航空业的“新航道”:拥抱物联网

2015-04-16 15:28:12来源: 风河航空与国防行业业务发展总监Alex Wilson 关键字:物联网  航空  VxWorks  Linux  风河系统
   物联网正在全球不断扩张版图,相信“上帝”也不能阻止它的“疯狂”了,传统的航空业也面临着物联网的洗礼。虽然一般来说传统行业会较慢地融入物联网(例如工业预计要到2020年),而航空业是个例外。首先因为历史上很多最好的技术都是先从航空业开始的,其次因为航空的基础技术之一就是“无线通信”,飞机与飞机、飞机与地面的互联是必须的,卫星与地面控制中心的通信也是必不可少的,可以说航空业是物联网的鼻祖。因此,当物联网来临时,航空业者是一定不能排斥的,而是要拥抱物联网,让自己的设备、系统与物联网的优势相结合,创造新“航道”。
 
    物联网交通系统可以更可靠、更安全地运行。飞机间可以互相报告紊流情况,此外它们还能与基于云端的中央控制系统进行沟通,而后者则负责跟踪其动向。飞机不仅可以向机长发出警报,还能将缺陷数据直接发送给工程师。谁也不希望类似马航MH370的悲剧再次上演。
 
    预计从2013年到2032年,商业航空市场会达到5万亿美元,增长率达5%,在这20年间,会增加3万架新飞机。到2020年,NextGen和SESAR将能为航空业约节省380亿美元,节约16亿加仑的燃料,也会缓解40%左右的乘客和机组人员最为头疼的等待问题。
 
    航空业有三大重要事项。(1)减少成本,包括研发成本、集成成本、验证成本、升级成本。(2)降低风险,包括验证风险、保障安全(Security&Safety)、新的标准和规则、安全的云集成。(3)差异化,包括新产品能力、快速TTM、云集成、利用最新的技术、分布式控制与决策。物联网将如何帮助航空业更好地处理这三大问题呢?
 
航空业的物联网架构
 
    飞机等航空设备通常会产生庞大的数据,例如一台智能喷气机发动机可以在5小时的飞行过程中生成1 TB数据。随着物联网的发展,“云”成为了这些数据的重要承载体,航空业也采用了新的架构:飞机-美国联邦航空管理局(FAA)网络基础设施-数据中心/FAA云(SWIM)私人云。分解这个架构,可以看出最大的改变来自基础设施和云的通信。说到私人云,由于希望通过数据来进行业务转型的公司将越来越多地采用私人云端,这些云端会根据他们自己的分析、安全和可靠性要求进行订制。航空业采用私人云是必然需求,这是由其高度安全要求决定的。
 
    在飞机上享受信息娱乐系统是很多乘客的喜好,并且有的航空公司已经在飞机上提供Wi-Fi服务,以及收发短信、电子邮件、拨打或接听电话的服务。商用飞机的一个挑战是如何把其他联网设备或者系统与自身网络结合和隔离,在服务的同时保障安全。因为我们不能确定是否有黑客在乘坐飞机并发起攻击。
 
    风河产品系列中的实时操作系统(VxWorks)和开源操作系统(Wind River Linux)与航空业新的增长点不谋而合,例如,物联网(包括智能网关、边缘管理系统、智能云)、系统仿真(Simics仿真平台)、智能网络(包括电信级通信服务、网络虚拟化、云服务器)以及自动连接设备(包括集群、信息娱乐系统);同时也能解决这些新事物给航空系统带来的挑战,如安全性方面。
 
    物联网的三角关系是边缘-网络-云,风河关注物联网的最后一公里,即网关和边缘管理,边缘管理是数据采集和汇集后,网关与云“接头”的第一层软件。解决了边缘管理,海量数据才能够在云汇集,才有可能实现之后的大数据分析。目前,风河正在开发这一软件解决方案。目前我们的优势有三方面。(1)前端设备(飞机等)的数据采集;(2)传输设备,风河本身在路由器、交换机方面是非常有实力的;(3)在云端收集数据,虽然风河并不涉及云计算,但是却把软件安装在云端并面向设备。
 
“黄金三角”:可扩展性、安全性、虚拟化
 
    金字塔之所以能几千年屹立不倒,一个重要原因就是其三角形架构,因为三角形是最坚固的形状。风河公司可扩展性、安全性、虚拟化的“黄金三角”组合,构筑起了坚固的架构,满足了各行各业(航空、能源、工业、屹立、汽车、国防等)的企业核心价值观——信任、保护投资和长久的保证。这也体现了风河的一个整体优势:对环境适应性强。
 
可扩展性
 
    Vxworks已经上市25年,在众多行业获得了一致好评。近期Vxworks 7全新上市,其具有良好的可扩展性、安全性和虚拟化特点,能够满足下一代连接设备的开发需求,帮助嵌入式系统研发企业在新老设备上添加物联网功能。
 
    VxWorks模块化、永不过时的架构将主内核与协议、应用和其他程序包分离开来。可以根据市场变化、客户需求和技术发展来不断适应和改进,能够迅速修复漏洞,增设产品功能,并且无需重新测试或认证整个系统。VxWorks微内核(仅20 KB)与标准内核运用同一个实时操作系统(RTOS)基础,使用户能够针对不同类别的设备灵活选择,从而降低研发和维护成本。
 
    可扩展性还体现在高效VxWorks生命周期管理,包括为核心平台明确定义产品生命周期,为应用包管理的基础设施,支持组件添加或删除,支持增加性能的多版本包。不同型号的飞机、不同类型的航空设备的生命周期以及具体性能都不尽相同。可扩展性为航空业客户提供了更灵活的选择,既节省成本、降低了风险,还能提供差异化选择。
 
安全性
 
    物联网会将设备与系统暴露在比以往更多的风险之下,而航空系统联网以及其与物联网其他类型的交集往往使其存在更多安全隐患。安全性可最终归为隔离,因此让航空系统内部以及航空联网设备与其他普通物联网设备保持一定的隔离是有效的安全手段。风河长期注重于在保护隔离的同时又不降低效率。主要措施有:分区、分层隔离,进程管理,多核分配。例如Virtualization Profile让VxWorks用户能够将多个工作负荷集中到单个处理器上,并能够提供安全、可靠的分区。
 
    通过使用VxWorks,航空客户可以利用一整套综合的内置安全功能,包括认证技术。VxWorks能够提供IEC 62304、IEC 61508、IEC 50128、DO-178C和ARINC 653认证所需的空间、时间和资源分区。此外,用户可以根据其项目安全要求等级,采用所有或部分VxWorks全面的安全性能。也就是能帮助客户在预算内实现相应的安全设计(包括环境、接入点和存储),既能解决所有的威胁,也能灵活地执行以匹配不同的安全级别。
 
    由于VxWorks 7内存占用更少,而且方便增加安全性配置,这两点都将受到要求严格的国防与航天客户欢迎。柯蒂斯怀特就计划在下一代开放结构模块与系统产品中采用这款新型实时操作系统。
 
虚拟化
 
    风河开发出了风河 Open Virtualization Profile实时虚拟化解决方案,使用开源内核虚拟机技术和成熟的 Linux 发行套件。 Open Virtualization Profile 这一完全集成且性能优化的解决方案, 可以将专用操作系统及在硬件上运行的诸多应用程序、功能整合为一个系统。 Open Virtualization Profile 旨在将延迟降至极低,并提供可靠的性能,适用于基于开源软件的新一代产品设计研发。
VxWorks虚拟化解决方案具有实时嵌入式虚拟化功能,有助于用户将多个硬件平台整合成单一的多核平台。虚拟化配置不仅能够降低成本,还能够帮助用户在不影响原有应用程序的前提下快速更新、添加新功能。
 
航空系统决策支持的好帮手
 
    “决策支持”是风河千方百计不断改进产品的初衷,即帮助客户快速做出最优的决策。航空的特殊性,使得“快速”必须是最快速的,因为它可能关系到很多人的生命;“最优的决策”必须是没有差错的,它同样也与生命息息相关。这也为风河的决策支持提出了更大的挑战。但是随着物联网的发展,收集更多的数据并上传至云,也成为航空业的一个趋势。就如我之前提到的,一台智能喷气机发动机可以在5小时的飞行过程中生成1 TB数据。如此庞大的数据可能会让数据中心束手无策,他们需要的是关键数据,以实现最优决策。
 
    与此同时,所有的大众交通方式(包括航空)都越来越依赖于数据和自动化决策来确保安全且可预测的服务,同时还能为运营商带来经济效益。运营商的目标是将设备使用安全性的最大化——一架保养中的飞机或一辆维修中的列车是不能产生利润的。
 
    因此,风河提供了实时分析(预测性维护)和适应性分析的能力。机器和设备可以通过实时分析来实现预测性保养和自我诊断等功能。比如,系统可以通过减少机械负载来延长濒临故障的部件的寿命,或自动拨打维修电话;企业则可以将昂贵的预约维护变成更为高效的按需维护,能够显著降低成本,而这正是航空业面临的三大重要事项之一。预测性维护的功效将对飞机等航空系统产生很多帮助,例如地面控制台可以清晰地了解某架飞机的燃耗情况。适应性分析:根据大数据中获得的见解来改变业务需要适应性分析的辅助,这是一种对新见解进行大规模数据分析的研究。大数据集群将不同时间内收集到的数据进行整合,因此在系统结构中,这项工作将在云端进行。适应性分析对于发展边界智能方案、细化数据收集的要求来说至关重要。
 
外星之旅背后的功臣
 
    探索外星未知的生命和物体,是人类共同的梦想。这种梦想不是从二次世界大战时才开始,中国的“嫦娥飞天”就寄托着古代中国人对外星世界的幻想。12月5日,美国新一代载人飞船“猎户座”发射升空,标志着“火星时代”的第一天!这里面也有风河的一份功劳。 
 
    在太空领域,风河与NASA喷气推进实验室合作成就斐然。双方在该领域的合作可以追溯至1994年,那一年VxWorks系统随克莱门汀月球探测器(Clementine Moon probe)一起发射升空。而接下来的火星探路者任务(Mars Pathfinder Mission)则让VxWorks成为首个登上火星的商用操作系统。除此之外,风河技术还被用于火星登陆器(Mars Exploration Rovers)以及星尘号宇宙飞船(Stardust spacecraft)。不得不提到迄今为止设计最为复杂精密的火星探测器“好奇号”探测车。从2011年11月26日火箭离开地球那一刻起一直到任务完成,VxWorks作为火星探测车的核心操作系统,在本次具有历史意义的活动上发挥至关重要的作用,包括发射、复杂着陆过程、地面作业控制、数据采集以及火星与地球间的通信中继。
 
    此外,美国海军研发建造的新型无人驾驶战机X-47B内也有VxWorks,与波音787 Dreamliner类似, 风河在航天市场中一直默默在耕耘 。我们也努力帮助中国的航空客户实现自己的梦想。中国自主研发的大型客机C919,目前已经开始结构总装,力争明年年底首飞,其中就采用了风河公司的相关技术,例如IMA框架。它是用一台中央控制器集中统一管理各个部件,显示、监控、引擎等功能通过不同的应用来实现,不仅让需要更换的零部件大大减少,功能升级时只需更换模块化的组件,也大大简化了认证的相关过程。因此,集中式IMA架构也成为今后航空电子设备发展的主流。
 
    风河公司有超过600个航空和国防的客户,在20亿个设备中被采用,有超过30年的成功经验。30年间见证了很多新科学的诞生和发展,物联网就是其中之一。风河将一如既往地帮助航空行业的客户在采用新技术的同时,提供可扩展性、安全性、虚拟化的“黄金三角”组合,让航空产业拥抱物联网,迈入新航道。

关键字:物联网  航空  VxWorks  Linux  风河系统

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2015/0416/article_10175.html
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