Управление избыточностью технических систем. Супервизорный способ управления конфигурациями

В.Н. БУКОВ
А.М. АГЕЕВ
А.В. ЕВГЕНОВ
В.А. ШУРМАН
УПРАВЛЕНИЕ 
ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ 
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
СУПЕРВИЗОРНЫЙ СПОСОБ 
УПРАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЯМИ
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2025

УДК 007.3(075.4)
ББК 15.2 
 
Б90
А в т о р ы:
Буков В.Н., доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института авиационного оборудования;
Агеев А.М., кандидат технических наук, доцент, докторант Военного учебнонаучного центра Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени 
профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»;
Евгенов А.В., директор филиала, заместитель директора по научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам — главный конструктор Раменского приборостроительного конструкторского бюро;
Шурман В.А., главный специалист Раменского приборостроительного конструкторского бюро
Р е ц е н з е н т ы:
Бронников А.М., доктор технических наук, доцент, профессор кафедры приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана; 
Каравай М.Ф., доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией 
технической диагностики и отказоустойчивости Института проблем управления имени В.А. Трапезникова Российской академии наук
Буков В.Н.
Б90  
Управление избыточностью технических систем. Супервизорный способ управления конфигурациями : монография / В.Н. Буков, 
А.М. Агеев, А.В. Евгенов, В.А. Шурман. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 
332 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1959232.
ISBN 978-5-16-018286-5 (print)
ISBN 978-5-16-111301-1 (online)
Монография посвящена вопросу управления избыточностью технических систем в интересах придания им свойств живучести, отказоустойчивости, отказобезопасности, адаптации к изменению условий функционирования и рацио 
нального использования располагаемых ресурсов. 
Внимание сосредоточено на супервизорном подходе к управлению избыточностью технических систем, основанном на специально введенных программно-логических структурах — супервизорах конфигураций. Системно 
изложены идеи и решения по информационной структуре и алгоритмам 
управления реконфигурированием комплексов бортового оборудования 
с избыточностью неоднородных неуниверсальных компонентов.
Рассчитана на студентов и аспирантов технических вузов, а также научных сотрудников и конструкторов, специализирующихся в области 
разработки, исследования и испытания реконфигурируемых тех 
нических 
систем.
УДК 007.3(075.4) 
ББК 15.2
© Буков В.Н., Агеев А.М., 
ISBN 978-5-16-018286-5 (print)
ISBN 978-5-16-111301-1 (online)
Е 
вгенов А.В., Шурман В.А., 2023

Введение
Исследование, проведенное Международной ассоциацией воздушного транспорта (IATA) [1], показывает, что, несмотря на снижение показателей отрасли из-за кризиса в 2020 финансовом году, 
авиационные компании потратили 26 миллиардов долларов на техническое обслуживание и ремонт коммерческих самолетов. Ожидалось1, что эта цифра вырастет еще на 68% до 2022 года. Доля затрат 
на эксплуатацию составляет порядка 10% в общей структуре расходов и продолжает неуклонно расти.
Из-за возросшей автономности и связанной с этим сложности 
авиационных систем авиаперевозчики вынуждены вкладывать значительные средства в системы управления техническим состоянием 
авиационной техники (АТ) в поиске улучшения программ ее технического обслуживания в интересах снижения аварийности, повышения гарантированности выпуска самолетов в полет, снижения 
затрат на эксплуатацию, избежания незапланированных простоев 
и связанных с ними финансовых издержек. В целом эти преобразования идут по пути создания высоконадежной АТ, которая бы 
не требовала обслуживания по крайней мере до истечения заданного межрегламентного периода.
В целях повышения надежности авиационного бортового оборудования и обеспечения безопасности полета используются бортовые автоматизированные системы контроля (БАСК) и бортовые 
системы технического обслуживания (БСТО), представляющие 
собой совокупности аппаратных и программных средств и методов. Такие системы, независимо от места реализации (полностью 
на борту или частично на земле) и других особенностей (уровень 
автоматизации и др.), нацелены [2–4] на однозначный ответ: нуждается ли в настоящее время проверяемое оборудование в ремонте 
или техническом обслуживании с учетом прогнозируемого обеспечения безотказной работы до очередных плановых технических 
работ. Такое, по сути, положение вещей можно считать «традиционным» подходом к эксплуатации бортового оборудования.
Вместе с тем наблюдается возрастающее внимание ученых, 
разработчиков и производителей АТ к исследованиям в области 
безотказных (отказоустойчивых, самовосстанавливающихся) 
1 
Тот факт, что под действием глобальных процессов реальные объемы 
и структура затрат претерпели изменения, не меняет общей объективной 
тенденции.
3

бортовых систем [5–7]. По замыслу такие системы, в отличие 
от «традиционных», должны не ограничиваться обнаружением 
(установлением факта), диагностированием (указанием места) 
и, возможно, локализацией (предотвращением распространения 
опасности) отказов, а предпринимать активные действия по автоматическому восстановлению исходной функцио 
нальности 
(выполняемые функции, технические и эксплуатационные характеристики) комплексов бортового оборудования (КБО) в целом 
по предназначению. А если полное восстановление невозможно, 
то минимизировать неизбежную деградацию КБО по причине отказов его компонентов.
Безальтернативным путем создания таких систем является введение преднамеренной избыточности их бортовых аппаратных 
и программных ресурсов с непременным использованием специальных средств, предназначенных для управления располагаемой 
избыточностью. Совокупность таких средств, алгоритмически 
взаимо 
связанная и пространственно распределенная, рассматривается далее как единая бортовая система управления избыточностью (СУИ).
Настоящая монография посвящена обоснованию и изложению 
одного из возможных и достаточно эффективных подходов к построению интегрированной СУИ сложных технических систем, 
каковыми являются бортовая интегрированная вычислительная 
среда (БИВС) и в целом интегрированный комплекс бортового 
оборудования (ИКБО) летательных аппаратов.
СУИ должна осуществлять оптимальное (рацио 
нальное) использование всех располагаемых (доступных) ресурсов для достижения целей использования КБО по предназначению. При этом 
в зависимости от обстоятельств цель может не только включать 
(или подразумевать) обеспечение высоких показателей отказоустойчивости в различных применениях КБО, но и преследовать 
одновре 
менное или выборочное улучшение, достижение нового 
уровня других эксплуатационно-технических характеристик создаваемых систем.
Например, это может относиться к точности и надежности решения отдельных задач, удовлетворению специальных требований 
по экологичности, экономии расходования энергии или ресурса 
наиболее дорогих, специально сохраняемых компонентов и др.
Ранее были опубликованы результаты по аналитическому генерированию альтернативных конфигураций избыточного КБО [8]. 
Данная работа посвящена одной из возможных концепций организации управления избыточностью КБО с использованием так назы4

ваемых супервизоров1 конфигураций (СК). Рис. В1 иллюстрирует 
общее соотношение областей применимости методов упомянутого 
генерирования альтернатив G, излагаемых в данной монографии 
супервизоров конфигураций S и практически реализуемых избыточных комплексов A.
Рис. В1. Области решений по управлению избыточностью:
A — доступные (accessible) инженерные; G — аналитически генерируемые 
(generated); S — реализуемые посредством супервизоров (supervisors) 
конфигураций
Аппарат аналитического генерирования конфигураций КБО 
(область G) явным образом ограничен системами, представляемыми линейными динамическими моделями и более того — передаточными матрицами. Статические в основном своем объеме, 
а также нелинейные системы могут существовать за пределами 
области G. Кроме того, могут существовать случаи, не допускающие формализации моделей объекта и (или) компонентов 
в виде передаточных матриц, к чему развиваемый подход [8, 10] 
не готов. Дискретность или непрерывность динамических моделей во времени со всей очевидностью не играют принципиальной роли.
В свою очередь, механизм супервизоров конфигураций предполагает возможность сепарирования всех возможных конфигураций 
как в смысле разделения привлекаемых ресурсов между конфигурациями2, так и в смысле автономного прописывания (программи1 
Супервизор (от англ. supervisor — руководитель, надсмотрщик) — часть 
управляющей программы, координирующая распределение ресурсов 
системы обработки информации [9].
2 
Допускается использование одних и тех же ресурсов в различных конфигурациях.
5

рования) процедур подготовки, отбора, инициализации и оперативного управления каждой из конфигураций. Могут и должны 
сочетаться централизованная цель (замысел: что и как достигается) 
и распределенное исполнение (какие действия и как предпринимаются) управления избыточностью. При этом за рамками концепции 
СК возможны другие подходы, реализующие, например, традиционно раздельное управление основными и резервными компонентами (датчиками, вычислителями, каналами передачи данных, 
актюаторами и пр.) или иные — на основе разработок других авторских коллективов [11–13].
В то же время доступные для практического применения решения по управлению избыточностью выходят за пределы возможностей как аналитического генерирования альтернативных 
решений, так и механизма супервизоров конфигураций. Например, 
такие решения могут охватывать континуальные системы [5], реализующие плавную (гладкую по оценкам характеристик отказов) 
настройку реконфигурационных параметров и, таким образом, формально выпадающие из-под понятия конфигурации как таковой. 
Они также могут быть связаны с нелинейными динамическими 
моделями процессов либо с формальными моделями другого типа, 
что выводит их из-под разработанного аппарата аналитического генерирования конфигураций.
Положения границ указанных областей зависят от различных 
факторов (уровня развития теории, технологических возможностей 
и др.) и в общем не совпадают. При этом пересечения областей создают соответствующие подобласти:
AG — решения, подпадающие под возможности аппарата аналитической генерации альтернативных конфигураций и доступные 
для практической реализации;
GS — решения, подпадающие под возможности аппарата аналитической генерации альтернативных конфигураций и представимые механизмом супервизоров конфигураций;
AS — решения, представимые механизмом супервизоров конфигураций и доступные для практической реализации;
AGS — решения, одновременно получаемые путем аналитической генерации альтернативных конфигураций, представимые 
механизмом супервизоров конфигураций и доступные для практической реализации.
Настоящая монография сосредоточена на области S решений 
для отказоустойчивых бортовых систем вместе со свойственными 
для нее пересечениями GS, AS и AGS. Доступные в научно-технической литературе наработки обсуждаются здесь в той мере, 
6

в которой они, по мнению авторов, связаны, могут быть связаны 
или сопоставимы с реконфигурированием избыточного КБО на основе супервизоров конфигураций.
Авторы выражают искреннюю благодарность коллегам по разрабатываемому научному направлению А.М. Бронникову, И.Ф. Гамаюнову, А.С. Попову и А.М. Мальцеву, а также руководству профильных организаций, сотрудничество и поддержка которых сыграли значительную роль в проведении исследований и подготовке 
материалов данной монографии.
7

Глава 1.  
ИЗБЫТОЧНОСТЬ КАК ТЕНДЕНЦИЯ  
РАЗВИТИЯ БОРТОВЫХ СИСТЕМ
Согласно общепринятому определению [14], избыточностью 
технической системы называется наличие в ней возможностей 
сверх тех, которые могли бы обеспечить ее нормальное функционирование. Различают «дикую» избыточность, возникающую как 
результат неоптимального или нерацио 
нального проектирования 
и подлежащую безусловной минимизации, и преднамеренную избыточность, целями которой являются обеспечение требуемых 
уровней надежности и отказобезопасности систем, увеличение 
их производительности или достижение иных полезных свойств 
за счет возможностей реконфигурирования ресурсов.
Так, в КБО самолетов транспортной категории преднамеренная 
избыточность компонентов оборудования разных видов (датчики, 
эффекторы, вычислители, каналы передачи сигналов или данных) 
наличествует естественным образом уже в силу требований отказобезопасности. Очевидна также тенденция к повышению уровня 
избыточности, происходящему в русле основных направлений развития авионики, — как вследствие предъявления качественно новых 
технико-эксплуатационных требований надежности, живучести, 
сертифицируемости, расширения функцио 
нальности, снижения эксплуатационных затрат, так и в связи с появлением новых технологических возможностей миниатюризации электронной аппаратуры.
В данной главе приведены результаты анализа технических 
и научных аспектов создания избыточных систем применительно, 
в основном, к авиаприборостроительной отрасли, хотя в ряде случаев эти результаты связаны с гораздо более широким кругом технических систем.
1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ 
ИНТЕГРИРОВАННЫХ КБО
К настоящему времени в авионике сложились признанные подходы к обеспечению конкурентоспособности КБО, направленные 
на удовлетворение новых требований [15] прежде всего в рамках 
концепции интегрированной модульной авионики (ИМА), практически параллельно с которой развивается концепция авионики 
необслуживаемого авиационного оборудования (АНБО).
8

Интегрированная модульная авионика первого поколения
Концепция ИМА устанавливает принципы использования стандартизированных компонентов и интерфейсов аппаратуры и программного обеспечения (ПО) на самолете и базируется на открытой 
сетевой архитектуре и единой вычислительной платформе [16–18].
Для архитектуры ИМА характерно использование общих, 
прежде всего вычислительных, ресурсов несколькими различными функциями1 (в общем случае разных уровней критичности). 
Пространственное (по памяти) и временнóе (по процессам) разделение доступа функций к ресурсам позволяет исключить конфликты между ними и предотвратить распространение ошибок. 
Указанный принцип распространяется также на открытые сетевые 
интерфейсы, т.е. на коммуникационные ресурсы, обеспечивающие 
информационное взаимодействие структурных компонентов комплекса. В случае, например, применения протокола ARINC 664 
совокупный трафик сети разделен между независимыми виртуальными каналами.
Таким образом, логико-временная структура вычислительной 
среды ИМА позволяет организовать адаптацию последней к выполнению определенной функции КБО (с подключением к необходимым информационным каналам комплекса) на время выполнения этой функции, т.е. динамическую настройку конфигурации 
в процессе функционирования.
Важной особенностью КБО, построенного на основе архитектуры ИМА, является использование общих коммуникационных 
ресурсов при соответствующем сокращении доли «жестких» связей 
между датчиками и эффекторами бортового оборудования (или их 
информационными каналами), с одной стороны, и вычислительными средствами, с другой.
Открытая архитектура ИМА, наличие общих (разделяемых) 
вычислительных и коммуникационных ресурсов в сочетании с модульностью и унификацией аппаратного и программного обеспечения не только упрощают процесс разработки и сертификации 
ПО, но и создают объективные предпосылки для масштабирования авионики, создания и использования аппаратно-программной избыточности за счет введения в структуру дополнительных 
резервных модулей. Целью является как увеличение общей надежности функций комплекса (за счет возможности динамического 
1 
Распространенное название содержательно и логически объединенных действий, направ 
ленных на решение определенной самостоятельной задачи 
КБО (навигация, связь, управление полетом и пр.).
9

реконфигурирования избыточной структуры КБО с перераспределением ресурсов при отказах в процессе функционирования), так 
и удовлетворение ряда новых требований, достижимых благодаря 
возможности вариантного конфигурирования комплекса.
Различные по назначению и устройству узлы объединяются 
бортовой локальной сетью. В базовых проектах [19] в этом качестве 
используется сеть AFDX по ARINC 664, в которой роль «общей 
шины» играют интеллектуальные коммутаторы (switch). При этом 
в необходимых случаях узлы могут дополнительно обладать каналами приема/передачи данных, минующими указанную шину.
Упрощенная архитектура платформы ИМА первого поколения 
(ИМА1), соответствующая основным принципам документа [16], 
показана на рис. 1.1.
Вычислительная среда ИМА включает набор вычислительных 
узлов, объединенных бортовой сетью Aircraft Data Network (ADN), 
в данном случае AFDX по ARINC 664, на базе ряда унифицированных модулей: вычислительного (Computing Processing Module — 
CPM), ввода/вывода (Input/Output Module — IOM), графического 
(Graphic Processing Module — GPМ) и др. Модулями IOM обеспечивается необходимый минимум «жестких» связей по стандартным 
авиационным интерфейсам, прежде всего по каналам ARINC 429.
Программное обеспечение ИМА реализовано в форме системного ПО (СПО) вычислительных модулей на основе операционной 
системы реального времени, а также набора бортовых функциональных приложений, распределенных между вычислительными 
узлами и ответственных за реализацию функций комплекса оборудования, — модулей функцио 
нального программного обеспечения 
(МФПО) F1, …, Fn.
Аппаратные и программные модули ИМА снабжаются средствами глубокого мониторинга технического состояния (тестового и функцио 
нального контроля) и инструментальной поддержки. Модули ИМА могут входить в состав крейтов в качестве 
конструктивно-функцио 
нальных узлов. В этом случае может 
использоваться межмодульный интерфейс с более высокой пропускной способностью по сравнению с шиной сети ADN, например 
PCI-express.
Характерным для такой архитектуры является дублирование 
(минимальная однородная избыточность) устройств в сегментах 
центральной вычислительной системы, сетевой коммутации и концентрации данных и сигналов.
Сетевая топология реального комплекса может быть достаточно 
сложной, требует в ряде случаев применения разветвления и каска10