浅谈一种自动飞行控制计算机架构设计

浅谈一种自动飞行控制计算机架构设计

◆ 张 锐 马小博

摘要：大力发展航空事业，要紧紧贯彻军民结合，寓军于民的的方针。不论在军事用途中或者在民事用途等方面，自动飞行控制计算机都因其高可靠、性价比高以及简单易操作等一系列优点被广泛地使用。论文在介绍了当今主流大型民用客机A380的飞控系统计算机的基础上，提出了一种双双余度的自动飞行控制计算机架构，并介绍了自动飞行控制计算机架构中的关键技术如同步、在线监控、通道故障逻辑等余度管理内容。阐述了在现代先进军民用飞机中，自动飞行控制计算机作为主飞控计算机的有效补充和备份计算机仍然发挥着不可替代的重要作用。

关键词：计算机架构；自动飞行控制计算机；双双余度；余度管理

一、余度飞控计算机架构分析

在当今运营的最为先进的的民用飞机中，空客公司研发的A380客机与A340的计算机相比结构基本无变化，主飞控计算机系统包括3台主飞控计算机（PRIM）和3台辅飞控计算机（SEC），而与A340最大的不同是主飞控计算机综合了自动飞行控制计算机的自动飞行与导引的功能[1]。无独有偶，波音公司研发的B787飞机也将自动飞行控制计算机与主飞控计算机物理集成，进行一体化设计。该设计满足了计算机系统余度要求，减少了硬件资源、软件控制率的重复开发验证等工作量，是一种新型的先进飞控计算机系统架构设计方法。

刹车控制杆4×2等，该体系构型的特点为可靠度高、软件简单容易实现，缺点为硬件利用率适中。主要应用于自动飞行控制系统计算机中，因此采用双双余度设计比较适宜。

二、双双余度自动飞行控制计算机架构设计

自动飞行控制计算机使用双双计算机硬件架构，具备一次故障工作、二次故障安全的能力，两台计算机采用主/辅方式实现自动飞行系统的控制，每台计算机都采集相同的前端数据进行计算并进行数据输出给作动器系统。自动飞行控制计算机工作遵循以下策略：飞控计算机包含两个计算机节点，为主控计算机（PAFCSC）和辅控计算机（SAFCSC），每个计算机包含两个通道，为命令通道和监控通道（设主控计算机的命令通道为1，监控通道为2；辅控计算机的命令通道为3，监控通道为4。每个节点计算机都有独立的通道

主飞控计算机（三余度）（兼容自动飞行控制功能）侧杆俯仰配平开关飞行控制系统舵面作动器切除逻辑电路，主要完成通道的切除和切换。如果节点内两个通道的监控结果不一致，则该计算机节点被切除，切除逻辑实现通道的自锁和互锁。当两台计算机内均出现永久故障时，切除自动飞行控制系统对飞机的控制。自动飞行控制计算机余度管理是整个设计中的核心内容，主要的模块分为同步、交叉传输、监控表决等。以下就余度管理内容加以说明。

指令单元输入方向舵脚蹬方向舵配平辅飞控计算机（三余度）图1 A380飞控计算机系统结构但随着自动飞行控制系统的功能不断的增强和完善，尤其是低成本类飞机也越来越多的运用到了自动飞行控制计算机，自动飞行系统完成包括飞行指引、自动驾驶、自动油门、边界保护等功能，从机场起飞到航线飞行，以及到目的地机场进场与着陆的全部由自动飞行控制计算机运算输出完成。因此，人们比以往更加关心系统的大脑类部件自动飞行控制计算机对系统的故障安全级别的影响[2]。从这一角度出发，单台两余度自动飞行控制计算机已经不能完全满足飞机安全可靠性要求，需要新的计算机架构来满足系统可靠性、安全性的要求。

AFCSC即自动飞行控制计算机最常见的有三余度设计和双余度设计两种[3]。飞控系统计算机的发展至今，较广泛的有两种被动式容错技术，第一种多数表决策略，典型应用为三余度、四余度计算机；另一种为支路比较监控对计算机，采用松耦合热备份的工作模式，典型的应用为2×2、3×2、

分散单元比较单元输出监控单元图2 双余度自动飞行控制计算机原理图

图3 双双余度自动飞行控制计算机架构图

（下转第58页）

信息系统工程 │ 2018.7.20

55

SYS MANAGEMENT 系统管理

\"TV4\"、“TV6\"按钮设置为绿色，“TV1\"、\"TV3\"、\"TV5\"按钮设置为粉红色，”返回“按钮设置为深蓝色，其余按钮设置为银灰色，背景调整为深蓝色，系统运行后界面如图２所示。

四、结语

当前，随着设备互联互控技术的不断发展，作为关键技术的控制系统研究日趋深入，设备操作使用的智能化、用户界面的个性化、人机互动界面的友好性成为衡量和评价软件质量的重要指标之一，也成为软件开发研究的新热点。本研究采用三端分离技术和Json数据动态交换格式，探讨了同一套软件，不同用户根据个人喜好配置不同的操作界面的方法，为控制系统实现操作界面个性化探索出新的思路。H参考文献

[1]白文涛,刘正捷.用户界面的需求分析与设计原则[J].大连海事大学学报,2004,30,4,11:86-88.

[2]任工昌,王力.工业软件界面设计研究[J].电影评介,2011,39,10:85-86,109.

[3]张萍.人性化软件界面设计的历史和原则[J].包装工程,2011,32,20,10:81-83,87.

（作者单位：王义祥、孙 林、张彦豪，西部战区陆军数据中心；张彦豪，兰州大学计算机学院）

图２　重新设置后的运行界面

（上接第55页）

1.通道故障逻辑电路在飞控计算机中作为硬件电路存在，它能在线监控飞控计算机及余度管理软件的关键运行参数，在通道故障的时候用来切除故障的通道。通道故障逻辑电路通常在飞控计算机中作为硬件电路存在，它能在线监控飞控计算机及余度管理软件的关键运行参数，在通道故障的时候用来切除故障的通道。该模块作为一个独立线程周期运行，能及时检测各种重要运行信号[4]。

2. CCDL即交叉传输为比较两支路计算机各自输出结果的专用电路，若出现结果不一致，则切换为辅控计算机接管自动飞行控制系统，继续完成对系统的调度控制。

3.在线监控是指在系统正常运行中，在线监控程序在后台或者周期运行，对飞控计算机、重要的传感器、开关、作动器进行自检测。对于双双余度飞控计算机监控比较每台飞控计算机通道输入信号的一致性，若监控到输入信号失效则该计算机停止工作，由另一计算机接管任务继续执行其在飞行控制中的作用[5]。

4.计算机节点间同步采用帧同步的方式实现，即设置固定的周期，在给定的周期时间内完成所需的操作和处理。由软件每隔一段时间发一次对准时钟，确保各通道时钟误差最小。在每个计算帧结束的时刻，通道处理机同步一次，并在同步成功之后开始下一周期的处理过程，进行传感器数据的采集，保证了同时采样，保证了数据的一致性。

三、结语

伴随着飞行控制计算机的小型化快速化低成本要求以及整个电传飞控系统一体化的要求，自动飞行控制计算机越来越多的被电传飞控计算机的功能所包括或者兼并。但是考虑到任务需求以及成本等原因，自动飞行控制计算机仍然具有技术成熟、可靠性高等一系列优点。在诸如汽车、高铁、动车等新的一些新的领域诸如汽车、高铁、动车等也可以有开拓与应用。故此自动飞行控制计算机仍然有着广阔的应用前景。H参考文献

[1]田灼. 双机容错热备份系统研究与实现[D]. 哈尔滨理工大学,2003.

[2]韩炜,臧红伟,谢克嘉．四余度容错计算机系统结构及其可靠性分析[J]. 计算机工程与科学,2003,1.

[3]刘小雄. 高空长航时无人机飞行控制计算机系统冗余设计技术研究[D]．西北工业大学,2004,3.

[4]杨飞. 余度飞控计算机的设计和仿真技术研究[D]. 西北工业大学,2007,3.

[5]侯晓梅. 机载余度管理软件设计与开发技术研究[D]. 西北工业大学,2013,3.

(作者单位：中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所)

58信息系统工程 │ 2018.7.20