面向任務(wù)的民機(jī)DIMA動態(tài)重構(gòu)策略

王 鵬, 劉嘉琛, 董 磊,*, 趙長嘯

(1. 中國民航大學(xué)民航航空器適航審定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300; 2. 天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300300; 3. 中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300300)

0 引 言

隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)的迅猛進(jìn)步,新型航空電子系統(tǒng)的研發(fā)也得到不斷改進(jìn),目前正朝著分布式綜合模塊化航空電子(distributed integrated modu-lar avionics, DIMA)方向發(fā)展[1],將聯(lián)合式和綜合模塊化航空電子的系統(tǒng)理念優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)合,提供了一種綜合的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件資源平臺。DIMA利用分布式架構(gòu)將各計(jì)算模塊分散在整個(gè)飛行器中,通過高容錯(cuò)的實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)將所有模塊相連,有效地降低了系統(tǒng)和布線的復(fù)雜度[2]。體現(xiàn)出了集成模塊化和分布式兩大特點(diǎn):

(1) 由于系統(tǒng)集成化、模塊化設(shè)計(jì),提高了硬件資源的共享程度,減少了所需硬件數(shù)量;

(2) 硬件資源的分布式分配允許子系統(tǒng)與物理層隔離,更易于系統(tǒng)的升級和重構(gòu)[3]。

同時(shí),這也對系統(tǒng)可用性、可擴(kuò)展性、容錯(cuò)能力、全壽命周期成本等方面提出了越來越高的要求[4]。正是在這種情況下,DIMA動態(tài)重構(gòu)技術(shù)采用資源再分配、軟硬件冗余備份和應(yīng)用功能部署三大手段,使其成為新一代綜合航電系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵技術(shù),有效提高了飛行器的安全性和可靠性[5]。

近年來,國內(nèi)外研究人員在DIMA動態(tài)重構(gòu)領(lǐng)域做了諸多研究。文獻(xiàn)[6]使用AADL語言建立了動態(tài)重構(gòu)可靠性模型,將其轉(zhuǎn)化為Petri網(wǎng)后進(jìn)行可靠性分析。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了面向DIMA系統(tǒng)的聯(lián)合k/n(G) 可靠性模型,通過改變功能模塊的不同配置，研究其對系統(tǒng)可靠度的影響。文獻(xiàn)[8]給出了基于故障預(yù)測與健康管理的DIMA動態(tài)重構(gòu)模型及重構(gòu)策略,展望了故障預(yù)測與健康管理技術(shù)在航空電子領(lǐng)域的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[9]給出了航電系統(tǒng)的效能模型,對比了動態(tài)重構(gòu)航電系統(tǒng)與靜態(tài)配置航電系統(tǒng)在不同作戰(zhàn)區(qū)邊界的效能。

可以看出,以上研究集中在動態(tài)重構(gòu)可靠性建模、重構(gòu)策略方法等領(lǐng)域,沒有針對動態(tài)重構(gòu)行為開展深入的數(shù)值分析,難以科學(xué)地判斷動態(tài)重構(gòu)策略的優(yōu)越性和有效性。鑒于此,本文從DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境及機(jī)制展開分析,在考慮民機(jī)任務(wù)模式切換的基礎(chǔ)上,形成面向任務(wù)的DIMA動態(tài)重構(gòu)策略,提出基于“任務(wù)-功能-資源”的動態(tài)重構(gòu)有效性評價(jià)體系;引入主客觀組合優(yōu)化賦權(quán)模型，針對不同任務(wù)模式下的功能優(yōu)先級進(jìn)行計(jì)算和評價(jià);最后通過關(guān)系矩陣和對比分析證明了面向任務(wù)的動態(tài)重構(gòu)策略的有效性。

1 DIMA動態(tài)重構(gòu)策略分析

1.1 DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境構(gòu)建

根據(jù)ARINC653和ASAAC[10-11]標(biāo)準(zhǔn),DIMA體系架構(gòu)可以分為3層:最上層是與航電駐留應(yīng)用有關(guān)的應(yīng)用軟件層,定義了功能應(yīng)用和應(yīng)用管理,用于執(zhí)行各項(xiàng)飛機(jī)任務(wù)和功能。為了保護(hù)航電系統(tǒng)的安全關(guān)鍵性能,利用時(shí)空分區(qū)技術(shù)將不同的功能應(yīng)用限制在其活動范圍內(nèi)[12],實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用、分區(qū)、操作系統(tǒng)與硬件資源的分離,以保證故障不可蔓延[13]。中間層為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層,主要負(fù)管理機(jī)載資源并為上層應(yīng)用軟件提供執(zhí)行平臺,與飛機(jī)任務(wù)和底層硬件無關(guān),其主要部件有通用管理系統(tǒng)(generic system management, GSM)和操作系統(tǒng)核心,GSM負(fù)責(zé)整個(gè)航電系統(tǒng)的故障過濾、系統(tǒng)重構(gòu)、任務(wù)模態(tài)管理等,是DIMA核心功能性組件之一。在執(zhí)行重構(gòu)時(shí),GSM所需的配置信息由實(shí)時(shí)藍(lán)印系統(tǒng)提供[14]。最下層的模塊支持層定義了硬件資源,提供了訪問上層資源的接口,將操作系統(tǒng)和硬件平臺分開以達(dá)到操作系統(tǒng)與硬件的相對獨(dú)立性,為高安全系統(tǒng)提供了可控制的、可管理的和可驗(yàn)證的層次化安全架構(gòu)。本文構(gòu)建的DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境如圖1所示,包括5個(gè)獨(dú)立的通用計(jì)算模塊和一臺交換機(jī),基于TTE(time triggered ethernet)組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DIMA網(wǎng)絡(luò)互連,用精確的定時(shí)傳輸協(xié)議確保分布式資源的整體時(shí)鐘同步[15]。

圖1 DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境Fig.1 Dynamic reconfiguration environment of DIMA

系統(tǒng)分為4種類型的模塊:主控模塊(M1),普通模塊(M2和M3),主控備份模塊(M4)和備份模塊(M5),采用N+1的備份方式進(jìn)行重構(gòu)。為了簡化分析,本文對DIMA動態(tài)重構(gòu)行為給出如下假設(shè)。

假設(shè) 1主控模塊與普通模塊都能駐留兩個(gè)功能應(yīng)用,高優(yōu)先級應(yīng)用駐留在主控模塊,低優(yōu)先級應(yīng)用駐留在普通模塊。

假設(shè) 2由于TTE的時(shí)間觸發(fā)特性,動態(tài)重構(gòu)過程中功能應(yīng)用的配置時(shí)間是足夠小的,不會導(dǎo)致各航電功能中斷。

假設(shè) 3模塊有工作、備份和故障3種狀態(tài),模塊故障相互獨(dú)立且不可修復(fù)。

假設(shè) 4模塊在備份狀態(tài)和工作狀態(tài)切換時(shí)不發(fā)生故障,且均為熱備份。

假設(shè) 5控制動態(tài)重構(gòu)行為的GSM系統(tǒng)是失效免疫的,即可靠度為1。

1.2 DIMA動態(tài)重構(gòu)機(jī)制分析

分析民機(jī)DIMA的動態(tài)重構(gòu)需求后,將飛行過程中動態(tài)重構(gòu)的觸發(fā)條件概括為以下兩類。

(1) 任務(wù)切換:由機(jī)組人員對當(dāng)前任務(wù)模式主動切換觸發(fā)重構(gòu),主控模塊上加載的功能應(yīng)用也隨之發(fā)生改變。

(2) 資源失效:當(dāng)航電系統(tǒng)內(nèi)的模塊發(fā)生故障,由GSM中的故障管理功能對故障進(jìn)行分析,判斷重要級別并觸發(fā)重構(gòu)。

如圖2所示,當(dāng)DIMA因任務(wù)切換或資源失效觸發(fā)重構(gòu)條件時(shí),本文提出的3種DIMA動態(tài)重構(gòu)機(jī)制,控制GSM在系統(tǒng)資源可行域空間中確定符合約束的配置方案并執(zhí)行重構(gòu),具體描述如下。

圖2 DIMA動態(tài)重構(gòu)機(jī)制Fig.2 Dynamic reconfiguration mechanism of DIMA

預(yù)定配置機(jī)制:面向由任務(wù)切換導(dǎo)致的重構(gòu)行為,此時(shí)功能的優(yōu)先級會隨著任務(wù)模式的切換而相應(yīng)地改變,模塊中也將加載與之前不同的功能應(yīng)用。該機(jī)制能使航電系統(tǒng)以最佳狀態(tài)完成任務(wù)的執(zhí)行,是后續(xù)資源備份和資源搶占機(jī)制的基礎(chǔ)。

資源備份機(jī)制:面向由資源失效導(dǎo)致的重構(gòu)行為前中期,該機(jī)制依賴于DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境中的備份模塊支撐。若模塊發(fā)生故障,備份模塊的工作模式由備份轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。需要注意的是,當(dāng)主控備份模塊發(fā)生故障時(shí),也可以選擇普通備份模塊替代主控模塊進(jìn)行工作。

資源搶占機(jī)制:主要面向由資源失效導(dǎo)致的重構(gòu)行為后期,此時(shí),動態(tài)重構(gòu)環(huán)境中再無備份模塊可用,當(dāng)前任務(wù)模式下高優(yōu)先級功能會搶占低優(yōu)先級功能的可用資源,以保證影響飛行安全的功能正常運(yùn)行。

面向任務(wù)的DIMA動態(tài)重構(gòu)策略遵循上述動態(tài)重構(gòu)機(jī)制,并將功能優(yōu)先級與任務(wù)模式相匹配,能夠覆蓋動態(tài)重構(gòu)環(huán)境中的所有資源狀態(tài),實(shí)現(xiàn)航電功能對現(xiàn)階段任務(wù)支撐的最大化和對飛行安全的保證。

2 動態(tài)重構(gòu)有效性評估體系

在評估動態(tài)重構(gòu)策略的優(yōu)劣之前,有必要先對動態(tài)重構(gòu)有效性的概念作一界定。有效性通常是指完成策劃的活動和達(dá)到策劃結(jié)果的程度,根據(jù)對DIMA動態(tài)重構(gòu)觸發(fā)條件和機(jī)制的分析可知,其動態(tài)特性主要有以下兩個(gè)方面:① 功能的優(yōu)先級會隨著任務(wù)模式的切換而發(fā)生改變;② 系統(tǒng)資源失效會導(dǎo)致DIMA的資源狀態(tài)發(fā)生改變。DIMA中功能和資源之間是相互依存的關(guān)系,沒有資源,系統(tǒng)的功能也就無法實(shí)現(xiàn),而背離功能,資源也就沒有存在的意義[16]。

至此,對動態(tài)重構(gòu)的有效性概念給出如下定義:第一,動態(tài)重構(gòu)應(yīng)使當(dāng)前任務(wù)模式下的系統(tǒng)功能特性得到優(yōu)化;第二,動態(tài)重構(gòu)應(yīng)使系統(tǒng)中的資源能得到更合理的配置。換句話說,經(jīng)過動態(tài)重構(gòu)后系統(tǒng)資源對系統(tǒng)功能完整性的支撐程度越大,動態(tài)重構(gòu)的有效性就越高。因此,本文提出基于“任務(wù)-功能-資源”的動態(tài)重構(gòu)有效性評估體系,研究框架如圖3所示。

圖3 某任務(wù)模式下的動態(tài)重構(gòu)有效性評估體系Fig.3 Dynamic reconfiguration effectiveness evaluation system in a task mode

設(shè)有效性評估體系中有m種任務(wù)模式,n個(gè)功能應(yīng)用。其中,功能貢獻(xiàn)系數(shù)向量gm由主客觀組合賦權(quán)模型得出,表示功能應(yīng)用對當(dāng)前任務(wù)模式下系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)程度大小。將gm中的功能貢獻(xiàn)系數(shù)由大到小依次排序,即可得到當(dāng)前任務(wù)模式下的功能優(yōu)先級評價(jià);功能貢獻(xiàn)系數(shù)矩陣G=[g1,g2,…,gm]T為各任務(wù)模式下功能貢獻(xiàn)系數(shù)向量的集合,是動態(tài)重構(gòu)有效性計(jì)算的重要依據(jù)。

資源配置矩陣Pm由資源配置表轉(zhuǎn)化而來,資源配置表將DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境中的p個(gè)通用計(jì)算模塊和q種系統(tǒng)資源狀態(tài)進(jìn)行表達(dá),面向每一任務(wù)模式都可以生成一個(gè)資源配置表,配置方案由功能應(yīng)用的優(yōu)先級評價(jià)結(jié)果結(jié)合動態(tài)重構(gòu)機(jī)制得出,表中元素的變化對應(yīng)各資源狀態(tài)下加載在各計(jì)算模塊上的功能應(yīng)用變化情況。接下來,對資源配置表進(jìn)行(0,1)轉(zhuǎn)化,若當(dāng)前資源狀態(tài)下功能應(yīng)用仍能加載到計(jì)算模塊上,賦值為1,反之則為0,生成一個(gè)q×n階矩陣Pm。

Em是面向任務(wù)模式m的重構(gòu)有效性系數(shù)向量,由當(dāng)前任務(wù)模式下的資源配置矩陣帶入相應(yīng)的功能貢獻(xiàn)系數(shù)求得,表示當(dāng)前系統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)有效性系數(shù),取值為0～1,值越大則有效性越高,計(jì)算公式如下:

(1)

3 基于組合賦權(quán)的DIMA功能優(yōu)先級評價(jià)

在動態(tài)重構(gòu)有效性評估體系中,功能貢獻(xiàn)系數(shù)既為動態(tài)重構(gòu)決策提供了功能優(yōu)先級評價(jià),也為資源配置矩陣提供了量化指標(biāo),對最終的評估結(jié)果起著十分重要的影響。因此,本文引入主客觀組合賦權(quán)法分析各任務(wù)模式下的功能貢獻(xiàn)系數(shù)。此方法近年來在飛行品質(zhì)評價(jià)、航班風(fēng)險(xiǎn)評估、作戰(zhàn)效能評估等研究領(lǐng)域[17-19]都有廣泛應(yīng)用。采用組合賦權(quán)的目的是減少不同賦權(quán)方法在評價(jià)過程中的片面性,盡可能地減少信息的損失,使賦權(quán)結(jié)果最大限度地接近實(shí)際結(jié)果[20],其原理如圖4所示。

圖4 面向任務(wù)的組合賦權(quán)法Fig.4 Task oriented combination weighting method

3.1 主觀賦權(quán):層次分析法

層次分析法是一種認(rèn)可度較高的主觀賦權(quán)法,此方法利用專家的知識和經(jīng)驗(yàn),通過兩兩比較的方式以9標(biāo)度法對決策指標(biāo)進(jìn)行打分,可以實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先級的主觀評價(jià),標(biāo)度值的具體含義如表1所示。

表1 重要程度標(biāo)度值含義

根據(jù)表1,專家對n項(xiàng)功能應(yīng)用進(jìn)行打分,建立判斷矩陣A=(aij)n×n,其中aij×aji=1,max{aij,aji}∈[1,10],定義A的一致性比率:

(2)

式中,λmax為判斷矩陣的最大特征值;RI為隨機(jī)一致性指標(biāo),其取值與判斷矩陣的階數(shù)有關(guān),可通過表2查得[21]。當(dāng)CR≤0.1時(shí)可認(rèn)為通過一致性檢驗(yàn)。

表2 一致性指標(biāo)RI數(shù)值

最后,計(jì)算主觀權(quán)重向量:

(3)

α=(α1,α2,…,αn)即為所求的主觀權(quán)重向量。

3.2 客觀賦權(quán):主成分分析法

主成分分析法是一種多變量數(shù)據(jù)分析技術(shù),此方法利用在樣本空間中找出新的正交向量,即主成分,用更少的數(shù)據(jù)集最大限度地表示原始數(shù)據(jù)中的信息[22]。通過對主成分方差貢獻(xiàn)率及載荷的計(jì)算和解釋,可以實(shí)現(xiàn)功能優(yōu)先級的客觀評價(jià)。設(shè)原始數(shù)據(jù)有k組數(shù)據(jù),n個(gè)功能應(yīng)用,由于各個(gè)指標(biāo)的量綱不同,首先需要對飛行原始數(shù)據(jù)矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,有

(4)

X0為標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到的新數(shù)據(jù)矩陣,計(jì)算其協(xié)方差矩陣,有

(5)

對CX進(jìn)行特征值分解,有

CX=UDUT

(6)

式中，D=diag(λ1,λ2,…,λn)表示特征值的對角矩陣，其中λ1>λ2>…>λn；特征向量矩陣U表示特征值λi對應(yīng)特征向量ui的集合,ui=(ui1,ui2,…,uin),i=1,2,…,n。

主成分方差貢獻(xiàn)率反映了數(shù)據(jù)信息量的大小,若前q個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%時(shí)，則認(rèn)為能足夠反映原始數(shù)據(jù)的信息,即

(7)

主成分載荷反映了主成分與原變量之間相互關(guān)聯(lián)的程度,即

(8)

最后，將主成分方差貢獻(xiàn)率與對應(yīng)主成分載荷的絕對值進(jìn)行線性加權(quán),可以得到客觀權(quán)重向量，公式為

(9)

β=(β1，β2，…,βn)即為所求的客觀權(quán)重向量。

3.3 組合優(yōu)化賦權(quán)

得到主觀權(quán)重和客觀權(quán)重后,需要將專家的主觀意向和飛行數(shù)據(jù)中包含的客觀信息兼顧,為了得到合理的綜合主客觀權(quán)重S,主觀和客觀權(quán)重向量與綜合權(quán)重向量的離差和應(yīng)盡可能小[23],為此構(gòu)建組合優(yōu)化賦權(quán)模型如下:

(10)

式中,μi為經(jīng)驗(yàn)因子,該因子是對功能應(yīng)用權(quán)重主客觀偏向程度的反映,傾向于客觀權(quán)重時(shí)0≤μi≤0.5,傾向于主觀權(quán)重時(shí)0.5≤μi≤1。此模型屬于一個(gè)條件極值求解問題,利用拉格朗日數(shù)乘法求解可得

si=μiαi+(1-μi)βi

(11)

s=(s1,s2,…,sn)即為所求的主客觀組合優(yōu)化權(quán)重向量，動態(tài)重構(gòu)有效性評估體系中某任務(wù)模式下的功能貢獻(xiàn)系數(shù)向量。

4 實(shí)例分析

不同于軍機(jī)擁有各種復(fù)雜作戰(zhàn)場景和戰(zhàn)場需求,民機(jī)的飛行任務(wù)較為明確,因此可通過劃分飛行階段的方式來明確任務(wù)模式。典型民用飛機(jī)的一次飛行任務(wù)剖面如圖5所示[24]。以顯示信息功能為例,根據(jù)AC 25-11B[25]中的描述,綜合考慮各功能的意義與實(shí)際價(jià)值,選擇空速、相對氣壓高度、無線電高度、垂直速度、俯仰角和航向角作為加載在動態(tài)重構(gòu)環(huán)境中的功能應(yīng)用。在典型的飛行任務(wù)執(zhí)行過程中,DIMA在不同階段對不同任務(wù)的功能需求不同,不同功能對不同任務(wù)模式的貢獻(xiàn)程度也不同。為方便后續(xù)研究,對飛機(jī)各飛行階段進(jìn)行編號,1:起飛,2:爬升,3:巡航,4:下降,5:進(jìn)近,6:著陸;再對顯示系統(tǒng)的功能應(yīng)用進(jìn)行編號,Ⅰ:空速,Ⅱ:相對氣壓高度,Ⅲ:無線電高度,Ⅳ:垂直速度,Ⅴ:俯仰角,Ⅵ:航向角。據(jù)研究表明,近50%的民航飛行事故都發(fā)生在飛行的著陸階段[26],可能產(chǎn)生異常速度、不當(dāng)著陸過程、垂直速度偏離、不受控下沉等不利飛行狀態(tài)[27],因此以航班著陸階段為實(shí)例展開分析。具體步驟如下。

圖5 民用飛機(jī)典型任務(wù)剖面Fig.5 Typical mission profile of civil aircraft

步驟 1根據(jù)專家對著陸階段顯示功能重要度的打分,建立判斷矩陣A如下:

(12)

根據(jù)表2查得RI=1.26,經(jīng)過式(2)判斷CR=0.069<0.1,判斷矩陣滿足一致性要求,由式(4)可得著陸階段的主觀權(quán)重向量:

α6=(0.260,0.053,0.186,0.158,0.234,0.109)

同理,計(jì)算其他飛行階段的顯示功能主觀權(quán)重向量如下:

α1=(0.404,0.207,0.148,0.037,0.146,0.058)

α2=(0.275,0.294,0.045,0.146,0.149,0.092)

α3=(0.360,0.191,0.024,0.063,0.165,0.198)

α4=(0.268,0.202,0.036,0.096,0.260,0.143)

α5=(0.265,0.076,0.015,0.175,0.196,0.139)

步驟 2本文以美國宇航局DASH link項(xiàng)目提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀賦權(quán)分析,其中包含了某型支線客機(jī)上記錄的186種飛行參數(shù),用于提高促進(jìn)航空安全的數(shù)據(jù)挖掘能力[28],如表3所示。

本文采用SPSS 25.0軟件對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,首先進(jìn)行KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和Bartlett球形檢驗(yàn),處理可得KMO檢驗(yàn)值為0.635,Bartlett檢驗(yàn)值為0,表明表3的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行主成分分析。

表3 著陸階段實(shí)際飛行數(shù)據(jù)

根據(jù)式(6)和式(7)得到特征向量矩陣及主成分方差貢獻(xiàn)率,前兩個(gè)主成分方差貢獻(xiàn)率分別為65.749%和20.051%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為85.800%>80%,能夠反映飛行數(shù)據(jù)中的絕大部分信息。再根據(jù)式(8)計(jì)算主成分載荷,載荷值越大說明主成分與該變量相關(guān)性越好,如表4所示。

表4 主成分載荷系數(shù)

根據(jù)式(9),可得到著陸階段的客觀權(quán)重向量:

β6=(0.156,0.180,0.187,0.191,0.176,0.111)

同理,計(jì)算其他飛行階段的顯示功能客觀權(quán)重向量如下:

β1=(0.149,0.183,0.183,0.180,0.180,0.125)

β2=(0.190,0.144,0.186,0.190,0.157,0.133)

β3=(0.244,0.214,0.000,0.186,0.239,0.118)

β4=(0.176,0.237,0.000,0.243,0.168,0.180)

β5=(0.174,0.177,0.178,0.142,0.150,0.179)

步驟 3對比步驟1和步驟2的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)主觀賦權(quán)法對功能優(yōu)先級的評價(jià)效果較好,能明顯區(qū)分關(guān)鍵功能與非關(guān)鍵功能。由于專家打分表是參考飛行機(jī)組使用手冊[29]和相關(guān)適航條款[30]給出的,因此對功能優(yōu)先級的評價(jià)具有指導(dǎo)意義。客觀賦權(quán)法的結(jié)果可以表征功能的復(fù)用程度,即在典型任務(wù)執(zhí)行過程中功能模塊的執(zhí)行次數(shù),但任務(wù)執(zhí)行過程中某些復(fù)用程度大的功能關(guān)鍵性不一定高,因此客觀權(quán)重可能無法體現(xiàn)出某些特定場景的功能優(yōu)先等級。

綜上所述,本文選擇在專家主觀意向的基礎(chǔ)上兼顧飛行數(shù)據(jù)中包含的客觀信息,即經(jīng)驗(yàn)因子的選擇偏向主觀權(quán)重。如圖6所示,將經(jīng)驗(yàn)因子定為0.6時(shí),組合賦權(quán)結(jié)果不能明顯區(qū)分關(guān)鍵功能,經(jīng)過權(quán)衡后將經(jīng)驗(yàn)因子定為0.7。此時(shí),在專家主觀意向的基礎(chǔ)上兼顧飛行數(shù)據(jù)中包含的客觀信息不會對關(guān)鍵功能的區(qū)分產(chǎn)生混淆。

圖6 不同經(jīng)驗(yàn)因子效果分析Fig.6 Effect analysis of different experience factors

再根據(jù)式(11)計(jì)算主客觀組合優(yōu)化權(quán)重,得到各飛行階段的顯示信息功能貢獻(xiàn)系數(shù)向量gm,構(gòu)建組合功能貢獻(xiàn)矩陣G如下：

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ

(13)

步驟 4由于DIMA的資源狀態(tài)會隨著模塊的故障而發(fā)生改變,根據(jù)第1.1節(jié)構(gòu)建的動態(tài)重構(gòu)環(huán)境,選取其中幾種典型的資源失效狀態(tài)如下。

狀態(tài)A:M1模塊P1分區(qū)故障。

狀態(tài)B:M1模塊故障。

狀態(tài)C:M1和M2模塊故障。

狀態(tài)D:M1和M2模塊故障且M3模塊P1分區(qū)故障。

狀態(tài)E:M1、M2和M3模塊故障。

狀態(tài)F:M1、M2、M3和M4模塊故障。

表5是以文獻(xiàn)[7]中提出的顯示信息關(guān)鍵性要求表為基礎(chǔ)生成的普通重構(gòu)策略資源配置表,普通重構(gòu)策略不考慮任務(wù)模式的切換。觀察表5可以發(fā)現(xiàn),資源配置表由通用計(jì)算模塊和系統(tǒng)典型資源狀態(tài)表達(dá),表中每行的羅馬數(shù)字表示當(dāng)前資源狀態(tài)下各計(jì)算模塊上的功能應(yīng)用加載情況。配置方案由功能應(yīng)用的優(yōu)先級評價(jià)結(jié)果結(jié)合動態(tài)重構(gòu)機(jī)制得出,動態(tài)重構(gòu)環(huán)境在A、B、C 3種系統(tǒng)資源狀態(tài)下采用資源備份機(jī)制進(jìn)行重構(gòu),資源對功能完整性的支撐程度不受模塊故障影響。隨著M1、M2、M3模塊陸續(xù)故障,開始采用資源搶占機(jī)制,此時(shí)關(guān)鍵功能(高優(yōu)先級)會搶占低優(yōu)先級功能的可用資源。

表5 普通重構(gòu)策略資源配置表

接下來,將典型資源失效狀態(tài)與面向任務(wù)的DIMA動態(tài)重構(gòu)策略相結(jié)合,可以得到面向不同民機(jī)任務(wù)模式的重構(gòu)策略資源配置表,如表6所示。其中,資源狀態(tài)的阿拉伯?dāng)?shù)字下標(biāo)表示民機(jī)典型任務(wù)剖面中的不同飛行階段/任務(wù)模式。

表6 面向任務(wù)的重構(gòu)策略資源配置表

步驟 5以著陸階段為例,若當(dāng)前資源狀態(tài)下某功能應(yīng)用仍在模塊上運(yùn)行則賦值為1,反之為0,可將資源配置表轉(zhuǎn)化為資源配置矩陣:

(14)

將功能貢獻(xiàn)矩陣G中相關(guān)飛行階段的功能貢獻(xiàn)向量g6帶入對應(yīng)的重構(gòu)策略配置矩陣P6中,根據(jù)式(1)計(jì)算著陸階段的動態(tài)重構(gòu)有效性系數(shù)向量如下:

(15)

同理可得其余5組面向任務(wù)的動態(tài)重構(gòu)有效性系數(shù)向量em(m=1,2,…,5)和1組通過普通重構(gòu)策略資源配置表得出的有效性系數(shù)向量e′,分別作對比分析,如圖7所示。通過面向任務(wù)的動態(tài)重構(gòu)策略與普通重構(gòu)策略的對比分析,可以發(fā)現(xiàn)隨著模塊故障數(shù)量的增多,面向任務(wù)的動態(tài)重構(gòu)策略在絕大部分飛行階段中能夠顯著提高動態(tài)重構(gòu)的有效性,給任務(wù)的執(zhí)行提供充足的安全裕度。

圖7 對比分析Fig.7 Comparative analysis

5 結(jié) 論

(1) 通過對DIMA動態(tài)重構(gòu)環(huán)境和動態(tài)重構(gòu)機(jī)制的研究,形成了一種面向任務(wù)的動態(tài)重構(gòu)策略,提出了基于“任務(wù)-功能-資源”的動態(tài)重構(gòu)有效性評估體系。

(2) 通過引入主客觀組合優(yōu)化賦權(quán)模型,結(jié)合主客觀賦權(quán)法各自的優(yōu)勢,取長補(bǔ)短,實(shí)現(xiàn)了面向任務(wù)的航電功能優(yōu)先級科學(xué)評價(jià)。

(3) 通過DIMA動態(tài)重構(gòu)實(shí)例的對比分析,表明了動態(tài)重構(gòu)策略中任務(wù)模式的引入可以有效提高動態(tài)重構(gòu)的有效性。