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1、基于CPS的航电系统综合优化综合航电系统综合航电系统发展 IMA-DIMA-Networked IMA23信息物理系统（信息物理系统（Cyber-Physical SystemCyber-Physical System，CPSCPS） 20062006，美，美国科学国科学院院，美国竞争力计划美国竞争力计划，CPSCPS重重要研究项要研究项目目 20072007，美美国，国，CPSCPS作为作为八八大关键信息技大关键信息技术首位术首位 20082008，波音公司副总裁，波音公司副总裁，“ “在波音公司，在波音公司，CPS CPS 将无处不将无处不在在” ” 20102010，国家国家863863
2、计计划，划，“ “信息物理融合系信息物理融合系统发统发展战略论坛展战略论坛” ”信息物理系统信息物理系统CPS是目前公认的航电系统综合与优化的必由之路4研究背研究背景景问题：如何基于问题：如何基于CPSCPS进行航电系统综合与优化设计？进行航电系统综合与优化设计？针对航电系统总体以及分系统，探索基于针对航电系统总体以及分系统，探索基于CPSCPS进行综合与优进行综合与优 化设计的机理和方法化设计的机理和方法 大飞机重大专项“民航空地网络关键技术研究”（2013.1-2013.12） 自然基金项目“基于认知无线电的宽带航空数据链基础理论研究”（NSFC60902002）1 1）CPSCPS没有严
3、格的定义没有严格的定义2 2）CPSCPS没有统一的建模和优化方法没有统一的建模和优化方法3 3）CPSCPS如何在航电系统有效应用不清楚如何在航电系统有效应用不清楚难点难点 ：任务任务 ：二、二、航航电系统建模与电系统建模与优化优化方法方法51. 1. 物理系统建模物理系统建模2. 2. 信息系统建模信息系统建模3. 3. 多目标函数多目标函数4. 4. 多目标优化多目标优化输出：输出： 最最优性能指标优性能指标 最最优设计方案优设计方案6物理系统映射物理系统映射：模块化设备模块化设备模块化设备安装空间模块化设备安装空间物理系统映射向量：约约束条件束条件：1. 唯一性约束：2. 资源约束：3
4、. 其他约束：信息信息系统映射：系统映射： 处理能力处理能力信息资源信息资源信息系统映射向量：数学模型数学模型7重量：具有分层优先级的目标函数：具有分层优先级的目标函数： 安全性、可靠性相关量：计算模块负载等 有效性相关量：重量、功耗、初装成本等优先级优先级多目标优化问题8设3个目标函数：可靠性指标计算模块负载： 有效性指标重量：初装成本：目标函数按优先级非增排序为：设约束条件构成的初始解空间为优化设计示例优化设计示例带宽容的分层排序法解多目标优化问题: 在解空间内依优先级次序求解单目标优化问题 以一宽容量（松弛量）扩展最优解集，作为下一步的解空间9参考方案最优设计归一化指标参考方案最优设计计
5、算模块负载258.0120810.81 重量20426411.29 初装成本2494329411.32 最优 设计 物理 系统最优 设计 信息 系统CPM：核心处理模块RDC：远程数据中心10归一化指标 DIMA最优设计2IMA最优设计 计算模块负载0.901.19 重量1.151.11 初装成本1.161.05IMAIMA与与DIMADIMA性能比性能比较较ZHANG Chao, XIAO Jialuo. Modeling and Optimization in Distributed Integrated Modular AvionicsC. 2013 IEEE/AIAA 32nd Dig
6、ital Avionics Systems Conference (2013 IEEE/AIAA 32nd DASC), Syracuse, NY, USA, Oct. 2013. （EI Source）张超，肖佳洛，一种分布式综合模块化航电（DIMA）系统建模与优化装置，申请中国专利 ，2013年12月. IMA计算模块负载比DIMA差 重量和初装成本差异相对较小：DIMA分布式结构引入更多CPM和RDC设备重量和成本，IMA所有外设引线向电子舱汇集引入额外的线缆重量和成本12综合航电CPS模型11LocationsDevices物理系统信息系统 Processing resourceCon
7、sumption of processing resource安全性作为约束的优化方法安全性约束变量共享模块的安全性约束错误管理的安全性约束复用模块的安全性约束目标函数可以是其它指标 (重量、成本、功耗 等)12粒子群优化13Combined optimization problemFor each particle i, do this process.After nparticle steps, the optimization result is gBest.pBest: local best known position gBest: global best known positio
8、n安全性作为目标函数的优化以安全性作为优化的目标函数约束条件是其它信息和物理指标采用多学科优化方法CPM, RDC 对于每个“学科”优化方程如下14协同优化算法15优化结果16优化结果约束函数:安全性 目标函数: 成本 优化方法: PSO最低成本是4000万.成本失效概率:优化结果17约束函数: 信息物理指标 目标函数: 安全性 优化方法: 分解协调多学科优化优化结果: 失效概率 3.6e-15.演示验证演示验证 ( (MatlabMatlab GUI) GUI)1819演示验证演示验证 ( (MatlabMatlab GUI) GUI)20演示验证演示验证 ( (MatlabMatlab GUI) GUI)21演示验证演示验证 ( (MatlabMatlab GUI) GUI)视频 演示
