● 摘要
综合模块化航空电子系统（IMA）的出现解决了由于功能需求增加而导致的系统尺寸、重量、能耗以及通信复杂度增加等问题，克服了联合式体系结构的固有缺陷。随着航空电子综合化理论与方法的发展，以及飞行环境与任务的实际需求的变化，传统的IMA结构正逐步向着先进的分布式综合模块化体系结构（DIMA）发展。然而，即使是先进的DIMA体系结构，由于受制于机体限制，其信息一体化仍存在瓶颈，且开发研制成本高昂，系统更新升级的难度较大。
本文针对未来航空电子网络发展可能遇到的瓶颈，提出了一种基于云的航空电子网络体系结构，并对其可靠性和实时性进行了分析。开发了一种半实物仿真平台，以便于对这种新型航电结构进行研究、设计和配置。具体而言，完成了以下研究工作：
1) 对航空电子体系结构的发展和现状进行了概述，指出当前综合模块化结构所存在的不足。针对分布式综合模块化航空电子资源调度局限于平台内部的不足，本文提出了一种新型综合模块化航空电子的体系架构，即航空电子云。参照商用云计算的服务模型结构，给出了包含基础设施层、系统功能层以及系统综合层的层次化结构，并详细阐述了各层的具体功能。本文以自主飞行这一飞行任务为例，解释了航空电子云工作的具体过程。
2) 针对所提出的航空电子云，考虑其复杂异构的特点及其具体工作流程，简化了航空电子云体系结构，提出了便于进行理论分析的研究案例。在此基础上，创建了与研究案例对应的体系结构设计分析语言（AADL）模型，利用形式化的语言描述了航空电子云的具体结构。通过插入错误模型，使得所搭建的航空电子云模型更贴近航空电子应用需求。按照AADL模型与广义随机Petri网（GSPN）模型的对应关系，将加入错误模型的航空电子云的AADL模型转化为便于理论分析的GSPN模型。借助PIPE2软件对转化得到的GSPN模型的状态可达性进行分析，利用马尔科夫转移概率方法，分析了所建立的航空电子云模型的可靠性。
3) 针对航空电子云研究案例可靠性无法满足航电应用需求的问题，提出在航空电子云中加入备份冗余机制，在备份过程中加入相应的容错机制以进一步提高系统的可靠性。本文在分析了异步容错算法及同步容错机制后，提出了一种能够用于航空电子云的逻辑同步机制，即物理异步/逻辑同步（PALS）。理论分析表明，在满足各节点本地时钟差值有界，网络延迟有界两个假设的前提下，本方法可以为航空电子云建立逻辑同步。由于航空电子云在通信过程中无法保证在每个PALS周期开始时运行同步逻辑，本文对PALS方法进行了适应性改造，通过增加PALS周期，使得兼容性得到了改善。实验分析表明，逻辑同步后的系统可靠性得到进一步的提高。
4) 针对航空电子任务关键性要求，提出一种航空电子云的资源分配方法，即网络分区。我们首先简化了航空电子云的实时性分析模型，并为其建立了相应的网络模型、消息模型、流量模型及调度模型。利用网络演算方法，推导了航空电子混合消息集在网络分区下端到端延迟上界的计算公式。作为对比案例，我们搭建了典型的分布式网络，通过理论计算对比了网络分区与带宽分区的实时性能，并利用仿真手段完成了网络分区实时性的进一步研究和分析。
5) 针对网络分区中航空电子混合消息集边界模糊的问题，通过形式化描述将问题转化为包括实时性约束、带宽约束、缓存约束的最优化问题。提出了基于遗传模拟退火的传输模式配置算法，以系统的消息端到端延迟均衡为优化目标。通过给出两个具体实例对算法有效性进行了验证。相比于传统的遗传算法，本算法能够得到更好的优化结果。
6) 针对航空电子云，设计了一种半实物仿真平台。该平台借助高层体系架构（HLA）技术在 OPNET仿真中接入了实际的光纤通道网络。这一半实物仿真平台实现了航空电子云的环境搭建，为其研究和设计提供了参考。
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