基于智能配線的通用飛機航電試驗技術(shù)研究

蔡志勇， 趙紅軍

(中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519040)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，人民出行方式的多樣化、個性化需求促進(jìn)了交通體系的變革，同時，低空空域的逐步開放預(yù)示著通用航空產(chǎn)業(yè)的崛起。這對經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級產(chǎn)生積極影響。全球注冊的民用飛機中大約有90%屬于通用飛機，承擔(dān)著全球航空客運量的50%，占總飛行時間的75%，據(jù)統(tǒng)計，80%的通用飛機注冊在北美，10%注冊在歐洲[1]。因此，通用航空產(chǎn)業(yè)在我國還有廣闊發(fā)展空間，通用飛機航電系統(tǒng)作為面向駕駛員的人機接口，要求具有良好的交互性和安全性，對飛機有著重要作用。

通用飛機航電系統(tǒng)，尤其是基于25部適航規(guī)章的大型通用飛機航電系統(tǒng)具有以下特點：綜合程度高，模塊功能復(fù)雜，設(shè)備眾多，信號交聯(lián)龐雜，系統(tǒng)參研參試的單位和人員也很多，技術(shù)難度和復(fù)雜性高[2-5]。在已有研究中，文獻(xiàn)[6]側(cè)重于介紹航電系統(tǒng)的通信導(dǎo)航分系統(tǒng)的激勵；文獻(xiàn)[7]介紹了我國第三代飛機航電的動態(tài)系統(tǒng)綜合環(huán)境，面對當(dāng)前高度綜合的第四代航電已不太適應(yīng)；文獻(xiàn)[8-10]側(cè)重于單純介紹航電仿真或總線測試技術(shù)；文獻(xiàn)[11]是德國TechSat公司的ADS2平臺，該平臺經(jīng)過空客相關(guān)型號的考驗，是一個相當(dāng)不錯的設(shè)備級測試臺，但對于航電系統(tǒng)級和飛機級集成與測試并不適用。文獻(xiàn)[12]是復(fù)雜系統(tǒng)的研制及驗證的一般流程。

波音和空客兩大巨頭都基于飛機級和航電系統(tǒng)級需求，形成了適合自己研發(fā)體系的試驗方法和平臺。在國內(nèi)，中國商飛上飛院建立了以柯林斯公司試驗臺為主的航電系統(tǒng)集成測試環(huán)境，但為ARJ21飛機量身打造，其廣泛應(yīng)用受知識產(chǎn)權(quán)方面的局限。基于以上分析，本文深入研究了航電系統(tǒng)特點，提出集成和測試方法，建立科學(xué)高效的航電系統(tǒng)集成與測試環(huán)境，以期為我國先進(jìn)航電系統(tǒng)的研制服務(wù)。

1 航電系統(tǒng)的集成方法

系統(tǒng)集成通常采用增量式的集成策略，即從設(shè)備集成開始，然后是分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級到最終的飛機級。這種分步集成的策略使得每一次集成的關(guān)注點從設(shè)備級的需求逐步轉(zhuǎn)移到整體性功能需求，使得整個集成過程中充分暴露不同層級的問題，確保最終整體系統(tǒng)集成的順利完成，從而降低了整體系統(tǒng)集成的復(fù)雜度。

為了很好地支持這種分步集成的策略，本文采用各分系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)字仿真和接口激勵技術(shù)，對系統(tǒng)的需求和整體設(shè)計提供驗證手段，同時通過生成目標(biāo)代碼的機制，為后續(xù)系統(tǒng)集成測試打下良好的基礎(chǔ)。另外，數(shù)字仿真形成的測試規(guī)范和用例，也為后續(xù)的分步集成提供了完善的測試要求。通過這樣的方法，使得設(shè)計階段的模型和測試用例可以被反復(fù)地應(yīng)用到后續(xù)的系統(tǒng)集成當(dāng)中，從而提高了系統(tǒng)研制的效率，保證了驗證的一致性，從而最終提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

基于以上分析，本文提出的系統(tǒng)集成方法是：在系統(tǒng)數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上，建立具備真實物理接口的仿真設(shè)備（仿真件），為后續(xù)的系統(tǒng)集成打下基礎(chǔ)。在真實設(shè)備（真件）研制出來后，通過真件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成整個航電系統(tǒng)的集成工作。為了便于真件和仿真件之間的靈活替換，需提供靈活的構(gòu)型配置系統(tǒng)，這可以通過具有完善智能配線機制的航電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。圖1給出了從全部為仿真件的構(gòu)型，到逐個真件接入，直至最終全部為真件接入的過程示意。

圖1 采用逐一替換的方式實現(xiàn)系統(tǒng)集成

在系統(tǒng)中接入某一分系統(tǒng)的真件的同時，關(guān)閉相應(yīng)的仿真設(shè)備，并開展對該分系統(tǒng)的集成測試工作。通過逐步采用真件替換仿真件，最終完成系統(tǒng)的集成，并進(jìn)行全系統(tǒng)的集成測試。在整個系統(tǒng)集成的過程中，會不斷暴露出分系統(tǒng)之間的接口不一致或相互沖突等問題。為了能夠?qū)@些問題進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的定位，需要不斷調(diào)整系統(tǒng)的配置構(gòu)型，按需調(diào)整智能配線使得某些分系統(tǒng)的真件參與試驗，而其他分系統(tǒng)則采用仿真件代替，組成綜合航電系統(tǒng)的半物理仿真試驗環(huán)境，并有針對性的進(jìn)行場景復(fù)現(xiàn)和故障注入等測試。

2 航電系統(tǒng)的測試方法

傳統(tǒng)的航電系統(tǒng)測試方法是參照其需求分析和功能描述文檔，根據(jù)其中對系統(tǒng)總體及各分系統(tǒng)的要求，逐條設(shè)計“激勵-響應(yīng)”式的文本測試用例，然后手動執(zhí)行。所謂“激勵-響應(yīng)”式的測試，是指給待測的設(shè)備或系統(tǒng)提供一個激勵信號，并觸發(fā)其內(nèi)部的一系列運算、狀態(tài)切換或內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞，最后對其響應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行采集或測量，并與期望的響應(yīng)進(jìn)行比對，以得出測試的結(jié)論。

在整個測試過程中，航電系統(tǒng)的激勵-響應(yīng)測試用例會被多次反復(fù)執(zhí)行，傳統(tǒng)的測試方法存在效率低下，容易引入人為錯誤的問題。本文采用如下方法解決：

在全數(shù)字仿真階段，通過對全部測試用例的執(zhí)行，來對仿真模型和測試用例進(jìn)行確認(rèn)；之后，將數(shù)字仿真階段的測試用例按測試序列的方式錄入某一主控計算機，使得主控計算機可基于智能配線系統(tǒng)、各設(shè)備激勵系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和采集測量系統(tǒng)按照測試用例的要求協(xié)同工作，從而自動得出測試結(jié)論。在座艙聯(lián)試或分系統(tǒng)測試階段，執(zhí)行顯控或該分系統(tǒng)相關(guān)的測試序列；在全系統(tǒng)測試階段，需要從頭到尾執(zhí)行所有的測試序列，并逐一確認(rèn)；當(dāng)測試發(fā)現(xiàn)問題時，為了進(jìn)行故障的定位或?qū)收鲜欠衽懦M(jìn)行確認(rèn)，也要反復(fù)執(zhí)行相關(guān)的測試序列。

為了全面考察航電系統(tǒng)在實際飛行任務(wù)環(huán)境下的工作情況，本文采用動態(tài)綜合測試方法，即基于實時的飛行仿真，為航電系統(tǒng)的測試提供數(shù)據(jù)激勵源。飛行仿真模型能夠進(jìn)行全包線的仿真，并提供手動和自動兩種飛行模式。在試驗過程中，飛行仿真模型將解算出的飛行參數(shù)共享給航電仿真模型、各種激勵系統(tǒng)和視景系統(tǒng)等，使得整個試驗環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。另外，飛行仿真模型中還包含各類跟航電系統(tǒng)交聯(lián)的非航電系統(tǒng)的仿真模型和飛控系統(tǒng)模型，以支持各系統(tǒng)的聯(lián)試。在動態(tài)綜合試驗過程中，可以通過各種數(shù)據(jù)注入和故障模擬的手段，測試航電系統(tǒng)對各類故障模式是否能夠正確處理。

在進(jìn)行動態(tài)綜合測試前，也需要對試驗過程進(jìn)行合理策劃，對試驗的場景和任務(wù)環(huán)境進(jìn)行設(shè)定，選擇合適的飛行剖面，并確定在該次飛行試驗過程中，主要考察的內(nèi)容和方法。在試驗過程中，需要借助數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控工具，以便對故障前后的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。該測試方法的原理如圖2所示。

為了實現(xiàn)自動生成測試結(jié)論，對測試結(jié)果采用如下方法進(jìn)行處理：按測試結(jié)果的類型，把測試用例分為兩類，一類測試用例的結(jié)果是引起顯示器上的畫面變化，這一類測試很難由計算機自動判斷結(jié)果的正確性，測試過程需要測試人員的參與，并通過軟件界面將結(jié)果通知試驗系統(tǒng)；另一類測試用例的結(jié)果是各分系統(tǒng)間的通信數(shù)據(jù)或狀態(tài)，可以由試驗系統(tǒng)直接采集獲得，測試過程可以實現(xiàn)無人值守。這樣將提高測試效率，并降低人為判讀枯燥數(shù)據(jù)導(dǎo)致出錯的概率。

3 基于智能配線的試驗平臺構(gòu)建

3.1 智能配線的原理

航電系統(tǒng)集成與測試中需要根據(jù)試驗需求靈活配置試驗構(gòu)型，因此需要試驗平臺具有完善的智能配線網(wǎng)絡(luò)。智能配線的原理如圖3所示。

通過構(gòu)型控制腳本將試驗的構(gòu)型配置需求輸入至智能控制器，智能控制器生成配線的控制指令以控制航電網(wǎng)絡(luò)中接入真件和仿真件的構(gòu)型。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

航電系統(tǒng)綜合試驗臺的基本原理是，在航電系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，通過仿真件和真件的切換，逐步實現(xiàn)綜合航電系統(tǒng)的集成、聯(lián)調(diào)和測試。試驗平臺的架構(gòu)原理如圖4所示。

整個試驗臺主要由設(shè)備真件及激勵系統(tǒng)、設(shè)備仿真和環(huán)境模擬系統(tǒng)、信號交聯(lián)和測試系統(tǒng)、試驗操作和綜合管理系統(tǒng)四大部分組成。試驗內(nèi)容重點關(guān)注的是航電分系統(tǒng)之間或航電系統(tǒng)與非航電系統(tǒng)之間的交聯(lián)信號。仿真系統(tǒng)提供這些設(shè)備間交聯(lián)接口的仿真信號，并通過綜合配線系統(tǒng)實現(xiàn)真實信號與仿真信號之間的程控切換。試驗操作和綜合管理系統(tǒng)駐留于主控計算機內(nèi)，試驗人員通過人機界面對各類試驗資源進(jìn)行綜合化的控制和管理，對測試序列進(jìn)行圖形化的維護管理，整個試驗系統(tǒng)通過試驗網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令和狀態(tài)的相互傳遞。

3.3 軟件及試驗網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

試驗平臺中的軟件總體設(shè)計采用面向資源和服務(wù)的架構(gòu)，并采用以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)主要的控制流和數(shù)據(jù)流通信。這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于：

圖2 測試方法原理框圖

使軟件模塊間松耦合，便于獨立調(diào)試和隔離故障；提升開發(fā)效率，并使系統(tǒng)具備較強的可擴展性；借助成熟技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；對各類資源、服務(wù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，使系統(tǒng)在功能上具備廣闊的提升空間。

3.3.1 控制網(wǎng)絡(luò)

控制網(wǎng)絡(luò)用于傳輸控制指令和狀態(tài)回報，使用了CORBA（公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)）中間件完成控制指令收發(fā)。系統(tǒng)為控制網(wǎng)絡(luò)適配提供了客戶端適配模塊和服務(wù)器適配模塊?？蛻舳诉m配模塊方便第三方軟件接入系統(tǒng)對已有試驗資源進(jìn)行控制，服務(wù)器適配模塊用于仿真件等試驗資源的擴充。

3.3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過DDS（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）中間件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分發(fā)和接收，由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，所有數(shù)據(jù)的發(fā)送都是廣播出去的，因此在任意節(jié)點實現(xiàn)接收器，并通過適當(dāng)?shù)倪^濾就可以接收到自己想要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的適配模塊可以分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收或者兩者都實現(xiàn)。使用DDS中間件的API（應(yīng)用程序接口）可以完成對數(shù)據(jù)Reader或Writer的定制，然后使用Reader或Writer實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖3 智能配線原理

圖4 試驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)原理框圖

圖5 AG600飛機航電試驗平臺

試驗數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)共享和收發(fā)提供了5個分區(qū)，不同的分區(qū)負(fù)責(zé)不同功能模塊數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)收發(fā)。同時，系統(tǒng)為這5個分區(qū)分別封裝了數(shù)據(jù)訂閱和發(fā)布的適配模塊，分系統(tǒng)或第三方模塊可以使用這些適配模塊完成在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布或訂閱數(shù)據(jù)。

4 在AG600飛機航電系統(tǒng)研制中的應(yīng)用

AG600飛機是我國自主研制的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機，其航電系統(tǒng)基于A429總線綜合，龐大復(fù)雜，主要組成部分有：以EFIS（電子飛行儀表系統(tǒng)）為核心，集成各主導(dǎo)航傳感器的主航行系統(tǒng)；以RTU(無線電調(diào)諧單元)為核心，集成各無線電設(shè)備的無線電通信導(dǎo)航系統(tǒng)；以記錄器為核心的飛參記錄系統(tǒng)；以告警計算機為核心的中央告警系統(tǒng)；以EPU處理機為核心的EICAS（發(fā)動機指示與空勤告警）系統(tǒng)；以滅火控制盒為中心，集成各滅火設(shè)備的滅火系統(tǒng)（滅火型）；以任務(wù)管理計算機為中心，集成各搜索傳感器的搜索系統(tǒng)（救援型）。

中航通飛研究院承擔(dān)這個復(fù)雜航電系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)和集成驗證，為此，建立了一套基于智能配線的通用飛機航電系統(tǒng)試驗平臺，在該平臺上完成了從設(shè)備級到分系統(tǒng)級再到系統(tǒng)級的航電集成，最后完成了航電系統(tǒng)與機電系統(tǒng)的飛機級接口集成。之后，分別完成了航電系統(tǒng)的通信、導(dǎo)航、指示記錄等功能測試。試驗情況及數(shù)據(jù)見表1和表2。實踐證明該試驗方法及平臺很好地支撐了AG600飛機航電系統(tǒng)的研制，將來還要支撐AG600飛機的部分適航取證工作。

表1 AG600飛機航電系統(tǒng)集成情況

表2 AG600飛機航電系統(tǒng)測試情況

5 結(jié)束語

本文針對通用飛機航電系統(tǒng)集成測試需求和試驗過程分析，提出了基于數(shù)字仿真的增量式集成方法、航電測試的激勵-響應(yīng)式測試和動態(tài)綜合測試方法，構(gòu)建了基于智能配線的航電試驗平臺，應(yīng)用結(jié)果表明：該方法及試驗平臺能夠提高系統(tǒng)集成的效率，拓展功能測試的覆蓋度，增加測試的完整性、正確性，降低航電系統(tǒng)研制成本，縮短了研制周期，對我國航空電子系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計具有積極作用。

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