机载时间敏感网络链路安全关键度均衡调度方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28870

电子电气工程与控制

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机载时间敏感网络链路安全关键度均衡调度方法

赵长啸¹^,²(), 戴骏¹, 董方正¹, 李道俊¹

^1.中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300
^2.民航航空器适航审定技术重点实验室，天津 300300

收稿日期:2023-04-14 修回日期:2023-05-15 接受日期:2023-06-06 出版日期:2023-06-19 发布日期:2023-06-16
通讯作者: 赵长啸 E-mail:cxzhao@cauc.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFB1600601);天津市自然科学基金(21JCQNJC00900);天津市研究生科研创新项目（航空航天专项）(2022SKYZ363);天津市教科委科研计划项目(2019KJ134)

Link safety criticality balanced scheduling for airborne time-sensitive network

Changxiao ZHAO¹^,²(), Jun DAI¹, Fangzheng DONG¹, Daojun LI¹

^1.School of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
^2.Key Laboratory of Civil Aircraft Airworthiness Technology，CAAC，Tianjin 300300，China

Received:2023-04-14 Revised:2023-05-15 Accepted:2023-06-06 Online:2023-06-19 Published:2023-06-16
Contact: Changxiao ZHAO E-mail:cxzhao@cauc.edu.cn
Supported by:
National Key Research and Development Program of China(2021YFB1600601);Natural Science Foundation of Tianjin(21JCQNJC00900);Tianjin Graduate Research Innovation Project （Aerospace Special）(2022SKYZ363);the Scientific Research Project of Tianjin Educational Committee(2019KJ134)

摘要/Abstract

摘要：

针对机载时间敏感网络中多数据混传可能导致的风险汇集问题，综合考虑机载网络中数据传输的的实时性与安全性需求，提出了一种链路安全关键度均衡的调度方法。基于专家评价与熵权法完成系统任务安全关键度量化，通过任务映射表征链路安全关键度，构建机载TSN链路安全关键度均衡的调度模型；基于配合约束规划的方法构建了链路安全关键度均衡调度方法（LSCB），LSCB调度方法对链路安全关键度的均衡作用与LB方法和SP方法相比，在任务数为50的场景中分别提升了7.1%和25%，在任务数为100的场景中分别提升了17%和18%。研究结果表明LSCB在保证任务传输延迟上界的基础上，可有效缓解风险汇集。

关键词: 航空电子, 机载网络, 时间敏感网络, 任务调度, 分布式综合化航电系统, 适航

Abstract:

To overcome the risk aggregation problem caused by multi-data mixed transmission in the airborne time-sensitive network， a scheduling method for balancing link safety criticality is proposed considering the requirements for real-timeliness and security of data transmission in the airborne time-sensitive network. The task safety criticality of the system is quantified based on expert evaluation and the entropy weight method. Task mapping is used to characterize the link safety criticality， and a scheduling model of the on-board TSN link safety criticality is constructed. A Link Safety Criticality Balancing （LSCB） scheduling method is constructed based on cooperative constraint programming. Compared with the Load Balancing （LB） and Strict Priority （SP） algorithms， the LSCB scheduling method can improve the link safety criticality balancing effect by 7.1% and 25% respectively in the scenario with 50 tasks， and by 17% and 18% respectively in the scenario with 100 tasks. The results show that the proposed LSCB can effectively mitigate risk pooling on the basis of ensuring the upper bound of task transmission delay.

Key words: avionics, airborne network, time-sensitive network, task scheduling, distributed integrated avionics system, airworthiness

中图分类号:

V243

赵长啸, 戴骏, 董方正, 李道俊. 机载时间敏感网络链路安全关键度均衡调度方法[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 328870-328870.

Changxiao ZHAO, Jun DAI, Fangzheng DONG, Daojun LI. Link safety criticality balanced scheduling for airborne time-sensitive network[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(6): 328870-328870.

图/表 10

图 1

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图 3

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表 1

表 2

表 3

图5

图 6

表 4

参考文献 43

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

功能	专家打分均值			三方面权值（熵权法）			功能安全关键度	对应端系统
功能	A	B	C	A	B	C	功能安全关键度	对应端系统
客舱功能	1.2	0.4	2.2	0.30	0.21	0.49	1.5	22、24
空气管理功能	9.2	6.5	8.6				8.3	23、25、26、27
飞行控制及通信告警	9.0	9.7	3.1				6.2	14、16
数据链功能	6.9	8.1	2.3				4.9	15、17
电气系统	3.4	7.2	2.2				3.6	10、12
燃油管理	4.5	8.1	2.7				4.4	18、20
起落架装置	6.2	8.9	0.6				4.0	11、13、19、21

安全关键等级	量化值范围
特高	7.6~10.0
高	5.1~7.5
中	2.6~5.0
低	0.1~2.5

专家	客舱功能			空气管理功能			飞行控制及通信告警			数据链功能			电气系统			燃油管理			起落架装置
专家	A	B	C	A	B	C	A	B	C	A	B	C	A	B	C	A	B	C	A	B	C
1	1.5	0.5	2.0	9.0	6.0	8.0	9.0	9.8	3.5	6.8	7.8	2.3	2.6	7.5	2.3	4.5	7.9	2.6	5.8	8.4	0.5
2	1.2	0.3	2.3	9.5	5.8	9.0	8.8	9.8	2.3	7.0	8.0	2.0	4.0	7.0	2.2	4.2	8.2	2.7	6.1	9.0	0.8
3	1.0	0.5	2.1	8.9	7.0	8.7	8.9	9.9	2.5	6.7	8.3	2.5	3.6	7.2	2.1	4.3	8.3	2.8	6.8	9.2	0.9
4	1.2	0.3	2.3	9.5	6.7	8.6	9.3	9.3	4.0	6.9	8.2	2.5	3.6	7.2	2.2	4.8	8.0	2.6	6.0	9.1	0.3
5	1.2	0.2	2.5	9.3	7.0	8.7	9.0	9.5	3.0	6.9	8.2	2.3	3.3	7.1	2.1	4.5	8.1	2.8	6.5	8.8	0.5

调度方法	任务数50				任务数100
	LSC		时延/μs		LSC		时延/μs
	方差	最大值	均值	最大值	方差	最大值	均值	最大值
LSCB	130 569.7	1 335.2	16.04	44	297 329.5	1 953.1	32.68	65
LB	140 496.2	1 459.7	16.04	44	361 079.3	2 008.6	31.09	65
SP	174 546.2	1 368.1	16.01	44	363 046.1	2 059.0	29.42	60

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机载时间敏感网络链路安全关键度均衡调度方法

Link safety criticality balanced scheduling for airborne time-sensitive network

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