Schemaläggning av avioniksystem

Utvecklingen av framtidens elektroniksystem i flygplan ställer nya krav på hur aktiviteterna i systemet schemaläggs. Storskaligheten hos sådana schemaläggningsproblem gör att de inte går att lösa med standardmässiga optimeringsmetoder.

Avioniksystem

Ett modernt flygplan innehåller mängder av avancerad elektronik i form av sensorer som samlar in information, enheter där information processas, aktuatorer som styr flygplanet och utrustning som presenterar information för piloten. Under flygning sker en ständig uppdatering av denna information, vilket ger upphov till ett komplext flöde av data mellan de olika applikationerna samtidigt som det ställer krav på när aktiviteter ska starta och vara klara. Elektroniken i ett flygplan kallas avionik och flygplansindustrin har på senare år gått mot en standardiserad avionikarkitektur som kallas Integrated Modular Avionics (IMA) där funktionerna delar processor- och kommunikationsresurser.

Pilot framför instrumentpanelen i ett flygplanFör att säkerställa funktionalitet hos avioniksystemet genereras på förhand ett schema för alla aktiviteter och detta omfattar både processorer och kommunikationsnätverk. Schemat för systemet ska skapa en partitionering med avseende på tid som, tillsammans med en rumslig partitionering med avseende på vilken hårdvaruresurs som får användas, tillser att olika funktioner i systemet inte kan störa varandra.

Schemaläggning

Schemaläggningen har en central roll under arbetet med utvecklingen av ett avioniksystem. Typiskt adderas ny funktionalitet till systemet inkrementellt under utvecklingsprojektet som sträcker sig över flera år. Vid varje förändring behöver ett nytt schema beräknas och därigenom avgörs om den utvecklade mjukvarufunktionaliteten kan realiseras med existerande avionikplattform. Av certifieringsskäl är uppgradering av en avionikplattform (hårdvara, operativsystem och andra plattformstjänster) mycket dyrt och det är därför kritiskt både att kunna ha ett högt utnyttjande av plattformsresurserna och att förstå var gränsen går för hur mycket funktionalitet som går att realisera med existerande plattform.

Forskningsfrågeställningar

Detta projekt bedrivs i samarbete med Saab som arbetar med att utveckla avioniksystem och vi har tillsammans identifierat två utmaningar som är viktiga för utvecklingen av framtidens avioniksystem och som inte finns adresserade i tidigare forskning.

Den främsta utmaningen handlar om vilken typ av ansats som lämpar sig för att schemalägga avioniksystem. Den existerande litteraturen kommer i första hand från forskning inom realtidssystem och för storskaliga problem likställs där vanligen optimering med heuristiker. En heuristisk metod kan användas för att, ofta snabbt, ta fram en lösning till ett optimeringsproblem, men det finns typiskt inga garantier på kvalitén hos den lösning som erhålls. Att använda heuristiker för att lösa ett optimeringsproblem är i många fall acceptabelt och i vissa fall att föredra, men så är inte fallet för avioniksystem. Schemaläggning av avioniksystem är i första hand ett tillåtenhetsproblem. Om en optimerande metod misslyckas med schemaläggningen så vet man att det beror på att det inte går att realisera den önskade funktionaliteten med den givna plattformen, och därifrån kan man gå vidare med analyser om varför och vilka förändringar som ska göras. I fallet då en heuristisk metod används för att lösa problemet och den misslyckas med att hitta en lösning så är det högst oklart om det beror på svagheter hos algoritmen eller om det beror på att problemet saknar lösning.

En andra utmaning är relaterad till det ständigt ökande behovet av kommunikation inom ett IMA-system. I dagsläget används ofta ett AFDX-nätverk (Avionics Full Duplex Ethernet), se exempelvis Boeing 787 och Airbus A380.

Schemaläggning under de givna förutsättningarna utmynnar i ett mycket storskaligt diskret optimeringsproblem med hundratals miljoner binära beslutsvariabler; de initiala studier som gjorts bekräftar att det inte är möjligt att lösa problemet med standardmässiga metoder. Vår ansats för att lösa problemet utgår från att en ofta framgångsrik strategi för att angripa storskaliga och komplexa diskreta optimeringsproblem är vad inom optimeringsläran kallas dekompositionsmetoder. Dessa innebär, i princip, att man delar sönder problemet i delproblem som kopplas samman av ett informationsflöde, och att man gör det på ett matematiskt sunt sätt för att säkerställa att det är det ursprungliga problemet man löser.

Organisation

Projektet är finansierat av Centrum för industriell informationsteknologi (CENIIT). Det genomförs i samarbete med Saab, genom Ingemar Söderquist (specialist, elektronikdesign inom avionik) och Mats Ekman (specialist, realtidssytem för flygfarkoster), och i dialog med NFFP/INNOVAIR cluster Avionic Platform Technology.

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Relaterad forskning
Visa/dölj innehåll

Strategisk partner
Visa/dölj innehåll