万米高空的信息“交通枢纽”

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

本报记者　柳碧澄　通讯员　袁萌

　　时钟的指针让人们清晰感知着每分每秒的不同，而对于飞机来说要以毫秒，甚至微秒去掌握周遭的一切变化。万米高空，飞行员眼前的每一帧画面，都承载着安全的重量。飞机的速度、高度、姿态、航向……这些高速流转的航空视频信号，视频格式、分辨率、速率各不相同，但都需要在机载数字视频传输网络的“十字路口”完成汇聚、交换与分发。而每一帧的延迟、每一次链路的切换、每一处隐蔽的故障，都可能在飞行中放大为不可承受的代价。

　　在航空工业计算所的实验室中，一个“盒子”正安静运转。在其中的芯片内部，一张由纵横交错的开关织成的“交通网”正在高速运行，多路ARINC818视频流以确定性调度方式有序穿行，数据监控模块持续扫描着每一帧数据，内置的自检测引擎像一位不知疲倦的哨兵，时刻注视着链路的每一次“心跳”。在这里，哪一路视频要送到哪个显示器，哪个传输通道归哪一路数据使用，都被精确到微秒级。

　　这台设备正是计算所自主研发，荣获第二十六届中国专利优秀奖的自检测可动态切换可监测的ARINC818交换机。它要做的事，就是把“多源异构”的视频流汇聚起来，再按需分发到不同显示器或综合核心处理器。如果把机载视频网络比作飞机的视觉神经，交换机就是其中的神经中枢——它不产生画面，但决定每一路画面能否准时、无误地抵达它该去的地方。

告别“整包快递”，打造时隙化“交通时刻表”

　　“显示器是逐行扫描的，要想画面不中断，每一行数据都必须在扫描到它之前进入缓冲区。传统网络无法保证这种严格的时间确定性，只能把整幅图像全部缓存完，再交给显示器。”专利第一发明人朱志强介绍说，“30赫兹下一帧要33毫秒，60赫兹也要16.7毫秒。等屏幕显示出画面，飞行员看到的其实是几十毫秒之前的世界。”

　　存储转发和优先级调度是传统机载视频网络的鲜明特点。传统视频网络主要采用“帧同步”，针对存储转发，就像寄送整包快递——先等一整幅图像完整存好再传输出去；针对优先级调度，在传输过程中，视频数据要按照优先级进行排序，多路视频源同时往一个端口输出时会造成链路堵塞，视频数据就像传送带上的一个个包裹，只能按照“送达时间”先后排队等候，视频数据的延迟也就无法严格确定，因此需要整帧存储。

　　随着航空装备智能化水平持续提升，机载传感器、显示屏产生的高清数据呈爆发式增长。传统机载视频交换网络的时延不可控、故障定位困难、链路切换可靠性不足，成为一道业界公认的难题。当多路视频源需要在同一网络中汇聚交换，如何保证每一路视频流的及时调度？如何在不中断画面的前提下完成链路切换？这些问题，没有现成答案。

　　面对技术瓶颈，研制团队决定跳出传统存储转发的固有思路，放弃“整包快递”模式，创新构建起一套时隙化调度的“交通时刻表”机制。

　　“飞机内部海量视频数据如同城市川流不息的车流，机载视频网络是路网。原来的网络像一座固定通道的高架桥，而ARINC818交换机既是一座立体交通枢纽，也是智能交通调度员。”朱志强说。为了解决传统视频数据传输的“拥堵”问题，研制团队基于FPGA（现场可编程门阵列）硬件逻辑，采用crossbar交叉开关架构，将每个输入端口到输出端口的链路做成像城市交通网一样的立体交叉矩阵。传输过程中按需打开对应链路开关、关闭闲置通路；链路切换时全部开关并行动作，每一个视频“包裹”上了链路就全速通过，互不抢道，保障每一路视频流都“行驶”在“快车道”上。

　　“以前视频的传输就像是等一车包裹全部装车后再发车，现在数据一来就能直接发车，下一行还没被扫描读取的数据在‘货架’上提前等待‘备用’。”朱志强介绍，针对传统视频网络画面切换不畅，ARINC818交换机采取行同步、像素点同步双重调度策略，视频数据的调度遵从时隙机制——不同速率的视频数据，分配专属固定时隙窗口，如同高铁按照时刻表准点运行，多速率设备可共网工作。同时，依托冗余缓存设计，设备可在输出当前画面的同时预缓存后续行数据，实现1毫秒以内链路无缝切换。

　　画面切换不仅要快，更要保障完整性。ARINC818交换机对图像帧完整性进行严格校验，确定图像帧传输完毕后，在图像消隐区切换信源，确保飞行员操作顺畅、无感知，画面不中断、无黑屏、无闪烁。

　　“毫秒到微秒的变化，对普通人来说无法感知，但在机载视频网络里，它意味着飞行员看到的画面更接近‘此刻’。”朱志强说。

跳出“黑盒困境”，实现可视可检可维护

　　传输速度实现突破，可靠运维与故障管控同样不可或缺。“高速通路”建成之后，必须配套完备的“管理手段”，才能做到行稳致远。

　　“传统交换机是个‘黑盒子’，数据进去、出来，里面发生了什么，外面不知道，就像在摸黑前行。一旦画面中断，到底是端机问题、链路问题，还是交换机问题，只能把设备一个个拆下来，分段测试。排故的第一步不是‘查问题’，而是‘拆设备’。”朱志强道出传统设备的痛点。

　　对此，研制团队“对症下药”，为交换机针对性增设了自检测功能单元，借助维护端口完成光纤环回，在FPGA内部嵌入处理单元与检测序列生成器，自主生成、收发模拟视频与通信测试信号。设备可在线识别链路通断、光功率衰减、端口异常等问题，实现故障精准定位。“好比给高速行驶的车辆配备车载诊断设备，以前只知道车辆出现故障，现在可以精准定位‘哪一只轮胎出了问题’。”朱志强说道。

　　ARINC818交换机自检测功能能够支持上电检测、飞行检测以及维护检测全场景使用，更重要的是能够进行预防性检测。如果出现异常，系统会设定阈值并报警，提前更换。在飞行中如果出现偶发的瞬时异常，也能够被功能单元记录，便于下机后进行及时分析。

　　如果说自检测是对整套“立体交通网”做定期体检，可监测能力就相当于在每一条“高速通道”装上了监控摄像头。

　　“过去联试时，外接分析仪只能看到链路两端，交换机内部的数据看不到。现在，入口、出口、通道内部都可以定点监控。”朱志强介绍，这款交换机创新采用交换平面、监控平面、控制平面三平面相互独立架构。正常转发数据时，监控平面可以把指定端口或指定通道的数据分流出来，通过监控端口实时输出，不影响正常通信，便于开展联试故障排查和机上数据记录。

　　更关键的是，监控能力与数据切换同步动态适配。在传统方案中，监控逻辑固化烧录在芯片内部，一旦数据流通路径变更，监控配置就需要重新修改。而ARINC818交换机可跟随链路动态切换，保证新的数据流依然可监测、可记录。

　　从过去“摸黑排故”，到如今故障可感知、可定位、可追溯，ARINC818交换机在国防成果鉴定中获得了“国际先进、国内领先”的评价，推动机载视频交换技术实现了跨越式提升。

从“0”到“1”向着

从“1”到“10”迈进

　　毫秒到微秒的变化几乎微不可察，而这场“看不见”的跨越是十余人的团队长达十年的持续攻坚。对科研人员而言，这条赛道没有标志性的里程碑，只有持续向前迭代。

　　“其实我们做的事情就像交换机一样，哪怕0.1微秒的改进，在飞机效能的提升上都是明显的。”回望攻关历程，朱志强感慨，“对航空装备研制来说，铆足了劲儿、精益求精是唯一的解决方案。”

　　“装备研制没有绝对意义上的成功，只有真正装机应用，才是检验成果的标尺，交付之后依然要持续迭代改进。”朱志强直言，这款交换机的很多技术属于国内首次探索，没有成熟经验可借鉴，遇到瓶颈甚至要全部推倒重来，“问题的解决不是一蹴而就的，需要砸时间、投精力，很多时候要回到原点再出发。”

　　对研制团队来说，作为“第一个吃螃蟹的人”，每一步都必须走得扎实。十年间，仿真推演、反复试验、装机调试循环往复，研制团队熬过无数通宵、历经多轮迭代优化后，逐一攻克了数据乱序、传输延迟、故障稳定性等一系列难题。如今这款交换机已批量装机，守护多型航空装备的信息传输，保障高清画面流畅同步，实时监测设备隐患，护航每一次蓝天翱翔。

　　“目前我们已经围绕交换架构、监控技术、诊断技术等方向布局了近30项专利，实现了从‘0’到‘1’的突破。未来我们还要完成从‘1’到‘10’的跨越，持续拓展产品性能，推动技术成果在更多航空装备落地应用。”朱志强说。

　　在时钟的指针走不到的缝隙，航空人用十年磨一剑的坚守无声向前，以勇攀高峰的姿态不断突破技术的边界，抵达一个又一个科技创新的“无人地带”。在大众的视线鲜少触及的地方，那些被隐去的毫秒与微秒、坚守与突破，正在万米高空校准着新的航向。