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基于Python语言的余度特性分析与应用
资料介绍
关 键 词】 Python 余度 飞控系统 可靠性
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4
( )
南京师范大学学报 工程技术版
Vol. 18 No. 4
Dec，2018
第
卷第
期
2018
12
JOURNAL OF NANJING NORMAL UNIVERSITY( ENGINEERING AND TECHNOLOGY EDITION)
年
月
－
doi: 10．3969/j．issn．1672 1292．2018．04．012
Python
基于
语言的余度特性分析与应用
， ，
邱 菊 叶志锋 赵永平
(
，
南京航空航天大学图书馆 江苏 南京
211106)
［
］
，
针对余度飞控计算机系统各方面指标要求 介绍了基于
Python ．
开发语言的余度飞控计算机系统 提出
摘要
———
， ， ．
预处理理念 在这种理念的基础上 并建立了硬件三余度和软件三余度的架构模型 其中
，
了一种新的理念
，3 ，
在软件三余度架构模型中 个软件版本由不同语言开发 第一个软件和第二个软件用
Python
，
语言开发 第三个
C ， ． ，
软件用 语言开发 在三台计算机上互为主备份软件 结果表明 该方法在提高可靠性故障维修率的同时可以
．
降低开发成本及同态故障率
［
］
Python， ， ，
余度 飞控系统 可靠性
关键词
－ － －
］1672 1292( 2018) 04 0080 06
［
］V19
［
］A
［
中图分类号
文献标志码
文章编号
Analysis and Application of Redundancy Characteristics
Based on Python Language
Qiu Ju，Ye Zhifeng，Zhao Yongping
( Library，Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，Nanjing 211106，China)
Abstract: In view of the requirements of all aspects of the redundancy flight control computer system，the redundancy flight
control computer system based on Python development language is introduced． A new concept，pretreatment concept is put
forward on the basis of this idea，the structure models of the hardware three redundancy and software three redundancy are
established． Among them，in the software three-redundancy architecture model，three versions of software are developed in
different languages． The first software and second software are developed by Python，the third software is developed by C
language，each other being the backup software on the three computers． The results show that the method can reduce the
cost of development and the homomorphic failure rate while improving the reliability and failure maintenance rate．
Key words: Python，redundancy，fly control system，reliability
，
随着航空领域计算机及通信技术的不断发展 飞行控制系统在过去的几十年中发生了翻天覆地的变
， 、 、 ． ，
化 电子计算机 传感器 电力驱动等装置逐渐替代原始的机械控制系统 在这些系统中 实时软件可以优
． ， ，
化被控制系统的性能和效率 当电子元器件出现故障时 为了确保这些系统的可靠性 通常要对计算机
、
［1］
、
传感器 软件以及其他电子元件等进行余度配置
．
，
我国飞机控制系统较发达国家有很大程度的落后 为
， ． ， ．
了提高可靠性 必然要增加余度 但一味地增加余度 又会增加开发成本和飞机总重量 除了满足安全性
， ． ， ，
的要求 飞机还得满足重量要求 因为飞机工作环境的特殊性 相对于其他地面工程设计 飞机结构重量
． ， ，
要求有其特殊的重要意义 在总重量保持不变的情况下 如果在设计的过程中增加飞机重量的比重 则意
， ( ， ) ，
味着减少有效载重 或降低飞机性能 比如航程 因为储油量会变少 而有效载重和飞机性能是飞机战斗
［2］
．
， ， ．
所以 要在满足飞机结构寿命的前提下 保证结构重量最轻 在飞机构造发
力或运载效能的主要因素
， 、 ． ，
展历程中 这一要求是推动飞机结构型式 航空材料等发展的重要因素之一 在飞机设计中 减轻结构重
． ， ，
量不是一件很容易办到的事情 飞机由成千上万个零构件组成 如果设计或制造不当 每一个零构件稍微
， ， ． ，
超重 积少成多就会使整机超重很多 这将导致设计失败或产品报废 因此在飞机整个研制过程中 都要
［3］
． ， ， “ 、
进行严格的重量控制 总之 较其他工程构造设计而言 更要强调 精心设计 精心施工
” ．
－
－
: 2018 04 18．
收稿日期
． E-mail: yzf@ nuaa．edu．cn
通讯联系人 叶志锋 博士 教授 研究方向 航空宇航推进理论与工程
:
，
，
，
:
— 80 —
， :
菊 等 基于
Python
语言的余度特性分析与应用
邱
Python
，
基于上述安全和减轻重量的综合考虑 特提出基于
．
开发语言的余度飞控系统 往常开发语言
C ， ， ， ，
基本都选用 语言 这样做的缺点是版本之间互异性很小 发生同态故障的概率很大 另外 在数据封装
，C ， C ，
性方面 语言有很大的缺陷 而且 语言对变量的类型约束不严格 这也就导致了开发出来的程序在数
．
据的安全性上有很大缺陷 而
Python
、 、 ，
语言是一种集简洁性 易维护性 速度快与一体的程序设计语言 提
Python
， ， ，
语言作为软件模块开发的首要语言 这可以增加软件的安全性 适当减少余度数量 减少开发
出用
． ， ，
成本 但是为了减少同态故障发生的概率 不能所有的软件版本都用一种语言开发 所以安排一个版本的
C ． ， ， ，
软件用 语言开发 软件模块方面 后面会进行数学分析 用三余度是最合适的 在保证安全性能的同时
． ， ，
还能尽可能减少不必要的开支 硬件模块余度数量方面 经过数学分析 用三余度或四余度是最合适的
，
， ， ， ，
但四余度会增加一些开支和飞机的重量 在经过思考和研究之后 决定在硬件方面实行三余度 同时 在错
( ) ， ， ，
误监测隔离修复模块 硬件的备份余度与这个模块直接相连 前面 添加一个模块 即预处理模块 这个模
，
块 能把
90%
， ，
的错误通过重启解决 剩下一些不能通过重启来解决的错误 通过错误监测隔离修复模块解
． ， ， ， ，
决 这样 在提高软硬件安全性的同时 又没有过分增加余度 飞机重量控制在合理的范围内 经过实验
，
［4］
．
本方法具有很好的应用价值
1
预处理模块
［5］
， ，
飞机在空中飞行过程中 出现的错误 都是通过错误监测隔离修复功能模块实现
．
这个模块决定要
． ，
不要调用余度单元切换到其他分支以继续正常运作 但在使用过程中会发现一个问题 其实大多数故障
、 ， ．
或错误都是假的 瞬间的或者是很小的错误 一般情况下这种错误通过简单的重启操作就能修复 若每次
， ，
一出现故障或错误就立马启动错误监测隔离修复功能模块 调动余度模块 让备份模块开机进行冷启动
，
． ， ，
会造成很大的成本 对于一个永久的单元模块错误来说 调动余度单元切换到其他分支是非常正确的 但
． ， ，
是这种概率很小 一般情况下的错误都很简单 一个小小的重启操作就能解决问题 进而让程序模块恢复
． ， ， ，
正常 所以 在本设计方案中 在错误监测隔离修复功能模块前加一个预处理模块 这个模块在错误监测
， ， ，
隔离修复功能模块之前使用 每次出现错误时 先启动该模块 大多数的错误都可以通过这个预处理模块
， ，
进行修复 对于那些不能通过预处理模块进行修复的恒久错误 就通过错误监测隔离修复功能模块启动余
， ． ， ，
度单元 切换到其他分支 重启操作简单并且迅速 并且对于一个错误模块来说 重启操作只是尝试去解
， ， ．
决问题 并不会给系统和硬件带来更进一步的破坏 同时也不会影响到一个正常的功能模块 当设计预处
， ，
理模块时 关键点就是通过增加这个预处理模块 让系统模块与错误监测隔离修复模块之间的交互最
． ， 、
小 从而尽量减少切换到备份模块的次数 这可以在保证飞控系统安全性的前提下尽量缩减软 硬件余度
． 1
数量 本设计方案如图 所示
．
1
图
添加预处理模块的程序模块结构图
Fig. 1 The program module structure diagram of add preprocessing module
2
硬件余度方案设计
， ， ，
余度 即在只有一个单独故障时能正常工作 当出现一个以上的独立故障时 才能引起既定的不希望
．
工作状态的一种设计方法
: 、 、 ． ，
余度设计的基本任务包括 容错能力准则 部件余度类型 系统余度配置等方面 其中 容错能力准则
． ， ， ．
是以满足任务可靠性为目标 但是 在提高可靠性的同时 余度配置也带来了一些问题 系统的造价成本
， 、 、 、 ．
增加 同时设备的重量 体积和线缆数量 开发费用 维修费用也有增加 所以如何在保证飞行控制系统安
， ，
全系数的同时尽可能缩小成本 即控制余度数量 成为了飞控系统方面研究的一个重点
．
2．1
冗余结构模式
随着提高硬件可靠性需求的提出 便有了冗余技术这个概念 冗余 即多余的资源 在系统由于一个
，
．
，
．
［6］
， ，
分支出现问题而出现故障时 就隔离掉故障的部分 由冗余的部分替代
．
它能提高任务可靠性和系统安
［7］
．
全性
— 81 —
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