RU2647339C2 - Control method for redundancy of on-board integrated computer environment and the device for its implementation - Google Patents

Abstract

FIELD: computer engineering.

SUBSTANCE: all general purpose computers unified by interfaces and software, as well as dedicated peripheral devices controllers through controllable network controllers / concentrators are connected to all interface buses and can form any of the predefined configurations of the computing environment of the complex.

EFFECT: increasing the reliability and safety of the on-board integrated computing environment, which is the basis for advanced on-board equipment complexes.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области вычислительной и контрольно-измерительной техники и может использоваться в системах цифровой обработки информации и управления, содержащих избыточные аппаратные и программные средства, с целью обеспечения отказоустойчивости данных систем.The invention relates to the field of computing and instrumentation and can be used in digital information processing and control systems containing redundant hardware and software in order to ensure fault tolerance of these systems.

Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) [1] широко признана авиационными специалистами и промышленностью. Цели, возможности [2] и архитектуры [3] ИМА являются достаточно универсальными и отражают основные современные концепции, относящиеся к высоконадежным интегрированным комплексам авионики.The concept of integrated modular avionics (IMA) [1] is widely recognized by aviation professionals and industry. The goals, capabilities [2] and architecture [3] of the IMA are quite universal and reflect the basic modern concepts related to highly reliable integrated avionics systems.

Интегрированная модульная авионика второго поколения (ИМА2), в отличие от ИМА, охватывает не только вычислительные ресурсы обработки данных (централизованные в ИМА первого поколения), но более широкий круг подсистем и блоков авионики. Она развивается в сторону распределенной вычислительной среды, охватывает также подсистемы командного управления, обработки сигналов, подсистемы ввода/вывода. Определились новые требования к совокупности вычислительных и коммуникационных средств бортовой авионики как к единой бортовой интегрированной вычислительной среде (БИВС). Такая среда должна обеспечивать вычислительными и коммутационными ресурсами обработку информационных потоков разных (в пределе -всех) иерархических уровней; она должна также обеспечивать передачу всех видов трафика бортовой авионики, заменяя применяемые в настоящее время отдельные системы шин и линий связи различных типов - сенсорных связей, шин данных, командных шин и отдельных линий, используемых для передачи разнородных сигналов (временных меток, разовых команд и др.).Integrated modular second-generation avionics (IMA2), unlike IMA, covers not only the computing resources of data processing (centralized in the IMA of the first generation), but a wider range of subsystems and avionics units. It is developing towards a distributed computing environment, it also covers the subsystems of command control, signal processing, and the input / output subsystem. New requirements were identified for the combination of on-board avionics computing and communication facilities as a unified onboard integrated computing environment (BIVS). Such an environment should provide computing and switching resources with the processing of information flows of different (in the limit-all) hierarchical levels; it should also ensure the transmission of all types of on-board avionics traffic, replacing the currently used individual bus systems and communication lines of various types - sensory communications, data buses, command buses and individual lines used to transmit heterogeneous signals (time stamps, one-time commands, etc. .).

Присущая такой среде гибкость размещения функциональных приложений на вычислительных ресурсах создает принципиально новые возможности унификации комплексов бортового оборудования и обеспечения их отказоустойчивости.The inherent flexibility of placing functional applications on computing resources creates fundamentally new opportunities for unifying on-board equipment complexes and ensuring their fault tolerance.

Известна отказоустойчивая вычислительная система с аппаратно-программной реализацией функций отказоустойчивости и динамической реконфигурации [4], которая может быть использована для решения задач управления бортовыми системами транспортного корабля. Техническим результатом указанного изобретения является ускорение и автоматизация процесса реконфигурации в отказоустойчивых системах. Указанное изобретение и данная заявка близки по назначению - управление и реконфигурация комплекса оборудования (КО). Но в указанном изобретении рассматривается не БИВС в целом, а только вычислительная система с четырьмя специальным образом устроенными и взаимодействующими друг с другом вычислительными машинами.Known fault-tolerant computing system with hardware-software implementation of the functions of fault tolerance and dynamic reconfiguration [4], which can be used to solve the problems of controlling the onboard systems of a transport ship. The technical result of this invention is the acceleration and automation of the reconfiguration process in fault-tolerant systems. The specified invention and this application are similar in purpose - management and reconfiguration of the equipment complex (KO). But this invention does not consider BIVS as a whole, but only a computer system with four specially designed and interacting computers.

Известны способ и устройство формирования архитектуры комплекса бортового оборудования на основе сетевой технологии AFDX [5]. Эти способ и устройство для его реализации выбраны в качестве прототипа.A known method and device for forming the architecture of a complex of airborne equipment based on AFDX network technology [5]. These method and device for its implementation are selected as a prototype.

Судя по опубликованным результатам, известные подходы обладают следующими особенностями:Judging by the published results, well-known approaches have the following features:

1. Задача отказоустойчивости решается применительно к вычислительным ресурсам путем однородного резервирования, т.е. за счет специально для этого предусмотренных избыточных средств с аналогичными функциями и их размещением.1. The problem of fault tolerance is solved in relation to computing resources by uniform redundancy, ie due to specially provided for this surplus funds with similar functions and their placement.

2. Архитектурный подход на основе AFDX не в полной мере подходит для интегрированной сетевой инфраструктуры ИМА2, поскольку архитектура и протоколы AFDX, оптимизированные для обеспечения детерминированной задержки доставки сообщений при приемлемой в целом пропускной способности, дают диапазон значений времени задержки, не приемлемый для некоторых видов функциональных приложений. В частности, они не соответствуют критическим по времени приложениям быстрых контуров управления, где низкие задержки являются ключевым показателем. В результате для таких частей бортовой авионики распределенной архитектуры с требованиями малых задержек и коротких рабочих циклов сети AFDX редуцируются к так называемым «легким» сетевым соединениям LC-AFDX (Low Capacity AFDX) [6] как «частным» системам связи, фактически в большинстве случаев вырождающимся в прямые радиальные связи типа точка-точка.2. The AFDX-based architectural approach is not fully suited for the IMA2 integrated network infrastructure, since the AFDX architecture and protocols, optimized to provide deterministic message delivery delay with acceptable overall throughput, provide a range of delay times not acceptable for some types of functional applications. In particular, they do not correspond to time-critical applications of fast control loops, where low latencies are a key indicator. As a result, for such parts of the onboard avionics of a distributed architecture with low latency and short duty cycle requirements, AFDX networks are reduced to the so-called “light” LC-AFDX (Low Capacity AFDX) network connections [6] as “private” communication systems, in fact, in most cases degenerate into direct radial point-to-point communications.

Указанные обстоятельства существенно сужают возможности решения проблем обеспечения отказоустойчивости вычислительной среды и комплекса бортового оборудования в целом.These circumstances significantly narrow down the possibilities of solving the problems of ensuring the fault tolerance of the computing environment and the complex of onboard equipment as a whole.

Целью настоящего изобретения является улучшение технико-эксплуатационных характеристик БИВС в составе интегрированного комплекса бортового оборудования (КБО) аппаратов различного назначения.The aim of the present invention is to improve the technical and operational characteristics of BIVS as part of an integrated complex of on-board equipment (BWC) vehicles for various purposes.

Эта цель достигается тем, что в способе управления избыточностью БИВС маршрутизация информационных потоков от источников к получателям осуществляется выбором из избыточного числа альтернативных путей, каждый из которых обладает непосредственным доступом коммуникационных средств, включая высокоскоростные линии передачи данных, сетевые коммутаторы и маршрутизаторы, как к вычислительным ресурсам (устройства памяти и вычислители), так и к различным конструктивно целостным и обособленным компонентам (сенсоры, актюаторы, дисплеи и сигнализаторы) функциональных систем (ФС) комплекса оборудования. Формирование альтернативных путей осуществляется автономно различными вычислителями на конкурсной основе с учетом дисциплинирующих правил (приоритет запроса на информацию, очередность подачи заявки на формирование пути, защита от коллизий и перегрузок компонентов, правила предпочтений доставляемой информации и др.).This goal is achieved by the fact that in the method of managing the redundancy of BIVS, the routing of information flows from sources to recipients is carried out by choosing from an excessive number of alternative paths, each of which has direct access to communication tools, including high-speed data lines, network switches and routers, as computing resources (memory devices and calculators), as well as to various structurally integral and isolated components (sensors, actuators, displays and signal izatory) functional systems (FS) of the complex equipment. Alternative paths are formed autonomously by various calculators on a competitive basis, taking into account disciplining rules (priority of a request for information, the order of filing an application for forming a path, protection against collisions and overloads of components, preferences of delivered information, etc.).

Изобретение и его особенности поясняются чертежом, на котором изображена функциональная схема БИВС согласно настоящему изобретению, где:The invention and its features are illustrated by the drawing, which shows a functional diagram of BIVS according to the present invention, where:

1 - Высокоскоростная коммутационная среда пакетов данных;1 - High-speed switching environment of data packets;

2 - Шины данных;2 - Data buses;

3 - Маршрутизирующий коммутатор;3 - Routing switch;

4 - Модуль единого времени;4 - Module of a single time;

5 - Множество сетевых контроллеров/концентраторов;5 - Many network controllers / hubs;

6 - Вычислитель общего назначения;6 - General purpose calculator;

7 - Контроллер периферийных систем;7 - Controller peripheral systems;

8 - Модуль обработки графических изображений;8 - Graphic image processing module;

9 - Бортовая массовая память;9 - On-board mass memory;

10 - Функциональная система бортового комплекса;10 - Functional system of the airborne complex;

11 - Система электронной индикации и сигнализации.11 - Electronic indication and alarm system.

Поскольку способ реализуется при помощи работы устройства (см. чертеж), то полное его описание приведено в разделе пояснения работы этого устройства.Since the method is implemented using the operation of the device (see drawing), its full description is given in the section explaining the operation of this device.

Бортовая интегрированная вычислительная среда (БИВС) включает резервированную высокоскоростную коммутационную среду пакетов данных (КСД) 1, в качестве которой может использоваться, например, интерфейс SpaceWire, резервированную шину данных (ШД) 2 без жестких требований к скорости, представленную, например, интерфейсом STD-1553B (или AFDX), маршрутизирующие коммутаторы (МК) 3, дублированный модуль единого времени (МЕВ) 4, сетевые контроллеры/концентраторы (СКК) 5, вычислители общего назначения (ВОН) 6, контроллеры периферийных систем (КПС) 7, модули обработки графических изображений (МОГ) 8 и бортовую массовую память (БМП) 9. Однотипные или взаимозаменяемые ВОН 6 образуют основной вычислительный ресурс БИВС. Каждый ВОН 6 в соответствии с техническими характеристиками и загружаемыми пакетами программ может использоваться для обработки информации и вычислений каждой из N функциональных систем (ФС) 10 интегрированного КО. При этом для решения задач формирования (синтеза) в реальном времени и отображения изображений в составе системы электронной индикации и сигнализации (СЭИС) 11 эти вычислители дополняются МОГ 8. Все ВОН 6 номинально (не обязательно конструктивно) могут входить в состав ФС 10 интегрированного КО, включая СЭИС 11. Все коммутации ВОН 6, МОГ 8 и КПС 7 с шинами КСД 1 и ШД 2 осуществляются посредством СКК 5. КПС 7 размещены в ФС 10 и СЭИС 11, имеют специфику, обусловленную особенностями компонентов последних, и обладают унифицированными интерфейсами для взаимодействия с СКК 5. Маршрутизирующие коммутаторы (МК) 3 используются для обеспечения доставки пакетов по избыточным каналам КСД 1.The onboard integrated computing environment (BIVS) includes a redundant high-speed switching environment for data packets (KSD) 1, which can be used, for example, the SpaceWire interface, a redundant data bus (WD) 2 without strict speed requirements, represented, for example, by the STD- interface 1553B (or AFDX), routing switches (MK) 3, redundant single time module (MEB) 4, network controllers / hubs (CCM) 5, general purpose computers (VON) 6, peripheral system controllers (KPS) 7, processing modules graphic images kits (MTF) 8 and on-board mass memory (BMP) 9. The same type or interchangeable VON 6 form the main computing resource of BIVS. Each VON 6, in accordance with the technical characteristics and downloadable software packages, can be used to process information and calculate each of the N functional systems (FS) 10 of the integrated QoS. At the same time, to solve the problems of real-time formation (synthesis) and display of images as part of an electronic indication and signaling system (SEIS) 11, these calculators are supplemented by MTF 8. All VON 6 nominally (not necessarily structurally) can be included in the FS 10 of the integrated CR, including SEIS 11. All switching of VON 6, MTF 8 and KPS 7 with buses KSD 1 and SHD 2 is carried out by the CCM 5. KPS 7 are located in FS 10 and SEIS 11, have specificity due to the features of the components of the latter, and have unified interfaces for inter actions with CCM 5. Routing switches (MK) 3 are used to ensure packet delivery over redundant channels of KSD 1.

Работает устройство (см. чертеж) следующим образом.The device operates (see drawing) as follows.

Каждый ВОН 6 наряду с комплектом прикладных программ по назначению ФС 10 содержит пакет программ, реализующий распределенное управление избыточностью КБО. Основой такого управления может быть, например, периодический арбитраж по аналогии с [7, 8]. Конкурирующие между собой конфигурации БИВС не обязательно должны быть однозначно связаны с конкурирующими между собой ВОН 6. Возможны раздельные или каким-либо образом согласованные арбитражи конфигураций БИВС и ВОН 6. В результате так или иначе проведенного арбитража осуществляется выбор ведущего ВОН 6 и доминирующей конфигурации БИВС с соответствующим распределением вычислительных ресурсов. При этом для минимизации объемов пересылаемой информации первоначально может предусматриваться использование каждой ФС 10 одного из тех ВОН 6, которые входят в ее номинальный состав. ВОН 6, выигравший арбитраж, используя СКК 5, осуществляет использование необходимого оборудования через КПС 7, реализуя тем самым соответствующую конфигурацию КБО, и синхронизирует работу остальных ВОН 6. В процессе функционирования КБО его средствами, например, в соответствии с [9, 10], проводится мониторинг технического состояния и/или правильности функционирования комплекса в целом, отдельных его систем и компонентов. По истечении периода цикличности или при возникновении нештатной ситуации арбитраж повторяется, и с учетом фактического состояния бортового оборудования (отказов, сбоев, неправильного функционирования и пр.) выбирается новый ведущий ВОН 6 и новая доминирующая конфигурация КБО. При обеспечении равнодоступности (в смысле задержек реакции на запросы) вычислительных ресурсов для каждой ФС 10 может использоваться любой ВОН 6 независимо от его номинальной принадлежности к той или иной ФС. Априорная и текущая информация, необходимая для мониторинга текущего технического состояния систем КБО, накапливается, хранится и обрабатывается выделенными для этого ВОН 6 во взаимодействии с бортовой массовой памятью БМП 9.Each VON 6, along with a set of application programs for the purpose of FS 10 contains a software package that implements distributed control of the redundancy of the BWC. The basis of such a management may be, for example, periodic arbitration by analogy with [7, 8]. The competing BIVS configurations do not have to be unambiguously related to the competing BOHS 6. Separate or in any way agreed arbitrations of the BIVS and BOH 6 configurations are possible. As a result of any arbitration, the leading BOHS 6 and the dominant BIVS configuration with appropriate allocation of computing resources. In this case, to minimize the amount of information sent, it may initially be envisaged to use each FS 10 of one of those VON 6, which are included in its nominal composition. BOH 6, having won arbitration, using CCM 5, uses the necessary equipment through KPS 7, thereby realizing the corresponding configuration of the BWC, and synchronizes the work of the other BOH 6. In the course of the functioning of the BWC by its means, for example, in accordance with [9, 10], monitoring of the technical condition and / or correct functioning of the complex as a whole, of its individual systems and components is carried out. At the end of the cycling period or in the event of an emergency, the arbitration is repeated, and taking into account the actual state of the airborne equipment (failures, malfunctions, malfunctioning, etc.), a new VON 6 master and a new dominant configuration of the BWC are selected. While ensuring equal accessibility (in the sense of delays in response to requests) of computing resources for each FS 10, any BOH 6 can be used, regardless of its nominal membership in a particular FS. The a priori and current information necessary for monitoring the current technical condition of the BWC systems is accumulated, stored and processed by the allocated VON 6 in interaction with the on-board mass memory of the BMP 9.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Заявленные способ управления избыточностью БИВС и устройство для его реализации промышленно применимы в вычислительной и контрольно-измерительной технике и наиболее успешно могут использоваться для создания отказоустойчивой БИВС в перспективных КБО подвижных объектов и комплексах автоматизированного управления функционированием производственных и энергетических объектов с целью обеспечения их отказоустойчивости и безопасности функционирования.The claimed BIVS redundancy management method and device for its implementation are industrially applicable in computer and instrumentation and most successfully can be used to create fault-tolerant BIVS in promising BWC of moving objects and complexes of automated control of the functioning of production and energy facilities in order to ensure their fault tolerance and operational safety .

Источники информацииInformation sources

1. DO-297. Integrated modular avionics (IMA) development guidance and certification considerations. RTCA Inc., Washington, 2005.1. DO-297. Integrated modular avionics (IMA) development guidance and certification considerations. RTCA Inc., Washington, 2005.

2. Watkins С В. Integrated Modular Avionics: Managing the Allocation of Shared Intersystem Resources. 25th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Portland, Oregon, October 2006.2. Watkins C. B. Integrated Modular Avionics: Managing the Allocation of Shared Intersystem Resources. 25th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Portland, Oregon, October 2006.

3. Garside R and Pighetti J F. Integrating Modular Avionics: A New Role Emerges. 26th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Dallas, Texas, October 2007.3. Garside R and Pighetti J F. Integrating Modular Avionics: A New Role Emerges. 26th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Dallas, Texas, October 2007.

4. Еремеев П.М., Беликов Ю.А. и др. Отказоустойчивая вычислительная система с аппаратно-программной реализацией функций отказоустойчивости и динамической реконфигурации. Патент RU 2455681 С1, опубликован 10.07.2012, Бюл. №194. Eremeev P.M., Belikov Yu.A. and others. Fault-tolerant computing system with hardware-software implementation of the functions of fault tolerance and dynamic reconfiguration. Patent RU 2455681 C1, published July 10, 2012, Bull. Number 19

5. Hainaut D. SCAlable & ReconfigurabLe Electronics plaTforms and Tools - Towards the next generation of Integrated Modular Avionics. An Introduction to SCARLETT. Aerodays 2011, Madrid, Spain, 2011.5. Hainaut D. SCAlable & ReconfigurabLe Electronics plaTforms and Tools - Towards the next generation of Integrated Modular Avionics. An Introduction to SCARLETT. Aerodays 2011, Madrid, Spain, 2011.

6. Bernard S. and Garcia J.-P. Braking Systems with New IMA Generation. SAE International, 2011.6. Bernard S. and Garcia J.-P. Braking Systems with New IMA Generation. SAE International, 2011.

7. Буков B.H., Гнусин М.Ю., Дьяченко A.M., Шурман B.A., Яковлев Ю.В. Способ автоматического управления избыточностью неоднородной вычислительной системы и устройство для его реализации. Заявка на патент РФ 2015102223.7. Bukov B.H., Gnusin M.Yu., Dyachenko A.M., Shurman B.A., Yakovlev Yu.V. A method for automatically controlling the redundancy of a heterogeneous computing system and a device for its implementation. RF patent application 2015102223.

8. Боблак И.В., Буков В.Н., Евгенов А.В., Шурман В.А. Способ автоматического управления неоднородной избыточностью комплекса оборудования и устройство для его реализации. Заявка на патент РФ (в работе).8. Boblak I.V., Bukov V.N., Evgenov A.V., Shurman V.A. A method for automatically controlling the heterogeneous redundancy of a complex of equipment and a device for its implementation. Application for a patent of the Russian Federation (in work).

9. Аверьянов И.Н, Буков В.Н., Бронников A.M., Кушнир А.Л., Сельвесюк Н.И. Циклический способ локализации неконтролируемых множественных отказов технических систем в процессе их функционирования и устройство для его реализации, патент RU 2557441 С2, Бюл. №20 от 20.07.2015.9. Averyanov I.N., Bukov V.N., Bronnikov A.M., Kushnir A.L., Selvesyuk N.I. A cyclic method for localizing uncontrolled multiple failures of technical systems during their operation and a device for its implementation, patent RU 2557441 C2, Bull. No. 20 dated 07/20/2015.

10. Boldyrev S., Chernyshov V., Nickolaev D., Ksenofontov V., Antonets C. Determination of functional efficiency of an airborne integrated navigation system for the purpose of reconfiguration of it in flight // Proc. of The 4th European conference for aero-space sciences, Saint Petersburg, Russia, Report 818-1245-1-RV, 2011.10. Boldyrev S., Chernyshov V., Nickolaev D., Ksenofontov V., Antonets C. Determination of functional efficiency of an airborne integrated navigation system for the purpose of reconfiguration of it in flight // Proc. of The 4th European conference for aero-space sciences, Saint Petersburg, Russia, Report 818-1245-1-RV, 2011.

Claims (2)

1. Способ управления избыточностью бортовой интегрированной вычислительной среды, включающий формирование архитектуры на основе сетевой технологии AFDX, отличающийся тем, что в каждый вычислитель общего назначения предварительно загружают все пакеты прикладных программ, используемых различными функциональными системами, и пакеты программ управления избыточностью бортовой вычислительной среды, вычислители общего назначения периодически или при возникновении нештатной ситуации на конкурсной основе выбирают ведущий вычислитель, осуществляющий на очередном временном цикле общее управление вычислительной средой, который с учетом технического состояния компонентов выбирает доминирующую конфигурацию бортовой вычислительной среды, ведущий вычислитель путем коммутирования и настроек компонентов в текущем временном цикле реализует выбранную доминирующую конфигурацию бортовой вычислительной среды.1. A method for managing the redundancy of an onboard integrated computing environment, including the formation of an architecture based on AFDX network technology, characterized in that all general-purpose computers are preloaded with all application packages used by various functional systems, and software packages for managing redundancy of the onboard computing environment, calculators general purpose periodically or in the event of an emergency on a competitive basis, select a leading computer, performing The general computing environment operating at the next time cycle, which, taking into account the technical state of the components, selects the dominant configuration of the on-board computing environment, the host computer implements the selected dominant configuration of the on-board computing environment by switching and adjusting components in the current time cycle. 2. Устройство для реализации способа управления избыточностью бортовой интегрированной вычислительной среды по п. 1, содержащее низкоскоростные шины данных с маршрутизирующими коммутаторами, вычислители, контроллеры периферийных устройств, модули обработки графических изображений, бортовую массовую память и модуль единого времени, отличающееся тем, что в него введены высокоскоростная коммутационная среда пакетов данных с высокоскоростными маршрутизирующими коммутаторами и сетевые контроллеры-концентраторы, а каждый вычислитель, контроллер периферийных устройств и модуль обработки графических изображений посредством сетевых контроллеров-концентраторов подключен ко всем шинам данных.2. A device for implementing a method for controlling the redundancy of an on-board integrated computing environment according to claim 1, comprising low-speed data buses with routing switches, calculators, peripheral device controllers, graphic image processing modules, on-board mass memory and a single time module, characterized in that introduced a high-speed switching environment of data packets with high-speed routing switches and network controllers-hubs, and each calculator, to ntroller peripherals and graphics process module controllers via network hubs connected to all data buses.

Images