\chapter{Teoretický úvod do problému}

\section{Úvod}

V této části bude popsán jak systém \zk{zkFBW}, tak i obecný distribuovaný systém a dále zde budou vyvozeny nejdůležitější parametry, jaké musí komunikační systém takovýchto systémů splňovat jak z pohledu technického řešení, tak z bezpečnostního hlediska.

\section{Systém Fly-By-Wire}
Systém řízení letadel je založen na ovládání hlavních řídicích ploch - směrovky, výškovek a křidélek. V důsledku toho je potřeba určitým způsobem převádět řídicí pokyny od pilota (příp. od kopilota) k těmto ovládacím plochám.

V konvenčních systémech jsou ovládací plochy řízené za pomocí mechanických systémů (jako jsou různá táhla, dráty a řetězy), které jsou přímo spojeny s ovládacími prvky letadla - pedály a řídicí sloupek\footnote{Někdy označován také jako knipl}. Toto uspořádání má svou výhodu v tom, že pilot má přímou odezvu z ovládacích ploch. Nevýhoda tohoto systému je v tom, že lze použít jen pro nižší letové rychlosti (při vyšších rychlostech nelze kvůli aerodynamickému tlaku dosáhnout požadovaných výchylek řídicích ploch).

Další vývoj směřoval k mechanicko-hydraulickým systémům. Takovéto systémy obsahují hydraulický systém, který ovládá řídicí plochy. Toto řešení již není závislé na pilotově síle, což umožňuje větší manévrovatelnost letadla i při vyšších letových rychlostech. Nevýhoda tohoto systému spočívá především v jeho značné hmotnosti. Dále je nutno pro zvýšení bezpečnosti letu zdvojit (někdy i ztrojit) hydraulické i mechanické systémy, což se odráží na ceně a navíc dochází k dalšímu zvýšení zatížení letadla. Mezi další nevýhody patří nutnost opakovaných servisních zásahů - zejména promazávání mechanických spojů. Dále je zřejmé, že přídavné systémy jako např. \uv{yaw damper} (tlumič kmitů směrovky) musí mít své vlastní hydraulické a mechanické systémy, což dále zvyšuje hmotnost celého systému\cite{handbook}.

Dnešní systémy přenášejí povely od pilota k řídicím plochám jako elektrický signál, který ovládá elektro-hydraulické servo spojené mechanicky s řídicí plochou. Tento systém se nazývá \zkratkatext{zkFBW}. Dále je možné systém upravit tak, že přebírá určité funkce od pilota a tím ho zbavuje nadbytečné zátěže. \zk{zkFBW} systém poskytuje následující výhody oproti konvenčním mechanicko-hydraulickým systémům\cite{handbook}:\newpage
\begin{itemize}
  \item Celkové snížení hmotnosti řídicího systému letadla
  \item Sdružení několika separovaných systémů do jednoho
  \item Podstatné zlepšení ovladatelnosti letadla
  \item Jednodušší údržba
  \item Jednodušší výroba
  \item Snadnější přidávání nových funkcí do již dokončeného letadla
\end{itemize}

Základní schéma centralizovaného systému \zk{zkFBW} je uvedeno na obr. \ref{fig:fbw}. Takovýto systém umožňuje implementaci ochrany před překročením letové obálky\footnote{Konstrukční limity letadla v závislosti na přetížení, rychlosti, ...}(pomocí úpravy pokynů od pilota) a tím zvýšení bezpečnosti letu. Dále systém poskytuje možnost utlumení nežádoucích signálů od pilota\footnote{Pilot-induced oscillation - pilotem vyvolané oscilace.} a provádění úkonů, jež by od pilota vyžadovaly stálé úsilí (např. trimování\footnote{nastavení ovládané plochy do stálé pozice} - toto je možné i u konvenčních systému, ale je to nutné řešit přidáním speciálních systémů, kdežto u \zk{zkFBW} může být implementováno jako samostatná funkce) - tím se snižuje zátěž pilota.

\begin{figure}[htbp]
	\centering
  \includegraphics[width=15cm]{obrazky/pfcs.png}
  \caption{Zjednoušené schéma \zk{zkFBW}.}
  \label{fig:fbw}
\end{figure}
\pagebreak
Na obr. \ref{fig:central_fbw} je uvedeno blokové schéma primárního letového řídicího systému při použití centralizovaného systému \zk{zkFBW} ve kterém je obsažena většina funkcí ovládání letadla - tento systém je značně složitý a vyžaduje množství propojení s okolními systémy. Dále je běžné, že systém je v letadle duplikován\cite{a320} pro zvýšení celkové bezpečnosti a z toho vyplývá nutnost synchronizace mezi těmito redundantními systémy. Letový počítač obsahuje svou vnitřní sběrnici pro přenos dat, což přidává na jeho složitosti. Takovýto systém je již obsažen v mnoha současných letadlech, která jsou v provozu\footnote{např. Boeing 777, Airbus A340, Dassault Falcon 7X}.
\begin{figure}[htbp]
	\centering
  \includegraphics[width=15cm]{obrazky/central2.png}
  \caption{Blokové schéma centralizovaného \zk{zkFBW} systému.}
  \label{fig:central_fbw}
\end{figure}

\section{Distribuovaný systém Fly-By-Wire}
Pokud jednolitý systém rozdělíme do několika samostatných funkčních bloků (ne nutně se stejnou složitostí a funkcí), dostaneme distribuovaný systém \zk{zkFBW}. Takovéto rozdělení je naznačeno na obr. \ref{fig:distributed_fbw}.

Tato distribuce spočívá především v přenesení některých nebo všech výpočetních úkonů z centrálního řídicího systému směrem k jednotlivým řídicím jednotkám ovládaných ploch. Tímto postupem může být centrální řídicí systém/počítač úplně vynechán. Poté ale vznikne potřeba zvýšené komunikace mezi jednotlivými řídicími jednotkami - navzájem si poskytují data a mohou se ovlivňovat.

V důsledku toho je potřeba v takovémto systému umístit komunikační sběrnici, která by tuto komunikaci umožňovala.
\begin{figure}[htbp]
	\centering
  \includegraphics[width=15cm]{obrazky/distributed.png}
  \caption{Blokové schéma distribuovaného \zk{zkFBW} systému.}
  \label{fig:distributed_fbw}
\end{figure}
\newpage

\section{Definování parametrů sběrnice}
\label{sec:def}
Sběrnice vhodná pro nasazení v distribuovaném \zk{zkFBW} systému by měla splňovat následující kritéria:
\begin{itemize}
  \item Vysoká míra bezpečnosti
  \item Dostatečná datová propustnost mezi jednotlivými uzly systému
  \item Transparentnost pro vyšší vrstvy systémů na jednotlivých uzlech\footnote{vyšší vrstva systému nemusí mít znalost o uspořádání komunikační vrsrtvy}
  \item Možnost adresovat všechny uzly z kteréhokoliv uzlu
  \item Nízká hmotnost
  \item Jednoduchost nasazení
  \item Možnost rozšíření systému o další uzly
  \item Snadná výměna komponent (při údržbě)
  \item Systém sběrnice musí být schopen projít certifikačním procesem\footnote{např. u FAA (Federal Aviation Administration, USA) nebo EASA (European Aviation Safety Agency)}.
\end{itemize}

\paragraph{Vysoká míra bezpečnosti}

V případě leteckých systémů je bezpečnost na prvním místě. Je proto nutné zajistit, aby komunikační sběrnice byla schopna zajistit dostatečnou míru integrity dat - tzn. poškozená/chybná data se nesmějí dostat k příjemci zprávy, pokud nejsou označena jako chybná. Pravděpodobnost takového selhání by neměla být větší než 10$^{\textrm{-11}}$. Dále je nutné zajistit vysokou dostupnost komunikačního systému.

\paragraph{Dostatečná datová propustnost}

Letecké systémy nejsou tolik náročné na dostatečnou šířku pásma pro přenos jako jiné technologie, ale s ohledem na budoucí rozšiřování systému a větší množství obsažených uzlů by sběrnice měla dosahovat přenosových rychlostí alespoň 100 kbit/s.


\paragraph{Transparentnost}

Pro usnadnění návrhu systémů vyšších vrstev by pro ně měla být komunikační vrstva co nejvíce transparentní. Systémy navazující na komunikační vrstvu tedy pouze předávají svá data pro jiné uzly a spoléhají na zajištění kvality služby od tohoto komunikačního systému. Vyšší vrstvy systému tak nemusí mít podrobný přehled o komunikačním systému, což umožňuje snazší implementaci koncových zařízení a tím snížení nákladů na uvedení systému do provozu 

\paragraph{Nízká hmotnost}

Z ekonomických důvodů jsou všechny systémy letadla konstruovány i s ohledem na jejich hmotnost, proto by komunikační systém měl být co nejjednodušší - obsahovat co nejmenší počet součástí (avšak nesmí tím utrpět bezpečnost). Proto by také měl být co nejmenší počet fyzických spojů mezi jednotlivými uzly systému.

\paragraph{Certifikace}

Všechny zde uváděné druhy komunikačních sběrnic byly již v minulosti nasazeny v leteckém průmyslu. Proto již byly certifikovány pro použití v leteckém průmyslu.

%