CC BY
8
Data processíng facílítíes and systems
Алина Александровна Зайцева Alina A. Zaytseva
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия
Евгений Александрович Лихачев Evgeny A. Likhachev
старший преподаватель кафедры
«Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и ннфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия
Николай Олегович Дудаев Ш^Ыу О. Dudaev
студент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал, Кумертау, Россия
Константин Викторович Щербаков Konstantin V. Shcherbakov
студент кафедры «Электронная инженерия» факультета авионики, энергетики и инфокоммуникаций, Уфимский государственный авиационный технический университет, филиал, Кумертау, Россия
УДК 629.7 DOI: 10.17122/1999-5458-2021-17-3-4-72-81
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВЕРТОЛЕТА
Актуальность
Бортовые вычислительные комплексы (БВК) современных летательных аппаратов (ЛА) имеют системно-ориентированную децентрализованную структурную организацию. Децентрализованный принцип предусматривает, что БВК строится в виде определенной совокупности подсистем, между которыми осуществлено функциональное распределение задач. При этом каждая из специализированных подсистем выполняет свою функциональную задачу, обмениваясь при необходимости информа-
цией с другими подсистемами по соответствующим каналам передачи информации. Однако по мере усложнения функциональных задач и увеличения их количества децентрализованный принцип построения бортовых систем в значительной степени исчерпал свои возможности. В первую очередь, это касается таких перспективных разработок, как проект создания высокоскоростного вертолета. Реализация концепции перспективного скоростного вертолета требует разработки высокопроизводительного бортового информационно-управляющего комплекса, способного выполнять разнообразные функции с целью обеспечения высокой скорости и большой дальности полета, а также возможности посадки на неподготовленные площадки.
Цель исследования
Цель исследования заключается в повышении производительности бортового вычислительного комплекса за счет формирования открытой архитектуры на основе совмещения COST-продуктов, планирования вычислительных процессов и выбора оптимальной структурной организации аппаратной части.
Задачи исследовательского проекта:
1. создание высокопроизводительного информационно-управляющего комплекса на базе открытых архитектур и на базе интегрированной модульной авионики;
2. использование метода оптимизации данного комплекса для выбора оптимально возможного решения задач для высокоскоростного перспективного вертолета.
Методы исследования
Подробно прорабатывается метод обобщенных рангов. Ранжирование производится по четырем критериям: суммарный объем изделия, масса изделия, доступность изделия и оценка эффективности работы изделия.
Результаты
Научная новизна данного исследовательского проекта заключается в решении проблем, связанных с формализацией процедуры выбора оптимальной конфигурации бортового информационно-управляющего комплекса, основанной на рациональном сочетании методики формирования множества допустимых вариантов бортовой аппаратуры, отвечающих современной концепции модульной авионики, и принципов эвристической оптимизации на базе векторной оптимизации.
Предложенные в работе методы позволяют повысить качество выполнения поставленных задач перед высокоскоростными вертолетами за счет внедрения высокоскоростного бортового информационно-управляющего комплекса, соответствующего оптимальным требованиям для выполнения тактико-технических характеристик боевой машины, в котором используется оптимальные COTS модули на базе интегральной модульной авионики. Внедрение результатов исследовательского проекта в разработку перспективных высокоскоростных вертолетов позволит, по оценкам, повысить выполнение поставленных задач перед боевой машиной на 5-10 %.
Ключевые слова: бортовые вычислительные комплексы, перспективный высокоскоростной вертолёт, микропроцессорная техника, COTS-продукт, открытые архитектуры
HIGH PERFORMANCE INFORMATION AND CONTROL COMPLEX FOR PERSPECTIVE HIGH-SPEED
HELICOPTER
Relevance
Onboard computing systems (OCS) of modern aircraft (AC) have a system-oriented decentralized structural organization. The decentralized principle provides that the OCS is built in the form of a certain set of subsystems, between which the functional distribution of tasks is carried out. In this case, each of the specialized subsystems performs its functional task, exchanging, if necessary, information with other subsystems through the corresponding information transmission channels. However, as the functional tasks become more complex
- 73
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 3-4, т. 17, 2021
and their number increases, the decentralized principle of building on-board systems has largely exhausted its capabilities. First of all, this concerns such promising developments as the project to create a high-speed helicopter. The implementation of the concept of a promising high-speed helicopter requires the development of a high-performance on-board information and control complex capable of performing various functions in order to ensure high speed and long flight range, as well as the possibility of landing on unprepared sites.
Aim of research
The aim of research is to increase the performance of the on-board computer complex by forming an open architecture based on combining COST products, planning computing processes and choosing the optimal structural organization of the hardware.
The objectives of the research project:
1. creation of a high-performance information and control complex based on open architectures and on the basis of integrated modular avionics;
2. using the optimization method of this complex to select the optimal possible solution to problems for a high-speed promising helicopter.
Methods of research
Method of generalized ranks is being worked out in detail. Ranking is made according to four criteria: total product volume, product weight, product availability, and product performance evaluation.
Results
The scientific novelty of this research project lies in solving problems associated with the formalization of procedures for the optimal configuration of the onboard information and control complex, based on the choice of methods for forming a set of acceptable options for onboard equipment that meet the modern concept of modular avionics, and the principles of heuristic optimization of the vector optimization base.
The methods proposed in the work make it possible to improve the quality of the tasks assigned to high-speed helicopters by introducing a high-speed on-board information and control complex that meets the optimal requirements for performing the tactical and technical characteristics of a combat vehicle, which uses optimal COTS modules used on the basis of integral modular avionics. The introduction of the results of the research project into the development of promising high-speed helicopters will, according to estimates, increase the performance of the assigned tasks in front of the combat vehicle by 5-10 %.
Keywords: on-board computing systems, promising high-speed helicopter, microprocessor technology, COTS product, open architectures
Алгоритм оптимизации — доступность (Availability);
аппаратного состава — оценка эффективности работы
высокопроизводительного (Rating).
бортового информационно- В качестве оценки эффективности
управляющего комплекса работы предлагается использовать экс-
Первое условие в сформулированной пертные оценки способности данного
задаче оптимизации определяет ограни- набора устройств выполнять требуемые
чения, в рамках которых должна решаться функции, заданные на универсальной
оптимизационная задача. А второе — стобалльной шкале.
специфику выбора варианта, отвечаю- В данном конкретном примере было
щего заданным требованиям к тактико- сформировано десять вариантов аппарат-
техническим характеристикам разраба- ного состава для высокопроизводитель-
тываемых устройств [1-5]. К числу таких ного бортового информационно-управля-
характеристик относятся: ющего комплекса, которые приведены в
— суммарный объём изделия (Volume); таблице 1.
— масса изделия (Mass);
Таблица 1. Варианты аппаратного состава информационно-измерительного и управляющего комплекса
Table 1. Variants of the hardware composition of the information-measuring and control complex
Вариант 1
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ 10-6М
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-Авиаприбор
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) ВСВ-95-1В
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) ИНС- 2000
Система предупреждения близости земли (СППЗ) TTA-12S
Системы предотвращения столкновений в воздухе ПУ ОСА-С
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы МРЛС «Дуэт»
Радиотехническое оборудование ближней навигации А-380МКЭ
Системы управления радиосредствами МИКРОН
Вариант 2
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ-ЖК-2
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-ЭЛАРА
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) КАБРИС-31
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) БПСН-2-03
Система предупреждения близости земли (СППЗ) T2CAS (TAWS)
Системы предотвращения столкновений в воздухе TCAS-4000
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы КОНТУР-10СВ
Радиотехническое оборудование ближней навигации РСБН-85В
Системы управления радиосредствами «ШИРОТА-У»
Вариант 3
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета TDS-10LH/TDS-10LL
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) Primus 2000
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) АБРИС
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) AH-2100 Super AHRS
Система предупреждения близости земли (СППЗ) TTA-12S
Системы предотвращения столкновений в воздухе T3CAS
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы RDR 4000
Радиотехническое оборудование ближней навигации AN/ARN-147 (V)
Системы управления радиосредствами Primus HF-1050
Вариант 4
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ 10-6М
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) Primus 2000
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) КАБРИС-31
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) ИНС- 2000
Система предупреждения близости земли (СППЗ) TTA-12S
Системы предотвращения столкновений в воздухе ПУ ОСА-С
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы К0НТУР-10СВ
Радиотехническое оборудование ближней навигации А-380МКЭ
Системы управления радиосредствами Primus HF-1050
Вариант 5
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета TDS-10LH/TDS-10LL
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) Primus 2000
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) AMS-5000
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) AH-2100 Super AHRS
Система предупреждения близости земли (СППЗ) T2CAS (TAWS)
Системы предотвращения столкновений в воздухе TCAS-3000SP™
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы RDR 4000
Продолжение таблицы 1
Радиотехническое оборудование ближней навигации AN/ARN-147 (V)
Системы управления радиосредствами Primus HF-1050
Вариант 6
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета TDS-10LH/TDS-10LL
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-ЭЛАРА
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) ВСВ-95-1В
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) AH-2100 Super AHRS
Система предупреждения близости земли (СППЗ) TTA-12S
Системы предотвращения столкновений в воздухе ПУ ОСА-С
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы КОНТУР-10СВ
Радиотехническое оборудование ближней навигации РСБН-85В
Системы управления радиосредствами «ШИРОТА-У»
Вариант 7
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ 10-6М
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-Авиаприбор
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) АБРИС
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) БПСН-2-03
Система предупреждения близости земли (СППЗ) ТТА-12Н
Системы предотвращения столкновений в воздухе T3CAS
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы КОНТУР-10СВ
Радиотехническое оборудование ближней навигации А-380МКЭ
Системы управления радиосредствами МИКРОН
Вариант 8
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета TDS-10LH/TDS-10LL
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-Авиаприбор
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) ВСВ-95-1В
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) БПСН-2-03
Система предупреждения близости земли (СППЗ) TTA-12S
Системы предотвращения столкновений в воздухе T3CAS
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы RDR 4000
Радиотехническое оборудование ближней навигации А-380МКЭ
Системы управления радиосредствами МИКРОН
Вариант 9
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ 10-6М
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-ЭЛАРА
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) АБРИС
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) AH-2100 Super AHRS
Система предупреждения близости земли (СППЗ) ТТА-12Н
Системы предотвращения столкновений в воздухе ПУ ОСА-С
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы КОНГУР-ЮСВ
Радиотехническое оборудование ближней навигации РСБН-85В
Системы управления радиосредствами «ШИРОТА-У»
Вариант 10
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ-ЖК-2
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-1
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) AБРИС
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) БПСН-2-03
Система предупреждения близости земли (СППЗ) T2CAS (TAWS)
Системы предотвращения столкновений в воздухе TCAS-3000SPTM
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы RDR 4000
Радиотехническое оборудование ближней навигации AN/ARN-147 (V)
Системы управления радиосредствами Primus HF-1050
Ранжирование начнем с расчета суммарных характеристик для каждого варианта.
Sum _ Mass j = ^Mass k; *=i M
Sum _ Volume j= ^ Volume k; k=1 M
Sum _ Availability j Availabilityk;
M _
Sum_Ratingj Rating k ,(j = 1,r),
(1) (2)
(3)
(4)
где М — число функциональных групп используемого оборудования;
R — число сформированных вариантов аппаратного облика.
Результаты расчетов сведены в таблицу 2.
Проведем сортировку вариантов по каждому из выбранных критериев. Результаты ранжирования по критерию эффективности приведены в таблице 3.
Вариант 3 и 5 оказались лучшими по выбранному показателю. Но данные варианты не являются безусловно лучшими, так как уступают остальным вариантам по объёму, доступности и массе. Поэтому проведем сортировку по оставшимся критериям (табицы 4-6).
Таблица 2. Суммарные характеристики аппаратуры
Table 2. Overall characteristics of the equipment
Вариант Объем, дм3 Масса, кг Доступность, % Оценка эффективности
1 79,688 152,4 98 755
2 50,918 100,68 90 755
3 74,204 70,3 89 810
4 80,863 118,1 95 770
5 74,844 72,48 84 810
6 71,034 103,3 98 755
7 57,418 123 99 740
8 48,154 116,9 97 750
9 76,848 103,9 98 760
10 51,922 66,08 86 800
Таблица 3. Ранжирование по оценке эффективности работы Table 3. Ranking for performance evaluation
Ранг Вариант Объем, дм3 Масса, кг Доступность, % Оценка эффективности
1 7 57,418 123 99 740
2 8 48,154 116,9 97 750
3 1 79,688 152,4 98 755
4 2 50,918 100,68 90 755
5 6 71,034 103,3 98 755
6 9 76,848 103,9 98 760
7 4 80,863 118,1 95 770
8 10 51,922 66,08 86 800
9 3 74,204 70,3 89 810
10 5 74,844 72,48 84 810
Таблица 4. Ранжирование по массе
Table 4 Ranking by mass
Ранг Вариант Объем, м3 Масса, кг Доступность, % Оценка эффективности
1 1 79,688 152,4 98 755
2 7 57,418 123 99 740
3 4 80,863 118,1 95 770
4 8 48,154 116,9 97 750
5 9 76,848 103,9 98 760
6 6 71,034 103,3 98 755
7 2 50,918 100,68 90 755
8 5 74,844 72,48 84 810
9 3 74,204 70,3 89 810
10 10 51,922 66,08 86 800
Таблица 5. Ранжирование по объему
Table 5. Ranking by volume
Ранг Вариант Объем, дм3 Масса, кг Доступность, % Оценка эффективности
1 4 80,863 118,1 95 770
2 1 79,688 152,4 98 755
3 9 76,848 103,9 98 760
4 5 74,844 72,48 84 810
5 3 74,204 70,3 89 810
6 6 71,034 103,3 98 755
7 7 57,418 123 99 740
8 10 51,922 66,08 86 800
9 2 50,918 100,68 90 755
10 8 48,154 116,9 97 750
Таблица 6. Ранжирование по доступности
Table 6. Ranking by availability
Ранг Вариант Объем, дм3 Масса, кг Доступность, % Оценка эффективности
1 5 74,844 72,48 84 810
2 10 51,922 66,08 86 800
3 3 74,204 70,3 89 810
4 2 50,918 100,68 90 755
5 4 80,863 118,1 95 770
6 8 48,154 116,9 97 750
7 1 79,688 152,4 98 755
8 6 71,034 103,3 98 755
9 9 76,848 103,9 98 760
10 7 57,418 123 99 740
Присвоим каждому варианту ранги согласно его положению в предыдущих таблицах (таблица 7). На основе полученных данных для каждого варианта находим суммарные ранги.
Sum_Rankj =Rank _Massaj+Rank _Objemj + . _. + Rank_Pricej+Rank_Ozenkaj, ' U = 1'Ä/- (5)
Выбор оптимальной проектной альтернативы из множества допустимых вариантов осуществляется следующим образом:
г = arg maa Sum _ Rankj l{j = i,Rj- (6)
Таким образом, находим, что оптимальным вариантом аппаратного состава
Таблица 7. Суммарный ранг
информационно-измерительного и управляющего комплекса является вариант 10 (таблица 8).
Данный способ формирования аппаратного состава бортового информационно-управляющего комплекса базе компонент высокой степени готовности позволяет устранить ряд проблем, которые возникают при оптимизации технических, эксплуатационных и экономических показателей, с помощью использования метода обобщенных рангов, обеспечивающего получение объективно обоснованных компромиссных решений.
Table 7. Total rank
№ варианта Ранг массы Ранг объема Ранг доступности Ранг оценки эффективности Суммарный ранг
1 1 2 7 3 13
2 7 9 4 4 24
3 9 5 3 9 26
4 3 1 5 7 16
5 8 4 1 10 23
6 6 6 8 5 25
7 2 7 10 1 20
8 4 10 6 2 22
9 5 3 9 6 23
10 10 8 2 8 28
Таблица 8. Оптимальный состав аппаратуры информационно-управляющего комплекса Table 8. Optimal composition of the information and control complex equipment
Электронная система индикации (ЭСИ) вертолета МФИ-ЖК-2
Многофункциональный пульт управления (МФПУ) МФПУ-1
Вычислительная система управления полетом (ВСУП) АБРИС
Бесплатформенная инерциальная система (БИНС) БПСН-2-03
Система предупреждения близости земли (СППЗ) T2CAS (TAWS)
Системы предотвращения столкновений в воздухе TCAS-3000SP™
Бортовые метеонавигационные радиолокаторы RDR 4000
Радиотехническое оборудование ближней навигации AN/ARN-147 (V)
Системы управления радиосредствами Primus HF-1050
Data processing facilities and systems
Выводы
В ходе проведения исследовательского проекта был разработан образец высокопроизводительного бортового информационно-управляющего комплекса для перспективного высокоскоростного вертолета на базе использования открытых архитектур, таких как COST-продукты. При выборе оптимальных авиационных приборов для высокопроизводительного бортового информационно-управляю -щего комплекса также учитывались такие характеристики, как: объем, массогаба-
Список источников
1. Наука и техника [Электронный ресурс]. URL: https://naukatehnika.com/ kamov-vklyuchaetsya-v-gonku-skorostnyix-vertoletov.html (дата обращения: 12.04.2019).
2. Сверхскоростные вертолеты, винтокрылы, конвертопланы [Электронный ресурс]. URL: https://aftershock. news/?q=node/372516&full (дата обращения: 12.04.2019).
3. Большая военная энциклопедия [Электронный ресурс]. URL: http:// zonwar.ru/news3/news_579_Sikorsky_ X2.html (дата обращения: 15.04.2019).
4. Заседание по теме «Бортовое радиоэлектронное оборудование вертолетных комплексов. Существующие проблемы. Основные требования к БРЭО модернизируемых и перспективных вертолетов». Текст доклада. М., 2013. Докладчик: А. Бельский, заместитель Генерального конструктора, ОАО «МВЗ им. М.Л. Миля».
5. Жаринов О.О., Видин Б.В., Шек-Иовсепянц Р.А. Принципы построения крейта бортовой многопроцессорной вычислительной системы для авионики пятого поколения // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. № 4(68). С. 21-27.
ритность, конструктивные особенности, ценовую политику, эффективность работы приборов. При выборе оптимальных приборов основывались на таких алгоритмах, как ранжирование при оптимизации, векторная оптимизация по принципу Парето.
Внедрение результатов исследовательского проекта в разработку перспективных высокоскоростных вертолетов позволит, по оценкам, повысить выполнение поставленных задач перед боевой машиной на 5-10 %.
References
1. Nauka i tekhnika [Science and Technology] [Electronic Resource]. URL: https://naukatehnika.com/kamov-vklyuchaetsya-v-gonku-skorostnyix-vertoletov.html (accessed 12.04.2019). [in Russian].
2. Sverkhskorostnye vertolety, vintok-ryly, konvertoplany [Super-High-Speed Helicopters, Rotorcraft, Convertiplanes] [Electronic Resource]. URL: https:// aftershock.news/?q=node/372516&full (accessed 12.04.2019). [in Russian].
3. Bol'shaya voennaya entsiklopediya [Big Military Encyclopedia] [Electronic Resource]. URL: http://zonwar.ru/news3/ news_579_Sikorsky_X2.html (accessed 15.04.2019). [in Russian].
4. Zasedanie po teme «Bortovoe radio-elektronnoe oborudovanie vertoletnykh kompleksov. Sushchestvuyushchieproblemy. Osnovnye trebovaniya k BREO moderni-ziruemykh i perspektivnykh vertoletov». Tekst doklada. Dokladchik: A. Bel'skii, zamestitel' General'nogo konstruktora, OAO «MVZ im. M.L. Milya» [Meeting on the Topic «On-Board Radio-Electronic Equipment of Helicopter Complexes. Existing Problems. Basic Requirements for the Avionics of Upgraded and Advanced Helicopters». Report Text. Speaker: A. Belsky, Deputy General Designer, OJSC
Moscow Helicopter Plant named for M.L. Mile]. Moscow, 2013. [in Russian].
5. Zharinov O.O., Vidin B.V., Shek-Iovsepyants R.A. Printsipy postroeniya kreita bortovoi mnogoprotsessornoi vychislitel'noi sistemy dlya avioniki pyatogo pokoleniya [Principles of Building a Crate of an Onboard Multiprocessor Computer System for Fifth-Generation Avionics].
Nauchno-tekhnicheskii vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki — Scientific and Technical Bulletin of the St. Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2010, No. 4(68), pp. 21-27. [in Russian].
