基于效能的先進戰斗機航電系統動態重構方法

趙長嘯，何鋒，李浩，王鵬,4,*

1. 中國民航大學 適航學院，天津 300300

2. 光電控制技術重點實驗室，洛陽 471009

3. 北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100083

4. 中國民航大學 民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300

隨著軍事技術、通信技術、高性能計算技術的發展，以信息系統支持的智能化網絡中心戰(Network-Centric Warfare)和空天一體化成為未來航空裝備的主要作戰樣式[1]，僅僅依靠高性能的武器平臺已無法獲得軍機對抗的勝利，需要提高戰斗機的超聲速巡航、隱身、超視距和多目標攻擊、高機動性和敏捷性以及聯合作戰、協同作戰、機動作戰等綜合能力[2]，無論完成何種作戰能力需求，均需要強大的航空電子系統的支持，因此新的綜合化航電技術、高性能計算芯片、軟件定義系統成為各國軍機重點發展的領域[3]。

航空電子系統作為戰斗機的“大腦”，其對資源的配置和管理能力直接關系航電系統性能[4]，從而影響戰斗機的作戰能力。在聯合式航電系統中，航電功能僅可使用固定配置的資源[5]，當部分硬件資源失效時會導致航電功能的降級或失效。為了提高資源利用率和系統的抗毀性能，在綜合模塊化航電系統中提出了共享資源的概念，系統可以管理多種配置構型以應對不同的任務環境，如北約標準組織發布的STANAG 4626，在系統管理中引入了藍印的概念[6]，以對多種配置方案進行管理，此方式中系統構型配置文件為離線生成，難以適應復雜多變的戰場需求，因此可重構的柔性航電系統開始備受關注，依據不同階段作戰任務對不同航電系統功能的需求動態配置資源，提高各階段關鍵航電能力的突出優勢。如美國海軍2015年以種子基金的形式開展了聯合航空電子可重構虛擬信息系統(Joint Avionics Reconfigurable Virtual Information System，JARVIS)項目[7]，以進一步提高航電系統的小型化、容錯等能力，2018年JARVIS項目獲得了美國空軍和海軍超過3 200萬美元的經費支持[8]，進一步研究系統的重構特性、分布式處理特性和網絡安全防護，計劃2023年技術成熟度(Technology ReadinessLevel，TRL)達到TRL8。

針對航電系統的動態重構特性，開展重構策略方法的研究。航電系統設計是在有限的資源、空間中為不同航電功能分配資源[9]，以實現整體的效能最優，針對該問題各國專家學者提出了諸如以節能[10]、最小化通信代價[11]、風險均衡[12]目標等設計方法，以優化航電系統整體能力。本文分析了航電系統的重構觸發條件，針對下一代機載綜合化航電系統的重構需求，在分析軍機作戰需求的基礎上，提出了以最大化全飛行階段航電系統對任務支撐能力的面向效能的航電重構決策方法。

1 不同類別作戰任務航電系統需求分析

1.1 作戰區邊界

作戰飛機是實施空中打擊的重要作戰平臺，其性能水平的高低代表了一個國家的國防實力。在軍機實際研制過程中，需要根據軍機探測能力、威脅能力及導彈能力，來界定作戰區邊界，劃分作戰任務。以F-22飛機為例[13]，其作戰全過程包括5個邊界，分別為態勢感知邊界、攻擊/回避區邊界、超視距識別、威脅回避區邊界及威脅遭遇區邊界，作戰區邊界如圖1所示。

圖1 F-22飛機作戰區邊界

在不同的作戰區，飛機執行的主要任務不同，如態勢感知邊界附近，軍機主要任務是通過雷達、紅外探測與跟蹤系統、電子戰系統協同探測，進行初始跟蹤與識別，此時的主要任務是通信、導航與識別以及低精度跟蹤；攻擊/回避區邊界，飛行員需根據目標優先順序及作戰要求，做出攻擊/回避決策，并展開中精度跟蹤識別；超視距識別邊界，即發射區邊界，主要任務是展開火控級精度跟蹤，并展開超視距作戰與電子戰，進行先進中距空空導彈投放與電子頻譜爭奪。若后敵發現，進入威脅回避區邊界，主要任務是防御，推遲被威脅攻擊，并全面啟動電子戰與武器攻擊系統；進入威脅遭遇區邊界，則全面展開對抗與挫敗威脅的進攻。

1.2 航電系統能力需求

不同的作戰任務有不同的航電功能需求側重，例如態勢感知邊界以外，要求強大的探測功能以達到先敵發現的目的；而在威脅遭遇邊界以內，則對操縱性、火力控制性能的要求更高。即使對同一類別航電功能，不同作戰任務的需求程度也存在差異，如對于跟蹤與識別功能，在態勢感知邊界低精度的跟蹤即滿足任務需求，而進入到超視距識別邊界，則需要提供火控級別的精度，以保證打擊的準確度。本節分析了不同飛行任務階段，對于航電系統能級及航電資源的需求[14]，如表1所示。

2 基于效能的航電系統重構策略

2.1 系統重構技術基礎分析

隨著技術的發展，飛機航電系統向著綜合化、模塊化方向發展，由聯邦式航電系統向綜合模塊化體系結構演進，采用通用高性能處理平臺加載功能軟件的形式實現不同的航電功能，為進一步系統動態重構提供了技術基礎[15]。如圖2所示的聯合式航電系統[16]，各航電功能采用獨立的設計，航電系統功能與資源一一綁定，當功能A失效后，航電系統的體系結構特征決定了無法利用其他功能的資源對功能A進行重配置。

而對于如圖3所示的綜合模塊化航電(Integrated Modular Avionics，IMA)系統[17]，各航電功能采用駐留應用(Host Function，HF)的方式共享航電平臺[18]，而是給多功能間共享、重用資源提供了技術基礎。

綜合化航電系統中航電功能與硬件資源不再一一對應，而是依據系統需求對各不同航電功能所需資源進行動態配置，如圖4所示。

表1 不同任務的航電系統能力需求

圖2 聯合式航電系統架構[16]

圖3 綜合模塊化航電系統架構[17]

圖4 不同階段不同類別航電需求差異

在超視距識別邊界內，航電系統需求主要集中于識別、電子戰和超視距空戰等功能，當進入到威脅遭遇邊界后，戰斗機對于近距格斗相關的航電功能需求更高，因此動態航電系統需要調整不同類別航電功能對于硬件資源的占用情況，實現任務(應用)-功能(能力)-資源(設備)配置(Configuration)的改變，如圖5所示，提高階段任務的航電系統支撐能力，實現全飛行階段的總體能力提升。

另一方面，現有的綜合化航電系統中，如文獻[19]引用的ARINC 651標準定義的航電系統架構中，定了航電系統級的狀態監控(Health Management，HM)、故障管理(Fault Management，FM)和配置管理(Configuration Management，CM)單元，也為航電系統資源的動態配置提供了標準基礎，通過在這些單元增加重構決策邏輯來實施系統的重構配置，本文提出的重構設計具有一定的可實施性基礎。

2.2 航電系統效能

航電系統作為支撐飛行任務、作戰任務的系統，難以直接評價其對任務的效果和影響，論文采用效能作為其能力的度量參數。效能是一個內涵、外延都十分豐富的概念[20]，效能的一般定義為：一個系統完成一組特定任務要求程度的能力(度量)。對于航電系統其效能表現為對不同航電任務的支持程度，進而對作戰、生存能力的支持[21]。

圖5 航電系統任務資源重構

(1)

即只有航電系統對任務mj分配的資源R_ali大于其最低資源需求Rj時，才有效能貢獻，效能與投入資源相關，關系函數為g(·)，如對于識別與跟蹤功能，投入不同的資源可帶來不同精度的跟蹤能力，體現為不同任務的支撐效能。由于邊際收益遞減效應的存在，g(·)應為一個凸函數，即對某一項任務多投入資源，可以帶來效能的提高，但是隨著資源投入的增加，收益變小。

定義航電系統的整體效能為

(2)

式中：ηj為不同任務對整體系統效能的貢獻系數，通過調整ηj值，可以有效區分在不同場景下，各任務的效能貢獻重要程度。如在超視距識別邊界內，敵我識別、電子戰和超視距空戰等任務的效能貢獻大于其他任務，而進入到威脅遭遇邊界后，近距格斗的效能貢獻最大。

2.3 重構決策流程

本設計基于綜合模塊航電系統架構，根據不同的飛行任務、飛行階段、飛機健康狀況等標準進行系統重構時機的判別、重構資源配置范圍和配置方式的確定，按照重構的目標配置方案并進行有效性檢查，以實現航電系統對動態能力的響應，重構決策流程如圖6所示。重構決策流程主要包括決策信息收集、重構決策觸發、重構策略選擇和重構執行等過程。

2.3.1 決策信息收集

圖6 重構決策流程

信息收集主要包括態勢信息和航電系統狀態信息2大類。態勢信息主要為獲取作戰區邊界信息、敵我狀況信息，以確定不同任務階段對航電功能的需求；航電狀態信息主要包括對系統可用資源的監控、故障狀態收集等，這些信息作為重構決策的輸入，為后續重構策略選擇和重構執行奠定基礎。

2.3.2 重構決策觸發

重構執行需要一定的觸發條件，來進入到重構流程，分析機載航電系統重構需求，主要包括2類：

1) 戰斗任務切換，此時重新為不同航電功能部署資源，提高某一階段內所需航電能力。

2) 戰斗受損，調整航電系統資源配置方案，保證戰斗機的飛行安全或提高戰斗機當前階段的任務執行成功率。

或是以上2種觸發條件的組合，當航電系統檢測到以上情況條件時，開始進行重構。

2.3.3 重構策略選擇

依據不同的系統可用資源條件及當前的作戰任務情況，系統可以選擇不同的重構策略，依據觸發條件不同，設計了2種不同的重構策略。2種策略依據資源的完備程度及各階段任務對不同類別航電功能的需求程度，重構“任務-資源”的配置關系，實現航電功能對階段任務支撐的最大化和對飛行安全的保證。

1) 面向任務的重構決策機制

該重構決策是以滿足各航電系統基本功能需求的前提下，最大化當前飛行任務重要航電系統功能能力為目標。如在超視距識別邊界內，航電系統將主要資源集中于識別、電子戰和超視距空戰等功能，當進入到威脅遭遇邊界后，系統采用基于任務的重構，將資源更多地部署在近距格斗相關的航電功能，在不改變整體航電資源數量的條件下，提高各任務階段的作戰效能，實現全階段的對敵壓制與攻擊。

2) 面向安全的重構決策機制

該重構決策機制關注于當部分航電系統資源失效時，優先對關系到飛行安全性的航電系統進行資源配置，保證飛機的飛行安全，降低戰斗損失，最大限度保護戰斗機及飛行員。如圖7所示，對于通用功能模塊(Common Function Module，CFM)，當部分資源失效后，可以采用對非安全關鍵系統進行降級或關閉，將相關資源配置給安全關鍵/戰斗關鍵航電功能。

圖7 失效重構

2.3.4 重構執行

重構執行模塊根據不同的重構策略進行資源動態能力響應的預配置，在不同航電功能間重新分配系統資源，在動態能力響應方案中的配置時間到來時，將配置信息加載到IMA各分區，完成系統動態重構。

3 動態重構航電系統模型

3.1 系統重構假設

動態重構特性使得航電系統能夠按需配置資源，提高了系統的靈活性，本節重點分析重構特性對效能的影響。為了簡化分析，對航電系統重構行為進行如下假設。

假設1重構決策系統是失效免疫(Failure-free)的，即重構決策系統可靠度為1。

假設2重構決策時計算配置方案所需的系統資源與航電系統功能執行所需資源間是獨立的。

假設3重構決策過程及重構配置時間是足夠小的，不會導致各航電功能中斷，從而影響航電功能能力。

3.2 航電系統資源量化

對航電系統的能力進行量化是進行資源重配置的前提，實際的航電系統中包含不同類別的模塊單元，如F-22的中央綜合處理單元(CIP)包含12種不同的資源模塊(LRU)，而各類別LRU所能提供的資源能力不同，為此，將IMA系統可以提供的資源簡化為以下3類[22]：

1) 計算資源，包括中央處理器、傳感器前端處理器。

2) 存儲資源，包括分區應用的運行內存、分區應用的數據存儲器以及分區應用的配置存儲器。

3) 通信資源，包括通信鏈路、虛擬鏈路、通信端口和信譽值。

假設IMA系統包含q種不同類別的資源模塊(LRU)，各資源模塊均包含不同能力的計算、存儲與通信資源，而每種模塊可提供的資源能力為

Cq=[comq,calq,memq]

式中：comq表示q類模塊可以提供的通信能力，以每秒傳輸字節數(bps)作為其數據傳輸能力評估單位；calq表示q類模塊可以提供的計算能力，以秒鐘執行的百萬指令數(Million Instructions Per Second，MIPS)作為其計算能力的評估單位；memq表示q類模塊可以提供的存儲能力，以比特(bit)作為其存儲能力評估單位。

3.3 重構策略建模

航電系統的資源配置、重配置過程，是在一定的目標和約束條件下，航電系統資源在多個任務間的分配[18]：

A:M→E

(3)

A在數學問題上可以模型化為帶約束的目標優化問題。

對于基于任務的重構策略，其目標為最大化不同作戰區的航電系統效能，即

對于基于安全的重構策略，其目標是保證對于一些安全關鍵系統，其分配的資源滿足最低資源需求，即

同時，在對多任務進行資源分配過程中，還存在一定的約束：

1) 唯一性約束

為了簡化計算及符合實際系統需求，假設航電任務僅能分配到單一模塊，不可多模塊合作完成某一任務；但是多任務可以分配到單一模塊，只要該模塊的資源能力滿足多任務要求。

(4)

2) 資源約束要求

即分配到各模塊上的任務，其資源需求要小于模塊的實際能力。

通過構建優化目標和優化約束，可以引入成熟的優化算法進行多模塊間的航電資源分配，并計算對應分配結果的航電系統效能。

4 實 驗

為了分析重構能力為航電系統效能帶來的影響，本節在3.2節構建的航電系統整體效能模型及資源量化模型的基礎上，進一步構建效能貢獻系數矩陣、資源分配矩陣及效能優化函數，并通過實驗對比分析，得出相關結論，論證航電系統重構能力的優異性。

4.1 效能貢獻系數矩陣

本文中采用F-22飛機的定義，首先，對飛機5個作戰區邊界進行編號。A為態勢感知邊界；B為攻擊/回避區邊界；C為超視距識別；D為威脅回避區邊界；E為威脅遭遇區邊界。然后，對7種主要任務進行編號。Ⅰ為超聲速巡航；Ⅱ為通信、導航與識別；Ⅲ為飛行控制；Ⅳ為電子戰；Ⅴ為超視距空對空作戰；Ⅵ為空對地作戰；Ⅶ為近距格斗。本文綜合考慮不同作戰區邊界內的任務需求，設置的效能貢獻系數矩陣為

4.2 任務最低資源需求矩陣

針對系統每種子任務，給出系統資源需求矩陣。為了方便數據處理，采用了多量綱歸一化方法。表2給出系統計算、存儲、通信資源量化數值，表示每項子任務mi對每種類型資源的最低需求。

表2 不同任務最低資源需求

4.3 航電系統資源能力矩陣

航電系統平臺的資源能力，表示系統中可分配的資源情況，按照實際航電系統的設計，IMA平臺中由不同性能的模塊構成，為了簡化計算，將各模塊的參數進行了量綱的歸一化，實驗平臺中配置了4種類型的模塊單元，各模塊能力各有偏重，資源能力如表3所示。

表3 系統配置模塊資源能力

4.4 效能分析

本節討論在以上參數設置下的靜態配置航電系統與動態重構航電系統的效能分析。其他一些必要參數設置如下。

效能與資源的關系函數，對所有的任務統一設置為g(·)=lg(·)，該函數符合實際系統中資源投入邊際效應遞減的趨勢特性。重構算法采用線性規劃算法，通過檢查資源分配算法對約束符合性來滿足約束條件。

對于采用靜態配置構型的航電系統，各任務的資源配置結果如表4所示。對于動態配置系統，不同作戰區邊界其配置資源情況不同，具體的分配結果如表5所示。

針對不同類別的航電系統計算其效能，并假設當某一任務分配到某一模塊上時，若無其他任務，則該任務可使用該模塊的全部資源；當多任務共享式單一模塊時，超出最低資源需求的部分，多任務間共享。對比效能結果如表6所示。

表4 靜態航電任務分配結果

表5 動態航電任務分配結果

表6 作戰效能對比

可見，對于各個作戰區邊界內，動態重構航電系統的效能都高于固定配置的航電系統，這個結果的原因是動態重構特性可以依據不同作戰區邊界的任務需求，動態調整各資源的分配，如在一些階段，將對效能貢獻為0的任務完全屏蔽，從而有效集中優勢資源以更高的性能完成當前任務。

5 結 論

1) 分析了未來戰機對動態重構航電系統的需求，建立了航電能力與不同戰斗任務的支持關系。面向不同戰場環境，設計了面向任務和面向安全的重構策略。

2) 給出了航電系統效能模型，設計實驗比較了在相同環境與相同航電資源條件下，動態重構航電系統與靜態配置航電系統的效能，表明通過動態重構特性的引入，可以有效提高作戰效能。

后續計劃針對重構系統的可靠性模型、動態重構方法的實時性及動態分區可信性等問題開展進一步研究。