飛機(jī)航空電子系統(tǒng)綜合驗(yàn)證平臺(tái)研究

中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 周 濤 趙永庫

綜合驗(yàn)證是飛機(jī)型號(hào)研制過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，可以驗(yàn)證飛機(jī)的各種功能。性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，是確保滿足用戶需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，日益受到用戶和工業(yè)部門的重視。傳統(tǒng)的綜合驗(yàn)證平臺(tái)環(huán)境下耗費(fèi)大量人力、物力，導(dǎo)致型號(hào)研制周期變長、研制費(fèi)用增長。為了節(jié)約成本，縮短研制周期，新時(shí)期對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)提出了更高的要求，而現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及虛擬儀器等技術(shù)的快速發(fā)展，為研制更加先進(jìn)、高效、實(shí)用、完善的綜合驗(yàn)證平臺(tái)提供了條件[4]。

本文針對(duì)航空電子系統(tǒng)，對(duì)幾種綜合驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行了簡述，重點(diǎn)分析了半物理綜合驗(yàn)證平臺(tái)的架構(gòu)組成，并研究分析了新一代綜合驗(yàn)證平臺(tái)的需求和發(fā)展方向，為新型號(hào)驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)提供了借鑒。

綜合驗(yàn)證平臺(tái)簡要分析

航空電子系統(tǒng)綜合試驗(yàn)驗(yàn)證是利用仿真與測試平臺(tái)，逐步把航空電子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的各分系統(tǒng)模型或設(shè)備實(shí)物按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)集成起來，使在各種適當(dāng)?shù)耐獠凯h(huán)境中動(dòng)態(tài)運(yùn)行，從而驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足功能與性能等設(shè)計(jì)要求。在航空電子系統(tǒng)的研制周期內(nèi)，有全數(shù)字仿真綜合、半物理仿真綜合和全物理系統(tǒng)綜合3種驗(yàn)證平臺(tái)，以保證在系統(tǒng)需求分析和設(shè)計(jì)階段、軟件開發(fā)階段、子系統(tǒng)開發(fā)階段和全系統(tǒng)綜合階段進(jìn)行不同層級(jí)的綜合測試。

全數(shù)字仿真是通過數(shù)學(xué)的方法，以純軟件形式存在于宿主機(jī)上實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行的一種方法，對(duì)于在系統(tǒng)的軟硬件建立前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、減小項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。半物理仿真是通過激勵(lì)器和仿真器提供某一航空電子設(shè)備工作的環(huán)境，從而完成對(duì)其功能、邏輯、控制、接口的驗(yàn)證，在整個(gè)航空電子系統(tǒng)集成過程中必不可少。全物理系統(tǒng)是將被測設(shè)備置于完全真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，通過真實(shí)總線與其他設(shè)備和系統(tǒng)相連，利用仿真模擬外圍傳感器數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)綜合驗(yàn)證[5]。

以某型民用飛機(jī)研制過程為例，初期通過建立其顯示控制系統(tǒng)以及與航空電子系統(tǒng)交聯(lián)的其他系統(tǒng)接口的全數(shù)字仿真驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證顯示控制系統(tǒng)的正確性、人機(jī)交互界面和顯示資源分配的合理性、畫面切換及系統(tǒng)接口的合理性與正確性等。全數(shù)字仿真靈活方便，在系統(tǒng)的需求分析、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā)階段發(fā)揮著重要作用，對(duì)民用飛機(jī)來說可以支持系統(tǒng)精度分析和分配、支持驗(yàn)證模型和算法的正確性、支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化與迭代、支持驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性等，此外，對(duì)于軍用飛機(jī)還可支持其作戰(zhàn)概念、作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)需求的研究等 。

半物理仿真和全物理系統(tǒng)對(duì)于航空電子系統(tǒng)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)來說，只是一個(gè)相對(duì)的概念。如對(duì)于子系統(tǒng)或設(shè)備級(jí)的驗(yàn)證，當(dāng)組成子系統(tǒng)的所有部件為真件時(shí)，可以認(rèn)為這是一個(gè)子系統(tǒng)級(jí)的全物理仿真試驗(yàn)；在系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證中，組成系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)均為真件時(shí)，認(rèn)為其是系統(tǒng)級(jí)的全物理仿真試驗(yàn)。

一般認(rèn)為試驗(yàn)室的航空電子系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)是半物理仿真平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于航空電子系統(tǒng)研制、功能性能驗(yàn)證、升級(jí)維護(hù)等過程，可有效支持各項(xiàng)任務(wù)軟件及其子系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試和測試，系統(tǒng)集成測試，航空電子系統(tǒng)空中試驗(yàn)以及地面故障復(fù)現(xiàn)，提供適航認(rèn)證及試飛支持、支持飛行員操作培訓(xùn)等。半物理仿真綜合驗(yàn)證平臺(tái)繼承了全數(shù)字仿真綜合驗(yàn)證平臺(tái)的成果，轉(zhuǎn)變成為具有真實(shí)物理接口的驗(yàn)證平臺(tái)，通常采用增量式的集成策略，關(guān)注點(diǎn)從每個(gè)子系統(tǒng)軟硬件功能最終轉(zhuǎn)移到大系統(tǒng)的整體功能，進(jìn)而完成大系統(tǒng)集成測試。

田園滲透——農(nóng)田是村莊最大的綠化資源，五星村村田地平坦廣闊，規(guī)劃將農(nóng)林用地與農(nóng)作物布局結(jié)合進(jìn)行大面積塊狀綠化，打造村莊景觀的“圖底”，使村莊外部的田園風(fēng)光與村莊內(nèi)部景觀融為一體。

一般認(rèn)為機(jī)上試驗(yàn)為全物理系統(tǒng)平臺(tái)，在所有航空電子設(shè)備裝機(jī)后，支持針對(duì)航空電子設(shè)備功能、性能、接口等進(jìn)行的地面試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)，以驗(yàn)證各子系統(tǒng)功能及安裝是否滿足設(shè)計(jì)要求和適航要求、各系統(tǒng)間的交聯(lián)接口的正確性及各系統(tǒng)主要性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)支持全機(jī)電磁兼容定性和定量試驗(yàn)，以驗(yàn)證執(zhí)行關(guān)鍵功能的電子電氣系統(tǒng)不存在不利的電磁兼容性影響。

半物理仿真綜合驗(yàn)證平臺(tái)架構(gòu)

半物理仿真綜合驗(yàn)證平臺(tái)是航空電子系統(tǒng)集成過程中必不可少的，是應(yīng)用最多、最廣的，也是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。一般所指的綜合驗(yàn)證平臺(tái)均為半物理仿真驗(yàn)證平臺(tái)，繼承全數(shù)字仿真成果，其建設(shè)從座艙試驗(yàn)到分系統(tǒng)試驗(yàn)，再到全系統(tǒng)集成測試，最終完成與飛機(jī)其他系統(tǒng)的聯(lián)試。半物理仿真綜合驗(yàn)證平臺(tái)主要包括：試驗(yàn)總控系統(tǒng)、試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)配線系統(tǒng)、仿真激勵(lì)系統(tǒng)、視景系統(tǒng)、試驗(yàn)座艙、供配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)等，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1 試驗(yàn)總控系統(tǒng)

試驗(yàn)總控系統(tǒng)提供各類上位機(jī)軟件供試驗(yàn)人員使用，通過以太網(wǎng)對(duì)各類試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理[6]，實(shí)施對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程中的資源配置運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障注入、時(shí)鐘同步和試驗(yàn)管理等功能。

2 試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)配線系統(tǒng)

試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)配線系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)和配線2個(gè)部分，試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)分為控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)3部分。控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件對(duì)下位機(jī)的控制，將總控網(wǎng)絡(luò)的控制指令下達(dá)至各類試驗(yàn)資源；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的分發(fā)和接收；時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)保證了動(dòng)態(tài)綜合試驗(yàn)時(shí)各系統(tǒng)工作在同一時(shí)間軸，支持精確的時(shí)間分析?？刂凭W(wǎng)絡(luò)一般采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，采用具有內(nèi)存共享、延遲小于3μs的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，一般采用反射內(nèi)存網(wǎng)或廣播內(nèi)存網(wǎng)；時(shí)鐘同步通過真實(shí)總線實(shí)現(xiàn)。配線系統(tǒng)通過接收總控系統(tǒng)的指令完成真件/仿真件之間的切換，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)構(gòu)型的改變 。

3 仿真激勵(lì)系統(tǒng)

仿真激勵(lì)系統(tǒng)包括飛行環(huán)境仿真、設(shè)備激勵(lì)器和仿真器設(shè)備。飛行環(huán)境仿真主要為航空電子試驗(yàn)提供動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)飛行環(huán)境參數(shù)、飛機(jī)飛行參數(shù)、飛機(jī)性能參數(shù)等。設(shè)備激勵(lì)器在環(huán)境仿真的支持下，為機(jī)載設(shè)備提供在任務(wù)剖面內(nèi)工作所需的傳感器信號(hào)，是綜合驗(yàn)證平臺(tái)重要的支持設(shè)備。設(shè)備仿真件主要實(shí)現(xiàn)航空電子分系統(tǒng)模擬和非航空電子系統(tǒng)模擬等，支持系統(tǒng)的增量式集成策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從全數(shù)字到半物理平臺(tái)的平滑過渡。

4 視景系統(tǒng)

將試驗(yàn)座艙中操縱組件信號(hào)接到飛行仿真系統(tǒng)，飛行仿真系統(tǒng)將基于目標(biāo)模型和地景數(shù)據(jù)庫解算得出的數(shù)據(jù)輸入視景系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)視景系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地顯示出飛機(jī)控制操縱效果相應(yīng)的飛機(jī)環(huán)境，提高試驗(yàn)結(jié)果的可視性，為飛行員初步體驗(yàn)和培訓(xùn)提供了平臺(tái)。

5 試驗(yàn)座艙

座艙是人機(jī)交互的主體，是航空電子系統(tǒng)大量試驗(yàn)的顯示與控制端，擁有各種操作機(jī)構(gòu)、控制器、指示器、開關(guān)按鈕、指示燈等電氣設(shè)備。試驗(yàn)座艙繼承全數(shù)字仿真平臺(tái)的虛擬座艙部分，以型號(hào)座艙布局為基礎(chǔ)，包含了駕駛艙操縱組件、多功能顯示器和相關(guān)控制面板等。

6 供配電系統(tǒng)

圖2 新一代綜合驗(yàn)證平臺(tái)的特點(diǎn)

供配電系統(tǒng)對(duì)各工作站、仿真器、激勵(lì)器采用市電供電；真實(shí)航空電子系統(tǒng)設(shè)備通過將普通市電采用整流、逆變等方法轉(zhuǎn)為所需的115V/400Hz恒壓恒頻交流電或28V低壓直流電供電，并在每個(gè)設(shè)備端帶有加電斷電管理功能，同時(shí)有過壓、過流、欠壓等保護(hù)功能。

7 數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)且不影響航空電子系統(tǒng)正常工作，主要采集不同總線數(shù)據(jù)和離散量數(shù)據(jù)，并對(duì)采集來的信號(hào)加上時(shí)標(biāo)放入實(shí)時(shí)網(wǎng)共享內(nèi)存，可以用來實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)供記錄模塊讀取數(shù)據(jù)并將其保存至數(shù)據(jù)庫中，以便分析和回放使用。

除上述系統(tǒng)之外，綜合驗(yàn)證平臺(tái)還包括其所需的各類連接線纜、設(shè)備臺(tái)架、通風(fēng)冷卻等配套設(shè)施，從而構(gòu)成一個(gè)完整的半物理仿真綜合驗(yàn)證平臺(tái)，是當(dāng)前航空電子系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的主要平臺(tái)。

新一代綜合驗(yàn)證平臺(tái)研究

如何提高系統(tǒng)綜合試驗(yàn)的質(zhì)量和效率，是航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證人員一直關(guān)注的問題。提高人員素質(zhì)和規(guī)范試驗(yàn)流程是保證質(zhì)量和效率的前提，而改善試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)執(zhí)行成為提高系統(tǒng)試驗(yàn)質(zhì)量和效率的2個(gè)重要方面[1]?；谏鲜鰡栴}，綜合驗(yàn)證平臺(tái)在支持飛機(jī)安全性、適航認(rèn)定試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)測試的要求，本研究據(jù)此提出了新一代綜合驗(yàn)證平臺(tái)，其具有的特點(diǎn)如圖2所示。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

試驗(yàn)設(shè)計(jì)是后續(xù)試驗(yàn)程序的依據(jù)。試驗(yàn)需求的正確把握與否、試驗(yàn)內(nèi)容的全面詳細(xì)與否、試驗(yàn)方法的合理具體與否、評(píng)估方法的合理與否等都關(guān)系到試驗(yàn)的質(zhì)量。

以某一航空電子系統(tǒng)軟件驗(yàn)證計(jì)劃設(shè)計(jì)為例，正確地把握試驗(yàn)需求是試驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的第1步。試驗(yàn)的需求往往可以通過軟件合同的需求、各類標(biāo)準(zhǔn)、軟件性能及功能要求為基礎(chǔ)，進(jìn)行總結(jié)提煉，并通過多位專家把關(guān)，明確需求；試驗(yàn)內(nèi)容建立在試驗(yàn)需求的基礎(chǔ)上，確定試驗(yàn)的具體項(xiàng)目，再分解項(xiàng)目直至每個(gè)子項(xiàng)目不可分解時(shí)，對(duì)每層分解項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)描述，可以正確、全面地完成不同層次的試驗(yàn)內(nèi)容；試驗(yàn)方法是針對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)出一組合理的合乎邏輯的流程，關(guān)系到試驗(yàn)的價(jià)值；評(píng)估是試驗(yàn)走向結(jié)束不可或缺的一步，關(guān)系到試驗(yàn)的意義，如針對(duì)軟件考慮邏輯、精度、邊界條件以及影響試驗(yàn)的因素，可以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的可信度有更好的把握。

2 自動(dòng)測試驗(yàn)證研究

傳統(tǒng)的試驗(yàn)需要在人機(jī)界面上通過完全人工的方法執(zhí)行整個(gè)過程，而航空電子系統(tǒng)的功能邏輯和接口關(guān)系極其復(fù)雜，操作和外部環(huán)境也很復(fù)雜，因此其試驗(yàn)過程繁瑣，對(duì)此，本研究提出了自動(dòng)測試的方法。自動(dòng)測試是通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和相應(yīng)可編程設(shè)備等對(duì)機(jī)載電子設(shè)備進(jìn)行快速精確的測試，使人工干預(yù)降到最低限度[7]。

在試驗(yàn)內(nèi)容條目確定后，基于測試用例的自動(dòng)測試驗(yàn)證方法對(duì)于提高試驗(yàn)效率有明顯作用，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)可編制規(guī)范的、確定性的以及可重復(fù)的試驗(yàn)程序。測試用例程序應(yīng)包括測試目的和方法、操作步驟、檢查的事件和系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移、檢查的信號(hào)和數(shù)據(jù)流、準(zhǔn)備的測試算法與模型、外部條件設(shè)置、期望響應(yīng)和測試輸出評(píng)估依據(jù)、精度分析算法等。測試用例執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)采集、記錄相關(guān)總線消息，對(duì)數(shù)據(jù)流、控制流進(jìn)行分析，并與期望響應(yīng)對(duì)比，按照評(píng)估依據(jù)生成測試報(bào)告。基于測試用例的自動(dòng)測試方法對(duì)于確定性的、可驗(yàn)證的模型實(shí)現(xiàn)了高效準(zhǔn)確的測試驗(yàn)證，對(duì)于提升全數(shù)字仿真平臺(tái)、半物理仿真平臺(tái)、全物理仿真平臺(tái)能力和效率都有重要意義。

自動(dòng)測試對(duì)于相對(duì)成熟系統(tǒng)和大量重復(fù)性試驗(yàn)有重要意義。然而自動(dòng)化測試驗(yàn)證需要一定的實(shí)現(xiàn)和維護(hù)成本，完全覆蓋整個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)幾乎是不可能的，在其覆蓋面和人工參與面找到最佳平衡點(diǎn)對(duì)于民機(jī)航空電子設(shè)備研發(fā)降低成本有現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，由于航空電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和重要性，在綜合試驗(yàn)初期和其他重要試驗(yàn)過程中，自動(dòng)測試不能完全替代人工完成。

3 前沿技術(shù)的引入

圖3 分立式驗(yàn)證平臺(tái)簡要架構(gòu)

新一代的的綜合驗(yàn)證平臺(tái)改善了試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)執(zhí)行，可以大幅提升驗(yàn)證質(zhì)量和效率。除此之外，新一代綜合驗(yàn)證平臺(tái)在設(shè)備和技術(shù)方面也不斷獲得提升，如為了給復(fù)雜系統(tǒng)提供簡單便捷的使用環(huán)境，引入中間件技術(shù)到驗(yàn)證平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)中，可以降低通信復(fù)雜度，且易于系統(tǒng)擴(kuò)展；在總控系統(tǒng)中引入簡潔觸摸式人機(jī)界面，將遠(yuǎn)程管理的技術(shù)運(yùn)用到試驗(yàn)管理中，從而避免試驗(yàn)人員之間的喊話、人員來回走動(dòng)等，提高了驗(yàn)證效率[8]。

4 靈活的構(gòu)建方式

隨著光纖技術(shù)和光電設(shè)備的發(fā)展，新一代驗(yàn)證平臺(tái)尤其是半物理仿真平臺(tái)的建設(shè)也更加自由，可以通過光電設(shè)備和光纖連接線使不同實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)設(shè)備和被測設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)的連接，同時(shí)通過音頻、視頻技術(shù)使互相交聯(lián)而分立的實(shí)驗(yàn)室成為一個(gè)綜合的大型實(shí)驗(yàn)室，圖3顯示了其簡要架構(gòu)。這對(duì)于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中利用已有資源、節(jié)約成本具有重要意義。

結(jié)束語

本文研究了飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的綜合驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)全數(shù)字仿真平臺(tái)、半物理仿真平臺(tái)、全物理仿真平臺(tái)的特點(diǎn)和作用進(jìn)行簡要分析，針對(duì)實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)分析，列出其主要組成部分和每部分的功能，對(duì)新一代航空電子仿真驗(yàn)證平臺(tái)的需求進(jìn)行了詳細(xì)分析，從試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)執(zhí)行2方面提出了改善方法，提出了分立式綜合驗(yàn)證平臺(tái)的思路，為飛機(jī)新生型號(hào)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了借鑒。

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