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大数据驱动的飞行信息物理融合系统的分析与设计方法

钟伟  
【摘要】:飞行信息物理融合系统(Flight Cyber-Physical System,简称FCPS)是CPS在飞航领域的应用。在电子飞航系统的基础上,该系统信息化和网络化程度更高,是下一代飞航系统的发展方向。以目前美国最新研制的‘梦想飞机’波音787客机为例,它采用了更为先进的传感技术,具有计算能力,更稳健、智能的通信、控制能力,具备连接网络能力,并且有更加整合的机载设备和软件模块。在由天空、卫星、地面系统所组成的全球系统中,这样的飞机如同一个个飞行中的智能节点,能够确保自己飞行安全并且位置与时间信息准确,又能把这些信息稳健的,实时的传递给利益攸关者进行科学决策和社会服务。围绕着整个飞行系统,关于它的分类,学术界没有明确的界定。以飞机为主体,其大概包括飞行交通管理系统(Air Traffic Management System,简称ATMS),飞机机载系统(Aircraft Airborne System,简称AAS),还有机场管理系统(Airport Management System,简称AMS)等等。它所涉及的对象有飞机本身的机载系统,地面系统,卫星系统,飞机场管理,空管单位以及它们之间的极其庞大的链接、监控、管理网络。范围广泛,系统复杂、数据巨大而异构。无论是过去还是将来,人类都希望飞机能和地面的火车与汽车一样有更可靠的安全系数。这在空难多发的今天,就显得尤为重要。毫无疑问,为了解决这些海量数据处理与存储的问题。大数据技术应运而生。如今,大数据已经应用于广大的行业领域里,如前面所提的飞行系统、监控系统、地面交通、电子商务系统,医疗系统、社交网络、传感器网络、社会数据调查等等。面对这些机遇与挑战,大数据技术也发展的日新月异。其技术包括如遗传算法,神经网络,数据挖掘,机器学习,多维分析,数据融合与集成,分布式存储技术与文件系统,非关系数据库,可视化等主要领域要点。无论大数据有多复杂,但其中心思想就是要实现大海捞针,以此创造现成的或者间接的价值与启发。AADL(Architecture Analysis and Design Language)是一种借鉴了UML、Marte等优点的支持文本与图形方式的建模语言。AADL对基于模型分析和复杂实时嵌入式系统的规范特别有效。AADL还通过提供一种标准和精确的方式来描述复杂嵌入式系统的实时性、安全性、可调度性等非功能属性,使得程序员能够提早对构件或应用进行可调度性、可行性的分析,保证转换模型和自动生成代码的一致性。利用AADL语言对飞行物理融合网系统进行建模能够很好的表示系统的非功能属性,保证系统开发流程的高效性。本文内容含有对信息物理融合系统的基本介绍。对大数据的进行了基本介绍。对当前大数据的收集、处理、存储流程中涉及的技术进行系统性阐述,并对大数据与信息物理融合系统的结合做了可行性分析,对其认识架构进行了分析,详细讨论了各个层次架构的功能和特点。综合大数据的技术特点和CPS的系统需求,提出了基于大数据驱动的信息物理融合系统。其中针对基于目前大数据技术的飞行监控与维护系统,对其收集存储,处理进行了系统性讨论。本文对飞行信息物理融合系统的飞行监控,机场管理进行了分析与讨论。其次讨论航空电子云概念AADL建模,以及它的容错性验证。本文对AADL的基本特征,元素集合进行了罗列。使用Modlica对物理进行建模扩展。特别针对飞机导航与控制系统进行了建模分析。最后对这一建模的流延迟,可调度性和整体进行了验证。


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