在對系統的行為和特點在進行運行過程中，需要對模型中的許多特點來進行充分研究，比如復雜的計算機、通信系統的諸如容錯、動態重構修復、資源競爭、并發與同步、任務死鎖、緩慢降級等。在進行星載嵌入式計算機的性能模型進行確定的時候，可以利用層次建模的方式來進行實現。

其次，在對復雜的系統性可靠性建模的發展過程中，需要不斷地進行創新理論，在現階段當中已經有云模型理論、基于自然語言描述的可靠性建模、基于小子樣檢測的可靠性建模等多種模型理論。由此可見，在對模型進行研究的時候需要對模型的生成和求解的技術進行充分研究，以此來將其應用到星載嵌入式計算機系統的研發過程中，從而有效提升計算機系統的可靠性能。

結語

目前，在我國的星載嵌入式計算機技術當中已經取得了一定程度的進步，值得注意的是仍然存在著很大程度的缺陷和漏洞，因此就需要科研人員來對自身的專業素質進行不斷地提升，并且在提升的過程中還需要將現有的技術來進行充分結合，以此在有效提升星載嵌入式計算機系統的可靠性能的同時，還要努力研發長壽命的星載嵌入式計算機，以延長衛星的使用壽命，為航空航天事業的發展做出積極貢獻。

［1］陸大琻.隨機過程及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1986.

［2］宋遠駿.復雜系統可靠性建模與評價方法［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2001.

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