機載綜合處理機可靠性建模與改進

武健 孫東旭 張楠

摘要：機載綜合處理機是綜合模塊化航電系統的關鍵平臺，其任務可靠性是一項重要指標。該文對某型綜合處理機進行了可靠性建模，結合產品設計架構分析了設計薄弱環節，進行了針對性的可靠性設計改進，并對改進后的任務性可靠性進行了評估確認，該文的流程和方法為相似航電設備的改進提供了參考。

關鍵詞：綜合處理機;可靠性建模;可靠性改進

中圖分類號：TP3? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0266-02

1 引言

機載綜合處理機（IPU）是綜合模塊化航電系統的關鍵平臺，承擔了航電系統數據處理、信息綜合、數據存儲、數據交換等重要任務[1-2]。由于飛機的多項任務都需要基于機載綜合處理機來完成，機載綜合處理機的運行情況直接影響了飛機的性能，因此綜合處理機的可靠性十分重要。IPU的任務可靠性[3]描述了IPU的在規定任務剖面能完成規定功能的能力，是IPU在設計時重點考慮的指標，如何提高IPU的任務可靠性成為IPU設計新的關注點。本文對通過對某型IPU進行可靠性建模、分析薄弱環節和設計改進，有效地提高了該型IPU的任務可靠性。

2 IPU可靠性建模及設計改進流程

IPU可靠性建模及設計改進主要包含如下步驟：

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

（2）通過分析產品的處理能力、存儲能力、網絡交互能力等功能性能需求，進行產品的初步方案設計。

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

（4）在設計改進時，根據建模分析結果和產品的設計情況，分析產品的薄弱環節，針對性地進行改進，在設計改進后重新進行可靠性建模評估，不斷迭代設計，直至滿足可靠性設計目標。

IPU可靠性建模及設計改進的流程如圖1所示。

3 改進設計架構和可靠性建模評估

某型IPU改進前設計架構如下圖2所示，該型IPU采用模塊化設計，由4塊處理模塊（PM）、1塊網絡交換機（SW）、1塊存儲模塊（MM）組成。其中PM模塊實現數據處理、信號處理、圖像處理功能，可靠度[RPM=0.98];SW模塊實現IPU內部各模塊間及IPU與外部各航電設備網絡互連，可靠度[RSW=0.95];MM模塊實現IPU內部任務數據、監控數據、管理數據的存儲，可靠度[RMM=0.99]。在IPU的任務執行的過程中，需要全部模塊的正常工作，即IPU內部任意模塊故障，均會導致IPU任務無法完成。

由于改進前IPU內部不存在冗余設計，IPU內部任意一個模塊故障均會導致系統故障，其任務可靠性模型為串聯模型，可靠性框圖如下圖3所示。

根據圖3所示的可靠性框圖，可計算出改進前IPU的任務可靠性計算結果如下：

由式1可知，改進前IPU的任務可靠性未達到目標值[RIPU≥0.95]，結合建模結果和產品的設計架構，分析出薄弱環節如下：

（1）4個PM模塊組成的處理資源任務可靠性較低，雖然PM單個模塊可靠度較高，但是在當前架構下4個PM模塊全部正常才能完成IPU的處理任務，4個PM模塊之間可靠性模型為串聯模型，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內部和與外部數據交換中斷導致IPU的任務無法運行，對IPU的任務可靠性造成了較大的影響。受限于模塊的復雜性較高以及基礎元器件所能達到的可靠性水平，單個SW模塊的可靠性提升較為困難。

4 設計改進與可靠性指標驗證評估

通過綜合評估改進前IPU可靠性建模結果和IPU設計架構，針對產品設計中的薄弱環節進行了如下改進：

（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致功耗、體積、重量以及設計復雜性的大幅提高，在機載領域實現較為困難，因此本文采用動態余度的結構進行任務動態重構，PM1～PM4共享一塊備份PM模塊，當IPU監測到PM1～PM4模塊中任意一塊故障，將故障模塊中的任務遷移到備份PM模塊中處理，實現任務動態重構，為減少任務遷移所需時間，備份PM模塊與工作PM模塊同時上電并進入準備狀態;

（2）考慮到SW模塊可靠性較低且SW模塊故障將直接導致整個IPU無法運行任務，設計改進增加網絡余度，通過增加一塊SW模塊組成雙余度網絡，網絡通信采用雙發雙收機制，發送方將兩份相同的數據經兩個SW模塊傳輸至接收方，接收方對接收到數據進行校驗檢查，并對最先受到的有效數據進行處理。

改進后的IPU設計架構如圖4所示。

對改進后IPU進行可靠性建模，在增加了冗余PM模塊的基礎上，5塊PM只需4塊正常工作就可完成處理任務，因此PM模塊組成K/N表決模型;在雙余度網絡中，SW1和SW2只要任意一塊模塊正常工作就網絡交換功能，支撐IPU任務的運行，因此SW1和SW2組成并聯模型。改進后IPU的任務可靠性模型為由表決模型、并聯模型、串聯模型組成的混聯模型，其可靠性框圖如圖5所示。

改進后IPU任務可靠性計算結果如下：

由式2可知，改進后IPU可靠性滿足了可靠性目標[R≥0.95]，可進行后續的設計確認工作。

5 總結

本文通過對某型綜合處理機進行可靠性建模，分析其薄弱環節，通過適當的冗余設計，實現提高可靠性的目的，滿足了可靠性目標，其建模和設計改進的思路可用于其他機載電子設備可靠性改進中。由于冗余設計會帶來功耗、體積、重量的提升，同時也會一定程度地降低產品的基本可靠性，因此在實際的產品設計中，需要對各項指標進行權衡。

參考文獻：

[1] 王國慶，谷青范，王淼，等.新一代綜合化航空電子系統構架技術研究[J].航空學報，2014，35（6）：1473-1486.

[2] 孫東旭，李鍵，武健.面向IMA平臺的離散事件演化樹仿真分析方法[J].電光與控制，2019，26（2）：97-100.

[3] 曾聲奎.可靠性設計與分析[M].北京：國防工業出版社，2013.

[4] 王開山，郝宗敏.直升機系統基本可靠性分配方法研究[J].直升機技術，2017（2）：33-36，72.

【通聯編輯：代影】