基于新型网络分布式架构的飞控系统故障容错方法

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32525

先进飞行器安全控制技术专刊

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基于新型网络分布式架构的飞控系统故障容错方法

崔玉伟¹(), 孟宪锋², 张思程², 李爱军¹

^1.西北工业大学自动化学院，西安 710072
^2.中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，西安 710065

收稿日期:2025-07-07 修回日期:2025-07-21 接受日期:2025-09-05 出版日期:2026-05-15 发布日期:2025-09-18
通讯作者: 崔玉伟 E-mail:cuiyuwei0505@163.com
基金资助:
航空科学基金(202200007004001)

A fault-tolerant method for flight control system based on new network distributed architecture

Yuwei CUI¹(), Xianfeng MENG², Sicheng ZHANG², Aijun LI¹

^1.School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute，Xi’an 710065，China

Received:2025-07-07 Revised:2025-07-21 Accepted:2025-09-05 Online:2026-05-15 Published:2025-09-18
Contact: Yuwei CUI E-mail:cuiyuwei0505@163.com
Supported by:
Aeronautical Science Foundation of China(202200007004001)

摘要/Abstract

摘要：

飞行控制系统是飞行器的关键组成部分，承担飞行姿态稳定、轨迹控制、故障处理等核心功能。然而，集中式飞控系统受计算资源、通信能力的约束，难以满足现代飞控系统高度综合化、智能化的诉求，分布式飞控系统存在总线控制节点单点失效问题。为解决上述问题，提出基于时间触发以太网（TTE）网络的高容错分布式飞控系统架构，并就该架构对故障诊断与容错问题进行研究。基于有向无环图（DAG）对分布式系统的任务调度问题进行建模，实现机载计算机集合对复杂飞行控制与管理任务的容错调度。构建基于网络协议的分布式半物理验证环境，针对网络分布式系统架构的容错运行情况开展验证。结果表明，提出的网络分布式结构及其系统容错运行算法能在适应未来新型飞控系统信息交互需求下带来容错运行能力的提升，实现以信息容错为基础、以功能容错为核心的容错运行。

关键词: 分布式架构, 故障容错, 飞控系统, 有向无环图（DAG）, TTE网络, EFT算法, PB算法

Abstract:

The flight control system is a critical component of aircraft， responsible for core functions such as attitude stabilization， trajectory control， and fault disposal. However， centralized flight control systems are constrained by computational resources and communication capabilities， making it difficult to meet the demands for high integration and intelligence in modern flight control systems. Meanwhile， distributed flight control systems suffer from single-point faults in bus control nodes. To address these issues， a highly fault-tolerant distributed flight control system architecture based on Time-Triggered Ethernet （TTE） networks is proposed， and fault diagnosis and fault tolerance within this framework are investigated. A task scheduling model for the distributed system is modeled using a Directed Acyclic Graph （DAG）， enabling the onboard computer cluster to perform fault-tolerant scheduling of complex flight control and management tasks. Furthermore， a distributed semi-physical verification environment based on network protocols is constructed to validate the fault-tolerant operation of the networked distributed system architecture.Results demonstrate that the proposed networked distributed architecture and its system fault-tolerant operation algorithms enhance fault-tolerant capabilities while adapting to future information exchange demands of advanced flight control systems， achieving fault-tolerant operation with information-level fault tolerance as the foundation and function-level fault tolerance as the core， achieving fault-tolerant operation with information-level fault tolerance as the foundation and function-level fault tolerance as the core.

Key words: distributed architecture, fault-tolerant, flight control system, Directed Acyclic Graph （DAG）, TTE network, EFT algorithm, PB algorithm

中图分类号:

V249

崔玉伟, 孟宪锋, 张思程, 李爱军. 基于新型网络分布式架构的飞控系统故障容错方法[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 532525.

Yuwei CUI, Xianfeng MENG, Sicheng ZHANG, Aijun LI. A fault-tolerant method for flight control system based on new network distributed architecture[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(9): 532525.

图/表 17

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参考文献 27

[1]	杨朝旭，杨林，万天才，等. 基于分布式系统构架的飞控系统容错设计研究［J］. 航空工程进展， 2024， 15（6）： 209-215.
	YANG Z X， YANG L， WAN T C， et al. Study the fault-tolerant design of flight control system based on distributed systems architecture［J］. Advances in Aeronautical Science and Engineering， 2024， 15（6）： 209-215 （in Chinese）.
[2]	杨绚，魏小勇，崔德龙. 舰载机飞行控制系统总线接口策略［J］. 航空学报， 2019， 40（4）： 622283.
	YANG X， WEI X Y， CUI D L. Bus interface strategy in flight control system for carrier-based aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（4）： 622283 （in Chinese）.
[3]	杨卫平. 新一代飞行器导航制导与控制技术发展趋势［J］. 航空学报， 2024， 45（5）： 529720.
	YANG W P. Development trend of navigation guidance and control technology for new generation aircraft［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（5）： 529720 （in Chinese）.
[4]	王璐，王岩. 基于时间触发的分布式飞行控制系统架构研究［J］. 飞机设计， 2020， 40（3）： 6-8.
	WANG L， WANG Y. Research on time-triggered distributed flight control system architecture［J］. Aircraft Design， 2020， 40（3）： 6-8 （in Chinese）.
[5]	王兴坚，杨新宇，王少萍. 大型民机操纵系统容错控制技术综述［J］. 机械工程学报， 2024， 60（4）： 50-65.
	WANG X J， YANG X Y， WANG S P. Review of fault-tolerant control for flight control system［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2024， 60（4）： 50-65 （in Chinese）.
[6]	张晓龙，李荣，阎高伟，等. 小型无人直升机故障估计与容错控制［J］. 航空学报， 2024， 45（S1）： 730802.
	ZHANG X L， LI R， YAN G W， et al. Fault estimation and fault tolerant control for small unmanned helicopters［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（S1）： 730802 （in Chinese）.
[7]	周大鹏，富佳伟，杨大鹏. 高超声速飞行器主被动复合一体化容错控制方法［J］. 中国科学：信息科学， 2024， 54（10）： 2295-2307.
	ZHOU D P， FU J W， YANG D P. Fault-tolerant control method for airbreathing hypersonic vehicles based on an active-passive composite approach［J］. Scientia Sinica （Informationis）， 2024， 54（10）： 2295-2307 （in Chinese）.
[8]	吴豪，郑永贵，刘猛，等. 飞机环控系统发动机动态引气地面试验设备总体设计方法［J］. 北京航空航天大学学报， 2025， 51（2）： 573-583.
	WU H， ZHENG Y G， LIU M， et al. Overall design method of ground test equipment for engine dynamic air bleed of aircraft environmental control system［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2025， 51（2）： 573-583 （in Chinese）.
[9]	王勇. 特征模型分散式自适应姿态控制在高超声速飞行器中的应用［J］. 宇航学报， 2012， 33（10）： 1413-1422.
	WANG Y. Application of characteristic model based decentralized adaptive attitude control in the hypersonic vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2012， 33（10）： 1413-1422 （in Chinese）.
[10]	管庭筠，张睿，刘程. 典型民机电传飞控系统架构分析［J］. 机电信息， 2024（19）： 75-80.
	GUAN T Y， ZHANG R， LIU C. Architecture analysis of typical civil electromechanical flight control system［J］. Mechanical and Electrical Information， 2024（19）： 75-80 （in Chinese）.
[11]	刘念，周炎，祖家奎. 小型无人直升机分布式飞控系统的设计与实现［J］. 电子测量技术， 2019， 42（10）： 120-125.
	LIU N， ZHOU Y， ZU J K. Design and implementation of distributed flight control system for small unmanned helicopter［J］. Electronic Measurement Technology， 2019， 42（10）： 120-125 （in Chinese）.
[12]	周建平，温求遒，阮聪. 分布式架构的飞行器集群协同仿真系统设计［J］. 战术导弹技术， 2021（3）： 75-82.
	ZHOU J P， WEN Q Q， RUAN C. Design of aircraft cluster collaborative simulation system based on distributed architecture［J］. Tactical Missile Technology， 2021（3）： 75-82 （in Chinese）.
[13]	许聪，张磊，凌震. TTE在运载火箭控制系统中的应用［J］. 航天控制， 2017， 35（1）： 86-91.
	XU C， ZHANG L， LING Z. The application of TTE in the control system of launch vehicle［J］. Aerospace Control， 2017， 35（1）： 86-91 （in Chinese）.
[14]	WANG Y C， WANG Q， WU C B， et al. BLO： A backtracking based layout optimization method for time-triggered Ethernet topology reconstruction［C］∥Technology-Inspired Smart Learning for Future Education. Singapore： Springer， 2020： 99-112.
[15]	ABUTEIR M， OBERMAISSER R. Simulation environment for time-triggered Ethernet［C］∥ 2013 11th IEEE International Conference on Industrial Informatics （INDIN）. Piscataway： IEEE Press， 2013： 642-648.
[16]	李文江，赵利霞，张文，等. 一种新型时间触发航电系统数据调度算法研究［J］. 载人航天， 2020， 26（5）： 598-605.
	LI W J， ZHAO L X， ZHANG W， et al. Research on a novel time-triggered avionics data scheduling algorithm［J］. Manned Spaceflight， 2020， 26（5）： 598-605 （in Chinese）.
[17]	兰杰，朱晓飞，陈亚，等. 时间触发以太网标准研究［J］. 航空标准化与质量， 2013（5）： 24-27， 56.
	LAN J， ZHU X F， CHEN Y， et al. Research on time-triggered Ethernet standard［J］. Aeronautic Standardization Quality， 2013（5）： 24-27， 56 （in Chinese）.
[18]	闫萍萍，李晖，陈银超，等. 基于时间触发的机载统一网络协议一致性测试技术［J］. 电子科技， 2025， 38（1）： 14-22.
	YAN P P， LI H， CHEN Y C， et al. An airborne unified network protocol conformance testing technique based on time trigger［J］. Electronic Science and Technology， 2025， 38（1）： 14-22 （in Chinese）.
[19]	INUNGANBI S C， TAMILSELVI M， MANIMARAN B. Handwritten character recognition using directed acyclic graph［C］∥ 2023 Eighth International Conference on Science Technology Engineering and Mathematics （ICONSTEM）. Piscataway： IEEE Press， 2023： 1-10.
[20]	杨定坤. 高可信的小型无人直升机机载软件建模、分析和验证［D］. 上海：上海交通大学， 2014.
	YANG D K. Modeling， analysis and verification of highly credible airborne software for small unmanned helicopter［D］. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2014 （in Chinese）.
[21]	焦一鸣，周川，郭健，等. 异构计算环境下一种新型的多DAG任务调度算法［J］. 计算机工程， 2019， 45（7）： 1-5.
	JIAO Y M， ZHOU C， GUO J， et al. A new multiple DAG task scheduling algorithm in heterogeneous computing environment［J］. Computer Engineering， 2019， 45（7）： 1-5 （in Chinese）.
[22]	汤峰. 面向无人机信息物理系统的资源调度关键技术研究［D］. 广州：华南理工大学， 2017.
	TANG F. Research on key technologies of resource scheduling for UAV cyber-physical systems［D］. Guangzhou： South China University of Technology， 2017 （in Chinese）.
[23]	李晓剑. 异构多处理器上DAG任务调度算法研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2024.
	LI X J. Research on DAG task scheduling algorithm on heterogeneous multiprocessors［D］. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2024 （in Chinese）.
[24]	LIU Y， LIU J， ZHU Z Q， et al. Adaptive fault-tolerant scheduling in heterogeneous real-time systems［C］∥ 2019 14th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications （ICIEA）. Piscataway： IEEE Press， 2019： 982-987.
[25]	BITTENCOURT L F， SAKELLARIOU R， MADEIRA E R M. DAG scheduling using a lookahead variant of the heterogeneous earliest finish time algorithm［C］∥ 2010 18th Euromicro Conference on Parallel， Distributed and Network-based Processing. Piscataway： IEEE Press， 2010： 27-34.
[26]	GUO P Z， XUE Z. Improved task partition based fault-tolerant rate-monotonic scheduling algorithm［C］∥ 2016 International Conference on Security of Smart Cities， Industrial Control System and Communications （SSIC）. Piscataway： IEEE Press， 2016： 1-5.
[27]	SAMAL A K， MALL R， TRIPATHY C. Fault tolerant scheduling of hard real-time tasks on multiprocessor system using a hybrid genetic algorithm［J］. Swarm and Evolutionary Computation， 2014， 14： 92-105.

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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

序号	任务名称	计算开销/μs
序号	任务名称	p₁	p₂	p₃	p₄
1	虚拟入口任务	0.1	0.1	0.1	0.1
2	模拟传感器信号采集	432	432	432	432
3	离散开关信号采集	72	72	72	72
4	舵机1信号接收	72	72	72	72
5	舵机2信号接收	72	72	72	72
6	舵机3信号接收	72	72	72	72
7	大气数据传感器（总线1）信号采集	320	320	320	320
8	惯性测量组件（总线2）信号采集	253	253	253	253
9	模拟/离散输入信号表决	1 231	1 231	1 231	1 231
10	舵机信号表决	461	461	461	461
11	大气数据传感器（总线1）信号表决监控	809	809	809	809
12	惯性测量组件（总线2）信号表决监控	405	405	405	405
13	控制律计算	2 676	2 676	2 676	2 676
14	舵机控制指令信号输出	470	470	470	470
15	舵机控制指令信号监控	171	171	171	171
16	模拟/离散输入信号监控	456	456	456	456
17	计算机监控与管理	117	117	117	117
18	虚拟出口任务	0.1	0.1	0.1	0.1

任务	通信开销/μs
任务	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	0	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0	0	0	0	0	0	0	768	0	0	0	0	0	0	768	0	0
3	0	0	0	0	0	0	0	0	128	0	0	0	0	0	0	0	0	0
4	0	0	0	0	0	0	0	0	0	128	0	0	0	0	0	0	0	0
5	0	0	0	0	0	0	0	0	0	128	0	0	0	0	0	0	0	0
6	0	0	0	0	0	0	0	0	0	128	0	0	0	0	0	0	0	0
7	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	384	0	0	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	512	0	0	0	0	0	0
9	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	224	0	0	0	0	0
10	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1
11	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	96	0	0	0	0	0
12	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	128	0	0	0	0	0
13	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	96	96	0	0	0
14	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1
15	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	16	0
16	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1
17	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0.1
18	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

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A fault-tolerant method for flight control system based on new network distributed architecture

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[1]	荘露, 陆中, 宋海靖, 董力, 吴雨婷, 周伽. 基于故障注入模型的电传飞控系统安全性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 327329-327329.
[2]	刘海港, 刘亮, 王鹏, 周维. 基于模型的多电飞机能源优化特性仿真分析[J]. 航空学报, 2021, 42(8): 525801-525801.
[3]	杨绚, 魏小勇, 崔德龙. 舰载机飞行控制系统总线接口策略[J]. 航空学报, 2019, 40(4): 622283-622283.
[4]	王新华, 甄子洋, 龚华军, 杨一栋. 故障容错光交叉通道数据链路的可靠性[J]. 航空学报, 2011, 32(8): 1524-1530.
[5]	陈云霞;段朝阳. 飞控系统最坏情况分析方法研究[J]. 航空学报, 2005, 26(5): 647-651.
[6]	张兰红;胡育文;黄文新. 采用瞬时转矩控制策略的异步发电系统的容错研究[J]. 航空学报, 2005, 26(5): 567-573.
[7]	陈宗基;黄浩东;秦旭东. 飞行控制系统虚拟原型技术[J]. 航空学报, 2002, 23(5): 441-447.
[8]	王少萍;李沛琼;裴英. 飞控系统功能重构技术研究[J]. 航空学报, 1998, 19(S1): 113-115.
[9]	吴斌;程鹏. 多变量飞控系统的稳定裕度分析[J]. 航空学报, 1998, 19(6): 18-22.
[10]	吴方向;史忠科;戴冠中. 飞控系统的模糊模型及其研究[J]. 航空学报, 1997, 18(5): 595-598.