УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ГЕТЕРОГЕННОЙ СЕТИ "ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ-ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК" ПО ПРОТОКОЛАМ, ТОЛЕРАНТНЫМ К ЗАДЕРЖКАМ

Полезная модель относится к устройствам передачи информации и позволяет организовать двустороннюю информационную связь между летательным аппаратом и цифровой моделью летательного аппарата в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник» по протоколам, толерантным к задержкам.
В соответствии с ГОСТ Р 57700.37-2021 под понятием «цифровой двойник» понимается система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием и его составными частями, а под цифровой моделью изделия - система математических и компьютерных моделей, а также электронных документов изделия, описывающая структуру, функциональность и поведение вновь разрабатываемого или эксплуатируемого изделия на различных стадиях жизненного цикла, для которой на основании результатов испытаний по ГОСТ 16504 оценена выполнимость предъявляемых к изделию требованиям.
Таким образом, для создания цифрового двойника (ЦД) летательного аппарата (ЛА) необходимо организовать двустороннюю информационную связь между летательным аппаратом и его цифровой моделью. Решение этой задачи в то время, когда ЛА находится на земле не вызывает никаких сложностей и может быть решено с помощью различных известных из уровня техники устройств, например, по проводным каналам связи или с помощью мобильной связи с применение технологий 3G/4G по сети Интернет. Однако организация канала связи для приема и передачи информации с борта ЛА во время полета требует установки на борт дополнительных устройств, мобильная связь становится недоступна (без установки на борту дополнительных специальных средств связи), и организация информационной связи между ЛА и его цифровой моделью возможна при помощи спутниковых систем передачи данных или специальной бортовой аппаратуры, организующей отдельный канал передачи данных «борт-земля». При этом различные экземпляры ЛА могут быть оборудованы различным составом технических средств передачи данных, а сам процесс передачи данных в полете с борта ЛА отличается частыми разрывами соединений и задержками связи.
Предлагаемое устройство позволяет организовать двустороннюю информационную связь между летательным аппаратом и цифровой моделью летательного аппарата по протоколам, толерантным к задержкам, и тем самым способствовать решению задачи бесперебойной передачи информации о между ЛА и его цифровой модели. Решение задачи по организации процесса передачи данных в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник» в предлагаемом устройстве решается путем реализации технической возможности применения для передачи информации протокола DTN.
Для решения проблем ТСР/IP протокола в сетях с большими временами задержки передачи сообщений разработан протокол сетевого уровня DTN (Disruption-Tolerant Networking - протокол, толерантный к задержкам) [Special issue on DTN // Journal of Communications. - 2010. - V. 5. - No 2. - P. 106-130]. Этот протокол основан на принципе «хранить данные и перенаправлять их дальше». Этот протокол оперирует специальными единицами информации - bundle, представляющими собой сообщение, содержащее не только значимое для приложения содержимое, но и информацию, необходимую для маршрутизации. Узлы DTN, обмениваясь bundle, хранят их. По мере появления связи со следующим узлом данный bundle пересылается дальше, пока не будет достигнут узел назначения или время жизни bundle'a истечет.
При этом наиболее близким аналогом, известным из уровня техники, является изобретение «Предоставление сетевой связности и доступа к контенту и передачи данных через движущиеся объекты» (патент на изобретение RU 2696260), которое включает первый движущийся объект, который обеспечивает сетевую связность, содержащий: первое устройство восходящей линии связи первого движущегося объекта, чтобы соединять первый движущийся объект с публично доступной компьютерной сетью; первое устройство нисходящей линии связи первого движущегося объекта, которое должно быть связано с возможностью обмена данными с удаленным устройством на конкретном сегменте по маршруту первого движущегося объекта, при этом удаленное устройство должно предоставлять данные, принимаемые через первое устройство нисходящей линии связи, пользователю; кэш-память, связанную с возможностью обмена данными с первым устройством восходящей линии связи и первым устройством нисходящей линии связи; модуль связи для попытки устанавливать соединение для передачи обслуживания между первым движущимся объектом и вторым движущимся объектом и, в ответ на установление соединения для передачи обслуживания, переносить маршрутизацию данных к и от удаленного устройства на второе устройство нисходящей линии связи и второе устройство восходящей линии связи на втором движущемся объекте с первого устройства нисходящей линии связи; и если соединение для передачи обслуживания не установлено, сохранять часто запрашиваемый интернет-контент в кэш-памяти; и ждать соединение для передачи обслуживания, которое должно быть установлено, чтобы предоставить часто запрашиваемый интернет-контент удаленному устройству через второе устройство нисходящей линии связи.
Недостатком этого решения является то, что система, в силу ограниченных функциональных возможностей в части организации каналов связи для передачи с борта ЛА, не использует спутниковую систему связи и специальные каналы связи с борта ЛА и не может быть использовано напрямую для организации информационной связи в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник».
Технической задачей заявляемой полезной модели является расширение арсенала устройств, применяемых для внедрения технологии цифровых двойников в авиации.
Решение технической задачи достигается тем, что устройство передачи данных в гетерогенной сети «летательный аппарат-цифровой двойник» выполнено в корпусе, имеющем форму прямоугольного параллелепипеда со скругленными углами, в который встроены: три порта для подключения к локальной вычислительной сети летательного аппарата, соединенные соответственно с первым, вторым и третьим входами-выходами системной шины, блок резервного копирования, соединенный с четвертым входом-выходом системной шины, блок формирования информации, один вход-выход которого соединен с пятым входом-выходом системной шины, а второй - соединен с входом-выходом блока хранения информации; блок питания, соединенный с шестым входом-выходом системной шины, блок управления и индикации, соединенный с седьмым входом-выходом системной шины, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, соединенное с восьмым входом-выходом системной шины, три порта для подключения к внешней сети передачи данных, соединенные, соответственно, с девятым, десятым и одиннадцатым входами-выходами системной шины, постоянное запоминающее устройство, соединенное с двенадцатым входом-выходом системной шины, процессор, соединенный с тринадцатым входом-выходом системной шины, оперативное запоминающее устройство, соединенное с четырнадцатым входом-выходом системной шины, причем корпус устройства выполнен из металла в пылевлагозащитном пожаровзрывобезопасном исполнении, а разъемы встроены заподлицо внешней поверхности корпуса.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении возможности организации двусторонней информационной связи между летательным аппаратом и цифровой моделью летательного аппарата по протоколам, толерантным к задержкам по каналам спутниковой связи, по каналам мобильной связи или по каналам специализированных бортовых систем передачи данных.
Функционирование полезной модели поясняется фигурой, на которой обозначены:
контур А - корпус заявляемого устройства, внутри которого на многослойной печатной плате с наружными и внутренними проводящими слоями припаяны блоки и элементы (1-16) устройства;
1, 2, 3 - порты подключения к локальной сети ЛА (порты LAN), (LAN - Local Area Network);
4 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
5 - процессор;
6 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
7 - системная шина;
7.1-7.14 - входы-выходы системной шины (7);
8 - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ);
9 - блок формирования информации (блок формирования Bundle);
10 - блок хранения информации (блок хранения Bundle, КЭШ память);
11 - блок резервного копирования;
12 - блок управления и индикации;
13 - блок питания;
14, 15, 16 - порты подключения к внешней сети передачи данных (порты WAN), (WAN - World Areal Network).
Блоки 1, 2, 3 - порты подключения к локальной сети ЛА (LAN -Local Area Network).
Блок 4 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), представляет собой микросхему энергозависимой памяти с произвольным доступом. Содержимое ОЗУ стирается после выключения питания устройства. Используется для хранения промежуточных данных во время работы устройства.
Блок 5 - процессор является центральным блоком устройства, тип которого определяется при проектировании устройства. Основная задача процессора заключается в обработке входящих пакетов для принятия решения об их дальнейшей маршрутизации, при этом скорость с которой процессор способен обрабатывать информацию, напрямую зависит от типа.
Блок 6 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) представляет собой микросхему с энергонезависимой памятью, используемой для хранения загрузочного программного обеспечения, которое запускается первым в момент включения устройства и отвечает за его загрузку.
Блок 7 - системная шина выполнена в виде наружных и внутренних проводящих слоев на многослойной печатной плате и соединяет блоки устройства информационными связями через входы-выходы системной шины 7.1-7.12. Также по системной шине организовано питание блоков устройства от блока питания (13).
Блок 8 - перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) представляет собой микросхему с энергонезависимой памятью, используемой для хранения дополнительных конфигурации устройства, которые считываются при последующих загрузках.
Блок 9 - блок формирования информации (блок формирования Bundle) представляет собой микросхему, реализующую в устройстве DTN - протокол.
Блок 10 - блок хранения информации (блок хранения Bundle, КЭШ память) представляет собой микросхему с энергонезависимой памятью, которая хранит сформированные в (9) пакеты до момента успешной передачи пакета получателю;
Блок 11 - блок резервного копирования представляет собой микрочип твердотельного накопителя информации (SSD-диск), подключенного к системной шине. Позволяет осуществлять запись и резервное хранение передаваемой информации. Считывание информации из (11) возможно с USB-разъема блока (12).
Блок 12 - блок управления и индикации представляет собой микросхему управления, блок светодиодов, индицирующие режимы работы, и кнопки управления режимами работы (на фигуре не обозначены, размещены заподлицо на поверхности корпуса устройства).
Блок 13 - блок питания представляет собой адаптер питания от бортовой сети постоянного тока 27 В.
Блок 14, 15, 16 - порты подключения к локальной сети ЛА (LAN - Local Area Network) порты подключения к внешней сети передачи данных.
Названные компоненты заявляемого устройства соединены между собой сборочными операциями и находятся в функционально-конструктивном единстве.
Функционирование полезной модели заключается в следующем.
Информация от систем ЛА, сформированная для передачи в цифровую модель изделия, которая размещается на наземном пункте управления цифровым двойником на серверах специализированных ЭВМ, поступает в устройство через порты LAN (1, 2, 3) по протоколу 1000Base - ТХ. Откуда через системную шину (7) под управлением операционной системы (предназначена для управления активным сетевым оборудованием) осуществляется маршрутизация пакетов.
Данные от приложений, представленные в виде сообщений произвольной длины (ADU, англ. Application Data Unit), трансформируются в специальные пакеты (Bundle) в блоке (9), предназначенные для пересылки в гетерогенных сетях через порты WAN (блоки 14, 15, 16). Bundle состоит из не менее двух блоков, каждый из которых может содержать либо только данные приложений, либо только служебные данные, необходимые для доставки (https://www.rfc-editor.org/info/rfc9171).
Как и в IP-сетях, используется подход «Сохрани и передай» (анг.Store-and-forward), предполагающий сохранение пакетов при отсутствии возможности их немедленной успешной отправки. Однако в DTN время хранения значительно дольше вследствие того, что канал может быть недоступен на момент передачи и к тому же сам по себе ненадежен. Кроме того, в сетях DTN сложнее своевременно отследить состояние канала из-за значительной задержки на передачу сигналов. Поэтому для ожидающих отправки пакетов используется блок хранения «Bundle» (10).
Для увеличения вероятности успешной передачи сообщения на всех узлах DTN создаются копии сообщения, чтобы они дошли до адресата. Это возможно только в сетях с большими объемами локального хранилища и широкой полосы пропускания относительно ожидаемого трафика. В предлагаемом устройстве таким хранилищами являются блоки 10 и 11.
Важной составной частью устройства являются блоки 6 и 8, в которых хранятся конфигурационные файлы. Рабочая конфигурация располагается в блоке 6 устройства и определяет его текущие настройки. Загрузочная конфигурация расположена в 8 и содержит команды операционной системы, которые выполняются в момент его загрузки.
Операционная система предназначена для управления работой устройства путем организации программно-аппаратного взаимодействия между блоками 4, 5, 6, 9, 10, 11, соединенных системной шиной 7.