本發(fā)明屬于航空無人機飛行控制計算機可靠性領(lǐng)域，具體涉及一種飛行控制計算機的可靠性驗證方法及平臺。

技術(shù)背景

飛行控制計算機是飛機的核心部件，由于運行環(huán)境惡劣，它對安全性和可靠性有著較高的要求。與此同時，飛行控制計算機的開發(fā)過程具有開發(fā)周期長，開發(fā)難度大的特點。在開發(fā)過程中,若設(shè)計不能滿足可靠性的需求，后期進(jìn)行優(yōu)化或修改將耗費巨大的成本和精力。

飛行控制計算機性能的好壞主要依賴于系統(tǒng)多個層次的容錯機制的設(shè)計，在可靠性評測中，最重要的評測內(nèi)容是對容錯機制的可靠性驗證測試。目前，在飛行控制計算機可靠性分析領(lǐng)域上，常用的研究方法有測試法，模型分析法，故障注入法。其中，故障注入法是一種加速系統(tǒng)故障來分析系統(tǒng)可靠性的方法，相比于測試法以及解析模型分析方法，故障注入法是一種更為有效的評價系統(tǒng)可靠性的方法。常用的故障注入方法有硬件故障注入方法，軟件故障注入方法，仿真故障注入方法。硬件故障注入法是使用物理手段將故障注入到目標(biāo)系統(tǒng)硬件中，但這種方法試驗裝置昂貴，容易損毀目標(biāo)系統(tǒng)。軟件故障注入法則通過修改目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)存單元或處理器內(nèi)部寄存器值來模擬硬件故障但會對目標(biāo)系統(tǒng)的運行環(huán)境，占用空間等造成影響。仿真故障注入的方法則通常為使用硬件描述語言建立硬件仿真模型，在內(nèi)部實現(xiàn)故障注入單元來實現(xiàn)故障注入，但受限于故障模型，對于復(fù)雜系統(tǒng)實現(xiàn)困難。

考慮到現(xiàn)有的可靠性分析方法的不足，基于虛擬平臺的可靠性分析法開始得到重視。虛擬飛行控制計算機是一種使用虛擬機技術(shù)來模擬飛行控制計算機系統(tǒng)設(shè)備和環(huán)境的一種全數(shù)字仿真平臺，通過對飛行控制計算機硬件物理結(jié)構(gòu)的模擬及應(yīng)用軟件提供一種與真實硬件環(huán)境相同的工作環(huán)境。在此平臺上能完成飛行控制計算機所需要進(jìn)行的各種測試和試驗。

基于虛擬飛行控制計算機可靠性分析法克服了軟硬件故障注入的所有不足，可以在不同的抽象層次上進(jìn)行仿真，允許不同的故障模式?？梢砸苑侨肭质降姆椒▽崿F(xiàn)故障注入，從目標(biāo)系統(tǒng)的角度來說，故障的發(fā)生具有即時性，透明性的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)和故障注入機制的可觀測，可控性?；谔摂M飛行控制計算機的可靠性分析方法適用于飛行控制計算機開發(fā)的各個階段。但現(xiàn)有的基于虛擬飛行控制計算機可靠性分析方法僅僅停留在故障注入，結(jié)果查詢的狀態(tài)，并未實現(xiàn)對系統(tǒng)整體可靠性的分析。

因此，現(xiàn)有技術(shù)缺乏一種利用虛擬飛行控制計算機平臺實現(xiàn)飛行控制計算機可靠性的有效分析方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種對飛行控制計算機進(jìn)行可靠性有效分析的飛行控制計算機可靠性驗證方法及平臺。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，一種飛行控制計算機系統(tǒng)的可靠性驗證方法，包括如下步驟：

一、模型的建立：

運用模擬器模擬搭建多個虛擬飛行控制計算機，虛擬飛行控制計算機與需要驗證可靠性的真實飛行控制計算機各硬件一致，虛擬飛行控制計算機還包括通道故障邏輯模塊和通信模塊，飛行控制計算機的功能模塊上包括故障注入單元、監(jiān)控單元；

二、故障注入平臺可靠性分析：

建立對應(yīng)數(shù)據(jù)組中故障所有組合形式的失效概率分布模型并保存至數(shù)據(jù)庫，故障注入可靠性分析平臺執(zhí)行參數(shù)初始化，與虛擬飛行控制計算機建立網(wǎng)絡(luò)連接；

步驟1)控制模塊發(fā)送復(fù)位信號至虛擬飛行控制計算機，計算機接收復(fù)位信號后執(zhí)行軟硬件復(fù)位；

步驟2)控制模塊對數(shù)據(jù)組中的故障進(jìn)行組合，形成故障注入單元所要注入的組合故障，故障注入模塊生成故障注入指令發(fā)送至故障注入單元，故障注入單元根據(jù)指令對虛擬飛行控制計算機進(jìn)行組合故障注入，組合故障注入持續(xù)到所有監(jiān)控單元監(jiān)控組合故障注入成功，通道故障邏輯模塊將飛行控制計算機所有功能模塊及飛行計算機整體的故障狀態(tài)發(fā)送至狀態(tài)監(jiān)控模塊，組合故障注入完成之后，以組合故障、產(chǎn)生的飛行控制計算機功能模塊失效和飛行控制計算機整體失效為一組數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中；

步驟3)若所有組合形式的組合故障注入完畢則轉(zhuǎn)至步驟4)，否則轉(zhuǎn)至步驟1)；

步驟4)可靠性分析模塊建立各飛行控制計算機故障樹，以組合故障作為基本事件，飛行控制計算機產(chǎn)生的功能模塊失效為頂事件，建立功能模塊失效故障樹并得到其邏輯表達(dá)式；以組合故障作為基本事件，飛行控制計算機失效為頂事件，建立飛行控制計算機失效故障樹并得到其邏輯表達(dá)式；

步驟5)可靠性分析模塊將數(shù)據(jù)庫中組合故障的失效概率分布模型帶入功能模塊失效故障樹的邏輯表達(dá)式中，得到各功能模塊失效的概率分布模型；將組合故障的失效概率分布模型帶入飛行控制計算機失效故障樹的邏輯表達(dá)式，得到各飛行控制計算機失效的概率分布模型；將各飛行控制計算機失效的概率分布模型相乘，得到整個飛行控制系統(tǒng)失效的概率分布模型；各模塊及計算機失效概率分布模型驗證完畢，飛行控制計算機可靠性分析完成。

在模型的建立中，采用多個多核計算機運行模擬器實現(xiàn)多個虛擬飛行控制計算機分布式搭建，可有效提高系統(tǒng)實時性。

實現(xiàn)上述基于虛擬飛行控制計算機系統(tǒng)的可靠性驗證方法的系統(tǒng)包括：

與真實飛行控制計算機各硬件完全一致的多余度虛擬飛行控制計算機，虛擬飛行控制計算機還包括通道故障邏輯模塊、通信模塊1，虛擬飛行控制計算機的功能模塊上包括故障注入單元、監(jiān)控單元；

通道故障邏輯模塊，用于監(jiān)控虛擬飛行控制計算機以及各功能模塊的故障狀態(tài)，并將故障狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送；

通信模塊1，用于虛擬飛行控制計算機和故障注入可靠性分析平臺的通信；

故障注入單元，用于根據(jù)故障注入指令實現(xiàn)故障的注入；

監(jiān)控單元，用于監(jiān)控故障注入是否成功；

故障注入可靠性分析平臺，包括故障注入模塊，狀態(tài)監(jiān)控模塊，可靠性分析模塊，控制模塊，通信模塊2：

故障注入模塊，用于生成故障注入指令并發(fā)送；

狀態(tài)監(jiān)控模塊，用于接收虛擬飛行控制計算機以及各功能模塊的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，并記錄注入故障及故障狀態(tài)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中；

可靠性分析模塊，用于根據(jù)注入故障及故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立功能模塊失效故障樹及飛行控制計算機失效故障樹；根據(jù)組合故障的概率分布模型計算各功能模塊、飛行控制計算機以及整個飛行控制系統(tǒng)的失效概率模型；

控制模塊，用于各模塊運行的邏輯控制，組合故障的形成；

通信模塊2，實現(xiàn)虛擬飛行控制計算機和故障注入可靠性分析平臺的通信。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明結(jié)合虛擬飛行控制計算機系統(tǒng)實現(xiàn)了一種能在虛擬平臺上對飛行控制計算機進(jìn)行可靠性分析的方法。本發(fā)明借助虛擬平臺的特點使用全面故障注入的方式，得到系統(tǒng)故障樹。通過故障樹底事件的概率分布模型，得到系統(tǒng)以及各個功能模塊失效的概率及分布模型，即得到虛擬飛行控制計算機各功能模塊以及整體的可靠性，實現(xiàn)對飛行控制計算機可靠性的有效分析。

附圖說明

圖1是單個飛行控制計算機結(jié)構(gòu)圖；

圖2是故障注入可靠性分析平臺結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本專利提供的飛行控制計算機可靠性驗證平臺整體結(jié)構(gòu)圖；

圖4是本專利提供的飛行控制計算機可靠性驗證方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明：

實施例1

本實施例提供的飛行控制計算機可靠性驗證方法，包括如下步驟：

一、模型的建立

利用qemu模擬器進(jìn)行真實飛行計算機的模擬搭建，搭建過程中飛行控制計算機的各功能模塊以單獨線程方式實現(xiàn)，各飛行計算機之間采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)dds中間件的方法進(jìn)行通信；

虛擬飛行控制計算機還包括故障注入模塊和通信模塊，飛行控制計算機功能模塊還包括故障注入單元，監(jiān)控單元；飛行控制計算機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示；

二、故障注入平臺可靠性分析：

建立與數(shù)據(jù)組中故障的所有組合形式所對應(yīng)的失效模型并保存至數(shù)據(jù)庫，故障注入可靠性分析平臺執(zhí)行參數(shù)初始化，與虛擬飛行控制計算機建立網(wǎng)絡(luò)連接；虛擬飛行控制計算機與故障注入可靠性平臺采用socket機制進(jìn)行通信，通信協(xié)議為tcp；

步驟1)控制模塊發(fā)送復(fù)位信號至虛擬飛行控制計算機，計算機接收復(fù)位信號后執(zhí)行軟硬件復(fù)位；

步驟2)故障注入模塊發(fā)送故障注入指令至故障注入單元，故障注入單元根據(jù)指令對虛擬飛行控制計算機進(jìn)行故障注入，故障注入持續(xù)到所有監(jiān)控單元監(jiān)控故障注入成功，監(jiān)控單元通過調(diào)用模擬器所提供的api實現(xiàn)對所有寄存器的讀取，實現(xiàn)對飛行控制計算機功能模塊狀態(tài)的實時獲取；通道故障邏輯模塊將飛行控制計算機所有功能模塊及飛行計算機整體的故障狀態(tài)發(fā)送至狀態(tài)監(jiān)控模塊，組合故障注入完成之后，以組合故障、產(chǎn)生的飛行控制計算機功能模塊失效和飛行控制計算機整體失效為一組數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中；

步驟3)所有組合形式的組合故障注入完畢則轉(zhuǎn)至步驟4)，否則轉(zhuǎn)至步驟1)；

步驟4)可靠性分析模塊建立各飛行控制計算機故障樹，以注入的組合故障作為基本事件，飛行控制計算機產(chǎn)生的功能模塊失效為頂事件，建立功能模塊失效故障樹并得到其邏輯表達(dá)式；以注入的組合故障作為基本事件，飛行控制計算機失效為頂事件，建立飛行控制計算機失效故障樹并得到其邏輯表達(dá)式；

步驟5)將數(shù)據(jù)庫中基本事件的失效概率分布模型帶入功能模塊失效故障樹的邏輯表達(dá)式中，得到各功能模塊失效的概率分布模型；將數(shù)據(jù)庫中基本事件的失效概率分布模型帶入飛行控制計算機失效故障樹的邏輯表達(dá)式，得到各飛行控制計算機失效的概率分布模型；將各飛行控制計算機失效的概率分布模型相乘，得到整個飛行控制系統(tǒng)失效的概率分布模型；各模塊及計算機失效概率分布模型驗證完畢，虛擬飛行控制計算機可靠性分析完成。

實現(xiàn)實施例1的飛行控制計算機可靠性驗證方法的平臺，包括：

與真實飛行控制計算機各硬件完全一致的多余度虛擬飛行控制計算機，虛擬飛行控制計算機還包括通道故障邏輯模塊、通信模塊1，虛擬飛行控制計算機的功能模塊上包括故障注入單元、監(jiān)控單元；

通道故障邏輯模塊，用于監(jiān)控虛擬飛行控制計算機以及各功能模塊的故障狀態(tài)，并將故障狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送；

通信模塊1，用于虛擬飛行控制計算機和故障注入可靠性分析平臺的通信；

故障注入單元，用于根據(jù)故障注入指令實現(xiàn)故障的注入；

監(jiān)控單元，用于監(jiān)控故障注入是否成功；

故障注入可靠性分析平臺，包括故障注入模塊，狀態(tài)監(jiān)控模塊，可靠性分析模塊，控制模塊，通信模塊2：

故障注入模塊，用于生成故障注入指令并發(fā)送；

狀態(tài)監(jiān)控模塊，用于接收虛擬飛行控制計算機以及各功能模塊的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，并記錄注入故障及故障狀態(tài)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中；

可靠性分析模塊，用于根據(jù)注入故障及故障狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立功能模塊失效故障樹及飛行控制計算機失效故障樹；根據(jù)基本事件的概率分布模型計算各功能模塊、飛行控制計算機以及整個飛行控制系統(tǒng)的失效概率模型；

控制模塊，用于各模塊運行的邏輯控制及組合故障的形成；

通信模塊2，實現(xiàn)虛擬飛行控制計算機和故障注入可靠性分析平臺的通信。