未來機載能力環(huán)境（FACE）標準跟蹤研究

王博甲 任文明

(中國航空綜合技術(shù)研究所 北京市 100028)

2020年，美軍提出了“全域戰(zhàn)”的作戰(zhàn)概念，未來美軍的聯(lián)合部隊將深度融合各類作戰(zhàn)能力，使其能夠在陸、海、空、天、網(wǎng)等“全領(lǐng)域”展開新型協(xié)同行動。美軍聯(lián)合作戰(zhàn)對裝備系統(tǒng)重構(gòu)能力是一種考驗，其空域作戰(zhàn)要求航空電子系統(tǒng)功能可隨作戰(zhàn)任務(wù)擴展和重構(gòu)。便于更好地滿足機載軟件的功能更新和重構(gòu)需求，美國海軍于2012年開始，組織開展了未來機載能力環(huán)境（FACE）研究，形成了一套基于通用作戰(zhàn)環(huán)境（COE）理念的航空電子系統(tǒng)軟件參考架構(gòu)，為新一代作戰(zhàn)飛機實踐美軍“全領(lǐng)域”作戰(zhàn)概念提供了先進的標準和工具。

1 未來機載能力環(huán)境（FACE）介紹

1.1 FACE開發(fā)背景

未來機載能力環(huán)境（FACE）是美國海軍航空空戰(zhàn)電子計劃辦公室（NAVAIR）提出，美國空軍、洛克希德馬丁、波音、柯林斯航空等贊助，以開放群組協(xié)會標準的形式立項，組織各軍兵種、工業(yè)界、學術(shù)界、標準化組織等利益攸關(guān)方作為項目成員共同參與編制的航空電子系統(tǒng)軟件架構(gòu)標準。FACE 項目解決的是航空電子系統(tǒng)軟件跨平臺移植性和復(fù)用性的問題。隨著機載軟件復(fù)雜度和規(guī)模的不斷增長，帶來的開發(fā)和維護工作量顯著增加，同時也加重了裝備研制經(jīng)費預(yù)算的負擔。如何從頂層構(gòu)建通用性良好的航空電子系統(tǒng)軟件參考架構(gòu)，使得上層軟件功能模塊可以最大程度地復(fù)用，從而降低機載軟件開發(fā)成本，并縮短產(chǎn)品研制周期，就顯得十分迫切。

1.2 FACE設(shè)計理念

FACE 參考架構(gòu)采用了分段設(shè)計的理念，針對航空電子系統(tǒng)實時性和嵌入式等特點，將航空電子系統(tǒng)中可變元素抽離。在段與段之間，定義了標準化接口，提供段之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸。為保證數(shù)據(jù)的通用性，F(xiàn)ACE 標準構(gòu)建了共享數(shù)據(jù)模型，為軟件組件提供了標準的數(shù)據(jù)“語言”。

1.3 FACE版本變更

2012年1月，F(xiàn)ACE 1.0 版發(fā)布，首次提出了未來機載能力環(huán)境參考架構(gòu)；2013年10月，F(xiàn)ACE 1.1 版發(fā)布，新增了關(guān)于術(shù)語和符合性驗證矩陣的描述。

同年，F(xiàn)ACE 更新至2.0 版，增加了數(shù)據(jù)模型規(guī)范、可移植單元、運行時接口等內(nèi)容，并在附錄中增加了FACE API 通用元素和數(shù)據(jù)模型語言。2014年5月， FACE 2.1 版發(fā)布，改變了部分術(shù)語名稱。

2017年11月，F(xiàn)ACE 3.0 版發(fā)布，標準框架有較大幅度地調(diào)整，明確提出了針對架構(gòu)中各分段、接口的要求，新增了生命周期管理服務(wù)接口、FACE 配置接口、可注入接口和程序語言映射支持等附錄內(nèi)容。2020年7月，F(xiàn)ACE 更新至3.1[1]版，發(fā)布了開放全域描述語言（Open UDDL）1.0 版，將FACE 數(shù)據(jù)模型描述語言進行了標準化定義。

2 FACE參考架構(gòu)

2.1 架構(gòu)分段

FACE 參考架構(gòu)將機載軟件分為操作系統(tǒng)段、I/O 服務(wù)段、平臺特定服務(wù)段、傳輸服務(wù)段和可移植組件段（見圖1）。

圖1：FACE 參考架構(gòu)

2.1.1 操作系統(tǒng)段

操作系統(tǒng)段（OSS）提供基礎(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)，可供其他段使用，并為供應(yīng)商產(chǎn)品代碼提供駐留環(huán)境。OOS 控制計算平臺訪問權(quán)限，提供不同操作系統(tǒng)環(huán)境和健康監(jiān)控接口。

2.1.2 輸入/輸出服務(wù)段

輸入/輸出服務(wù)段（IOSS）規(guī)范接口硬件設(shè)備驅(qū)動程序。通過使用適配器設(shè)計模式與供應(yīng)商提供的驅(qū)動進行通信，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到標準化的FACE 接口。該段內(nèi)的I/O 服務(wù)為子系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供接口硬件至平臺特定服務(wù)段（PSSS）的橋梁。

2.1.3 平臺特定服務(wù)段

平臺特定服務(wù)段（PSSS）包含平臺特定設(shè)備服務(wù)、平臺特定通用服務(wù)和平臺特定圖像服務(wù)。平臺特定設(shè)備服務(wù)提供平臺唯一的接口控制文件和FACE 數(shù)據(jù)模型之間的轉(zhuǎn)換。平臺特定通用服務(wù)由更高等級的服務(wù)組成，包括日志服務(wù)、中心配置服務(wù)、設(shè)備協(xié)議中介服務(wù)（DPMS）、流媒體和系統(tǒng)級健康監(jiān)控和管理。平臺特定圖像服務(wù)提供圖像展現(xiàn)管理。

2.1.4 傳輸服務(wù)段

傳輸服務(wù)段（TSS）是通信服務(wù)駐留地，為可移植組件段或平臺特定服務(wù)段的軟件組件提供數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，以及服務(wù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模式翻譯和消息關(guān)聯(lián)等服務(wù)，支持數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）和通用對象請求代理架構(gòu)（CORBA）等。

2.1.5 可移植組件段

可移植組件段（PCS）是軟件提供任務(wù)級能力或業(yè)務(wù)邏輯的位置，是用于封裝FACE 可移植單元的結(jié)構(gòu)概念?？梢浦步M件獨立于硬件、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸機制和操作系統(tǒng)，并可跨平臺移植，具備良好的可移植性和互操作性。

2.2 架構(gòu)接口

FACE 標準定義了三個關(guān)鍵接口，包括：

2.2.1 操作系統(tǒng)段接口

操作系統(tǒng)段接口為操作系統(tǒng)內(nèi)的軟件提供使用服務(wù)的標準化方式。這類接口包括ARINC 653、POSIX 和HMFM API。操作系統(tǒng)段接口可提供網(wǎng)絡(luò)連接、編程語言運行時環(huán)境和組件框架。

2.2.2 I/O 服務(wù)接口

I/O服務(wù)接口為軟件與接口硬件設(shè)備驅(qū)動通信提供標準化方式。該接口由輸入/輸出服務(wù)段向平臺特定服務(wù)段提供。該接口使用經(jīng)I/O 消息模型格式化后的消息。

2.2.3 傳輸服務(wù)接口

傳輸服務(wù)接口為軟件使用通信服務(wù)提供標準化方式。該接口由傳輸服務(wù)段向平臺特定服務(wù)段和可移植組件段提供。該接口使用標準化數(shù)據(jù)格式。FACE 要求可移植組件段和平臺特定服務(wù)段所有組件均使用傳輸服務(wù)接口來進行數(shù)據(jù)交互。

除上述三種關(guān)鍵接口外，F(xiàn)ACE 3.1 還定義了配置接口、生命周期管理服務(wù)接口、操作系統(tǒng)段健康監(jiān)控和管理接口、可注入接口等。

3 FACE數(shù)據(jù)模型

3.1 數(shù)據(jù)模型語言

FACE 數(shù)據(jù)模型語言提供數(shù)據(jù)模型建模方法，見圖2。

圖2：FACE 數(shù)據(jù)模型語言

概念數(shù)據(jù)模型是由實體、表征和關(guān)聯(lián)組成，對實體、表征、關(guān)聯(lián)進行建模。

邏輯數(shù)據(jù)模型是由實現(xiàn)概念數(shù)據(jù)模型的實體、表征和關(guān)聯(lián)組成。相較于概念數(shù)據(jù)模型，邏輯數(shù)據(jù)模型添加了包括單位度量、坐標系、參考點、值域、約束、度量精度。一個概念數(shù)據(jù)模型可能由多個邏輯數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)。

平臺數(shù)據(jù)模型是由實現(xiàn)對應(yīng)邏輯數(shù)據(jù)模型的實體、表征和關(guān)聯(lián)組成。平臺數(shù)據(jù)模型中會呈現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)類型和精度。一個邏輯數(shù)據(jù)模型可由多個平臺數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)。

可移植單元數(shù)據(jù)模型為可移植單元提供標準的消息接口，將該消息接口定義為端口，端口引用平臺數(shù)據(jù)模型的視圖來規(guī)范消息類型。可移植單元數(shù)據(jù)模型提供命名機制，允許組件開發(fā)者對可移植單元的消息元素進行命名。

綜合模型是由為可移植單元間交換數(shù)據(jù)提供建模方法的元素組成。綜合模型捕獲數(shù)據(jù)交換、視圖轉(zhuǎn)換和可移植單元集成。綜合模型依賴可移植單元數(shù)據(jù)模型表達互聯(lián)性。其關(guān)注焦點在于記錄可移植單元數(shù)據(jù)交互細節(jié)。

3.2 語言綁定規(guī)范

平臺數(shù)據(jù)模型映射為程序語言時，需要進行數(shù)據(jù)模型語言綁定。語言綁定定義了如何獲取平臺數(shù)據(jù)模型視圖和創(chuàng)建程序類/結(jié)構(gòu)。程序類/結(jié)構(gòu)是通過傳輸服務(wù)段傳輸?shù)南ⅰ?/p>

數(shù)據(jù)模型語言綁定分為兩部分映射。第一部分映射是從平臺數(shù)據(jù)模型到對象管理組（OMG）接口定義語言，第二部分映射是從對象管理組（OMG）接口定義語言到所支持的程序語言。組件開發(fā)者也可以從平臺數(shù)據(jù)模型直接生成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不采用接口定義語言作為中間格式。數(shù)據(jù)模型語言綁定見圖3。

圖3：數(shù)據(jù)模型語言綁定規(guī)范

3.3 共享數(shù)據(jù)模型

共享數(shù)據(jù)模型（SDM）[2]是構(gòu)建其他數(shù)據(jù)模型的核心數(shù)據(jù)元素，也是軟件供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商交互的主要點。共享數(shù)據(jù)模型是一組自動生成的數(shù)據(jù)元素，包括可觀測量、坐標系統(tǒng)、度量系統(tǒng)、度量、單位、值類型、值類型單位對、元素引用。

共享數(shù)據(jù)模型隨著FACE 標準的應(yīng)用在不斷迭代和擴展，共享數(shù)據(jù)模型庫越大，則說明軟件供應(yīng)商在更大范圍達成了數(shù)據(jù)模型層面的共識，便于數(shù)據(jù)傳輸格式的標準化和通用化。

4 FACE符合性政策

4.1 FACE符合性程序關(guān)鍵實體

FACE 標準建立了完善的標準符合性驗證、認證和注冊機制[3]，在FACE 符合性項目中起關(guān)鍵作用的實體包括以下幾類機構(gòu)[4]。

4.1.1 認證授權(quán)機構(gòu)

認證授權(quán)機構(gòu)是FACE 指導(dǎo)委員會批準的唯一機構(gòu)，負責FACE 符合性項目的日常運營，主要職責包括評估提交申請的認證應(yīng)用、監(jiān)控協(xié)議合法性和發(fā)布FACE 符合性認證證書。

4.1.2 驗證授權(quán)機構(gòu)

驗證授權(quán)機構(gòu)負責執(zhí)行軟件供應(yīng)商提交的待驗證軟件組件的驗證試驗，并對驗證結(jié)果進行評估，形成驗證評估結(jié)論。FACE 驗證授權(quán)機構(gòu)也由FACE 指導(dǎo)委員會批準，可成立多個驗證機構(gòu)承擔標準符合性驗證職責。

4.1.3 軟件供應(yīng)商

軟件供應(yīng)商是指生產(chǎn)符合FACE 標準要求的軟件產(chǎn)品供應(yīng)商，為了使產(chǎn)品符合FACE 標準要求，軟件供應(yīng)商必須向驗證機構(gòu)提交FACE 標準符合性驗證申請，產(chǎn)品經(jīng)驗證通過后，才可申請FACE符合性認證證書。

4.1.4 庫管理機構(gòu)庫管理機構(gòu)是管理FACE 注冊庫和授權(quán)FACE ID 的唯一實體。

4.2 FACE符合性程序

FACE 建立了完整的符合性程序，包括驗證、認證和注冊[5]。

FACE 驗證是確認符合性單元（UoC）符合FACE 標準要求。FACE 驗證對照符合性驗證矩陣（CVM）開展，驗證方法包括目視檢查和測試等。驗證工作由驗證授權(quán)機構(gòu)執(zhí)行。

軟件產(chǎn)品通過FACE 驗證后，軟件供應(yīng)商提交驗證結(jié)果申請初始化認證，由認證授權(quán)機構(gòu)執(zhí)行軟件產(chǎn)品的FACE 符合性認證工作。

軟件產(chǎn)品通過FACE 認證后，申請FACE 注冊。FACE 注冊是將通過FACE 認證的符合性單元列入FACE 注冊庫的流程。注冊庫是所有FACE 認證產(chǎn)品的唯一來源。

5 建議

借鑒FACE 項目的發(fā)展歷程，結(jié)合我國航空電子系統(tǒng)軟件架構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀，提出以下三點建議：

5.1 軍方主導(dǎo)建立軟件架構(gòu)標準研制項目管理機構(gòu)

在FACE 標準項目的推進過程中，軍方始終處于主導(dǎo)地位。軍方主導(dǎo)項目工作可以從頂層確保工作可以有效推進。通過成立專項辦公室負責項目管理，可以確保標準頂層需求的準確性和及時性，也可以有力推動標準的研制。當標準形成草案并逐漸成熟后，可以委托標準化機構(gòu)推動項目日常工作。

5.2 聯(lián)合共建軟件組件通用數(shù)據(jù)模型

FACE 標準數(shù)據(jù)模型的標準化為軟件組件的標準化提供了基礎(chǔ)，通過建立通用數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)模型語言映射標準，確保了FACE 參考架構(gòu)不同段之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕ネㄐ?。在研制相關(guān)頂層架構(gòu)標準時，建議從數(shù)據(jù)抓起，保證研制方采用同一套數(shù)據(jù)模型。

5.3 建立標準的驗證、認證和注冊機制

FACE 標準建立了完善的標準符合性驗證、認證和注冊機制，提供了相關(guān)政策、程序、方法，確保標準的貫徹實施落到實處。我國在開展相關(guān)標準的研制工作時，可探索如何同步建立標準符合性驗證、認證、注冊機制，完善標準的執(zhí)行監(jiān)督體系，形成標準制定、實施、監(jiān)督的長效機制。

6 結(jié)束語

本文對未來機載能力環(huán)境（FACE）標準進行了詳細描述，闡述了FACE 標準參考架構(gòu)、數(shù)據(jù)模型、符合性政策等。FACE 參考架構(gòu)通過分段和接口標準化，在一定程度上解決了航空電子軟件組件可移植性和可復(fù)用性問題，為產(chǎn)品研制節(jié)省了經(jīng)濟和時間成本，從長遠來看有助于裝備能力的拓展。結(jié)合我國國情，提出了航空電子系統(tǒng)軟件架構(gòu)標準發(fā)展的三點建議，為軟件架構(gòu)的研制工作提供了參考。