● 摘要
随着先进航空电子系统进一步发展，其网络多元化、综合化的程度得多进一步的提高，航电系统的复杂性越来越深，各大飞机公司对航电系统的机载数据网络的实时性、可靠性等提出了更为苛刻的要求。以前的三种总线协议都不能满足目前越来越复杂的航空电子系统的这些要求。这些苛刻的要求最终使得航空电子全双工交换式以太网应运而生。机载网络的可靠性很重要的一个组成部分是其数据传输的及时可靠性，需要我们找到方法去度量网络数据传输的及时可靠性; 机载网络中的数据的传输具有随机性，要了解网络的性能，需要我们去分析数据传输时延的集中趋势的测度以及极端情况，即需要我们分析传输时延的均值、分布和上下界; 机载网络中的资源有限，为了在有限资源情况下优化系统的可靠性，需要我们对网络中的参数和资源进行优化配置，优化网络的及时可靠性。
本文围绕以上现存状况，创新的提出了基于离散时间排队论推导得到的AFDX及时可靠性分析和优化模型。针对AFDX网络，分析了其网络中数据在交换机端口的排队特点，确定了网络中端口的排队模型，推导了网络中各节点及时可靠性计算公式，然后在此分析基础上构建了整网性能优化模型，最后利用OPNET工具搭建仿真平台进行了仿真验证。本文的主要贡献如下：
（1）分析了离散信息传输时延在AFDX中传播规律。在分析AFDX中数据的传输以及端口数据排队特点基础上，研究AFDX中离散数据包的到达间隔时间分布、节点服务时间分布特征，抽象端口的数据处理策略，以此为基础构建AFDX数据包在节点上的离散时间排队模型。依据AFDX虚拟链路（Virtual Link，VL）拓扑结构，针对离散信息在AFDX中节点间传输依赖导致的时延传播的现象，分析了AFDX中物理参数配置对节点排队时间的影响以及数据排队后发送过程对后面相关节点排队过程的影响，从而揭示整网的数据传输时延规律；
（2）构建了AFDX网络（整网）时延优化模型。在AFDX中VL排队时延分析模型构建的基础上，依据AFDX中不同VL流量和节点离散流量，赋予不同节点及VL排队重要度，即在考虑AFDX中不同节点排队时延传播对系统时延不同影响程度，计算整网的数据传输时延均值。以系统时延均值为随机优化目标函数，建立以AFDX中不同VL的逻辑带宽为决策变量，以AFDX数据传输协议中规定虚拟链路需要配置的带宽分配间隙（Bandwidth Allocation Gap，BAG）、最大帧长（Maximal Size Length，Lmax）参数配置范围作为约束条件，建立了AFDX系统时延优化模型；
（3）设计了较为高效的算法求解方法。在构建了AFDX整网时延优化模型的基础上，对优化模型中的时延优化目标函数及配置参数构成的约束空间进行凸分析，根据目标函数一阶及二阶差分函数判定其是否满足凸函数判定定理，同时判定约束向量集合是否为凸集，若不满足凸函数判定定理，在满足判定条件的基础上，进一步研究AFDX虚拟路径所配置的逻辑带宽和整网排队时延的函数关系，对目标函数进行凸构造。选取合适的初始点，寻找目标函数在约束空间内的最速下降方向，构建AFDX整网时延凸优化算法并完成优化计算；
4）利用OPNET仿真工具对所提出的时延分析模型进行了仿真验证。收集AFDX工程设计信息，基于优化网络工程工具（Optimization Network Engineering Tool，OPNET）平台建立AFDX时延仿真模型，以AFDX随机任务信息、网络物理特性信息，数据传输配置信息为输入进行仿真计算，将仿真计算得出的AFDX系统时延仿真结果和基于课题理论与方法得出的时延分析结果进行对比分析，迭代计算，找出计算差异产生的原因，修正AFDX系统时延分析模型，验证课题提出理论与方法的正确性和工程适应性。