飛機工程模擬機重構技術研究

趙旭東

(北京藍天航空科技股份有限公司，北京 100085)

飛機工程模擬機是飛機設計過程中的必要輔助工具，它更加直觀地展現(xiàn)了飛機設計工程師的設計結果，提供飛機各系統(tǒng)溝通、協(xié)調的平臺，滿足飛機設計工程師與飛行員、飛機審定工程師對人機功效、實驗驗證等活動的溝通和討論[1]。隨著飛機工程模擬機的使用深入，關于飛機工程模擬機的重構理念被陸續(xù)提出，波音和空客在737和320系列機型上的升級設計均是在工程模擬機上進行，縮短了研制周期且降低了試飛風險[2]，公司承擔了ARJ21飛機和C919飛機工程模擬機的研制和生產，在項目中積累了大量工程重構技術和經(jīng)驗，C919飛機工程模擬機在硬件上采用模塊化的重構模式，在軟件上采用自行開發(fā)系統(tǒng)化的仿真運行平臺來支持飛機目前狀態(tài)，同時預留未來擴展的需要。針對C919飛機工程模擬機的實際需求和驗證需要，圍繞駕駛艙布局結構重構、操縱組件結構重構、座艙設備匹配重構、仿真軟件模型重構4個方面進行研究和應用。工程模擬機的重構技術應用，可以減少飛機制造商的成本支出，充分利用工程模擬機的使用價值，縮短飛機局部更改、升級的論證和研制周期[3]。未來飛機工程模擬機的可重構性能力必然是發(fā)展的趨勢之一[4]。

1 飛機工程模擬機重構實現(xiàn)方式

將針對某型飛機工程模擬機的具體需求，在駕駛艙布局結構重構、操縱組件結構重構、座艙設備匹配重構和仿真軟件模型重構4個方面初步探討實現(xiàn)的方式。

1.1 駕駛艙布局結構重構實現(xiàn)

工程模擬機駕駛艙布局重構建立在飛機駕駛艙結構的基礎上，在一定的范圍內實現(xiàn)駕駛艙環(huán)境的重構。主要包括主儀表板內容重構、中操臺設備重構、頂部控制板重構[5]。以C919飛機工程模擬機為例，主儀表板初始設計為4塊15 in液晶顯示器為顯示單元，提供指示系統(tǒng)的內容信息，為便于后續(xù)顯示信息和信息組合方式的調整需要，該型模擬機采用2塊31 in液晶顯示器進行替代，如圖1所示。同時，由初始設計的4路圖像和信息輸入，調整為2路圖像和信息輸入，同時保證單個顯示器中雙圖像的字符、頁面信息、組合方式等內容的快速調整和獨立控制。

圖1 主儀表板布局圖

中央操縱臺和頂部控制板的重構主要是設備安裝位置變更和設備的擴展。為滿足重構需求，中央操縱臺的實現(xiàn)由整體骨架生產調整成部組件組合式生產，相關組件預留安裝界面，保留部組件調整和更換的能力；頂部控制板整體結構與座艙框架進行交聯(lián)，保留整體更換的能力，頂部控制板全部采用絲軌和快卸螺釘方式安裝，同時預留一定的擴展空間。同時，為了滿足試驗設備的快速更替，對應的接口系統(tǒng)采用智能的網(wǎng)絡化接口，自動識別設備的配置屬性，采用虛擬總線的方式，大幅減少設備更換產生的接口及驅動信息的更改。

1.2 操縱組件結構重構實現(xiàn)

民用飛機的操縱組件通常分為側桿操作和桿盤操作兩種方式，為了滿足在同一工程模擬機上可以實現(xiàn)兩種方式的操縱方式互換，需要在模擬機上同時布置兩種機構。在結構實現(xiàn)中，兩種實現(xiàn)機構都要安裝布局，同時采用便利的方式進行結構拆換和電氣與軟件切換，結構安裝布局如圖2、圖3所示，側桿可以在左右側操縱臺進行移除和桿頭樣式的更換，桿盤結構可以在座艙地板連接處進行快速安裝和分離，同時保證結構安裝間隙。側桿和桿盤模式對應的不同操縱控制系統(tǒng)采用獨立的兩套系統(tǒng)，但都可以和相關的飛機、動力、航電系統(tǒng)無縫對接，且保證版本的自動記錄和保存。

圖2 駕駛艙平臺上安裝中央操縱桿(盤)位置示意圖

圖3 左操縱臺上安裝側桿位置示意圖

1.3 座艙設備匹配重構

工程模擬機的座艙設備實現(xiàn)通常采用飛機裝機件和仿真件兩種方式[6]，為實現(xiàn)這兩種飛機設備的驅動和功能，需要有效的接口系統(tǒng)予以支撐。接口系統(tǒng)設備及軟件要具備自動識別接入設備，自適應數(shù)據(jù)信號類型進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，從而實現(xiàn)與設備位置重構、擴展重構的匹配[7]。該項目中采用公司自行開發(fā)的iSim和Simio系統(tǒng)化開發(fā)和運行平臺。

某型飛機工程模擬機采用了仿真接口控制軟件Simio和仿真接口控制主機服務軟件單元IOServer Unit來實現(xiàn)，接口實現(xiàn)原理如圖4所示。Simio軟件運行在接口計算機中，主要實現(xiàn)接口板卡通道初始化設置、接口板卡通道讀寫、與主控計算機上的IOServer Unit軟件進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信等功能。Simio軟件在啟動過程中通過加載配置文件Config.xml來確定本次運行所驅動的板卡通道類型和數(shù)量，根據(jù)配置文件中的設定對接口板卡進行初始化設定，Simio軟件與IOServer Unit之間的通信協(xié)議是基于以太網(wǎng)UDP協(xié)議的可擴展的IO數(shù)據(jù)包協(xié)議，能夠自動適應不同板卡通道類型和數(shù)量所對應的板卡通道數(shù)據(jù)的傳輸。IOServer Unit軟件仿真單元運行在主控計算機中，主要實現(xiàn)板卡通道數(shù)據(jù)與其他各仿真系統(tǒng)軟件變量數(shù)據(jù)之間的對接。IOServer Unit軟件在啟動的時候加載接口配置文件IoConfig.xml，建立板卡通道數(shù)據(jù)與SDN變量數(shù)據(jù)之間的映射關系。一方面對Simio軟件發(fā)送過來的板卡通道采集數(shù)據(jù)進行拆分解碼，更新到對應SDN變量中輸出給其他仿真軟件進行計算;另一方面將其他仿真軟件計算生成的SDN變量數(shù)據(jù)按照映射關系進行組碼，形成發(fā)送給Simio軟件的板卡通道控制數(shù)據(jù)。當板卡通道變化或者映射關系發(fā)生變化的時候可以通過在線修改接口配置文件實現(xiàn)重構。

圖4 接口系統(tǒng)工作原理

1.4 仿真軟件模型重構

工程模擬機的仿真軟件模型重構以及駕駛艙布局重構、操縱組件重構、座艙設備匹配重構需要強大的仿真實時管理平臺進行支撐和實現(xiàn)，某型飛機工程模擬機采用iSim仿真運行平臺進行開發(fā)和運行。

工程模擬機仿真軟件涉及的飛行系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等軟件的重構基于版本構型管理、算法重構、數(shù)據(jù)重構的因素實現(xiàn)，要求相關仿真軟件均采用統(tǒng)一平臺的模型化、數(shù)據(jù)分離、可配置化的原則進行開發(fā)與實現(xiàn)，便于工程模擬機的軟件、模型和數(shù)據(jù)的修改、替換、對比和驗證等功能的多次實現(xiàn)。

主儀表板內容重構基于顯示系統(tǒng)模塊化概念，底層采用2塊31 in液晶顯示器作為通用硬件平臺，執(zhí)行程序算法及數(shù)據(jù)接口采用標準化設計，應用層使用VAPS XT軟件進行開發(fā)，采用“窗體化”的概念開發(fā)仿真儀表畫面和虛擬駕駛艙框架，通過結構化的窗體部件(widget，同一個widget可應用于不同的層(Layer))，保證了畫面窗口尺寸、顯示頁面線條、顏色變更靈活切換等需求。

2 支撐重構的實時仿真運行平臺

工程模擬機可重構技術的實現(xiàn)，必須具備滿足不同軟件格式的兼容性，與接口軟件、飛機供應商軟件等的快速匹配性[8]，同時具有人性化的在線修改、替換的人機界面。根據(jù)iSim平臺軟件多年不同型號工程模擬機的研制和使用，在與客戶的合作中，持續(xù)開發(fā)和完善。為滿足工程模擬機可重構的這一特殊需求開發(fā)的仿真軟件平臺，服務于仿真系統(tǒng)和仿真軟件的代碼編寫、編譯、運行、測試、集成聯(lián)調和升級維護的全過程?？梢栽趇Sim仿真平臺上基于相同的平臺基礎仿真庫，采用相同的IDE，運用相同的開發(fā)調試工具，各自獨立地完成仿真軟件的代碼編寫、編譯、運行、測試和調試工作，然后將開發(fā)階段的成果以“零”代碼修改或者二進制執(zhí)行碼的方式進入到集成聯(lián)調。集成聯(lián)調過程中面對的平臺基礎仿真庫、IDE、調試工具與開發(fā)階段完全一致。

iSim仿真平臺基于層次化管理和模型組織管理的共性，主要包括集成式開發(fā)環(huán)境IDE、仿真運行平臺庫、仿真執(zhí)行軟件、實時調試監(jiān)控工具軟件、數(shù)據(jù)庫和配置管理工具，主要包括Windows和Linux，并可根據(jù)需要擴展到其他操作系統(tǒng)。其中，IDE環(huán)境、數(shù)據(jù)庫和配置管理工具都基于開源軟件進行構建。iSim平臺配備的實時調試監(jiān)控工具在Windows操作系統(tǒng)上運行，提供調試和監(jiān)控的手段。仿真運行平臺庫提供了iSim仿真平臺的所有核心組件，是iSim仿真平臺的核心，它從仿真模型中抽象了操作系統(tǒng)和實時關鍵組件，允許在不同的模擬機設備類型之間擴展，對仿真軟件在軟件結構和數(shù)據(jù)接口方面強制執(zhí)行標準。iSim仿真平臺庫的構成組件包括：操作系統(tǒng)抽象層、仿真內核、仿真單元、共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和仿真環(huán)境接口，如圖5所示。

圖5 仿真運行平臺原理示意圖

仿真內核加載創(chuàng)建仿真單元和共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡SDN，并對仿真單元軟件的實時周期調用，對SDN進行管理。仿真單元是仿真軟件的基本組織單位，也是在iSim平臺中的以執(zhí)行碼復用的最小單元。仿真單元框架為所有的仿真軟件提供了一個公共的軟件組織模型，每個仿真單元都從仿真單元框架或者仿真單元框架的派生類進行派生，具備仿真單元框架中規(guī)定的調用接口和特性，使得仿真內核以標準的方式對各個仿真單元進行無差異化的調用和管理。

iSim執(zhí)行軟件基于iSim仿真運行平臺庫進行開發(fā)，是所有仿真單元加載的入口，在啟動過程中通過讀取仿真軟件配置文件讀取仿真內核運行配置參數(shù)和仿真單元配置參數(shù)，動態(tài)創(chuàng)建仿真內核和仿真單元，并驅動仿真內核和仿真單元按照配置參數(shù)進行調用執(zhí)行。在這種統(tǒng)一技術架構下，無論是程序訓練器還是全動模擬機，不同級別的仿真訓練設備的仿真軟件都可以直接應用，可以實現(xiàn)最大程度的復用。

SDN共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是iSim平臺的基礎，完成仿真單元之間的數(shù)據(jù)分發(fā)管理，如圖6所示。SDN將對仿真單元之間的交聯(lián)數(shù)據(jù)和請求消息進行統(tǒng)一組織管理，使得交聯(lián)數(shù)據(jù)和請求消息從無序變成有序化，并最終成為運行時可定位、可訪問的共享數(shù)據(jù)庫；同時使仿真單元之間的交聯(lián)關系不再依靠全局變量，從實際意義的全局變量轉換為邏輯意義上的字符串描述。

圖6 共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡原理示意圖

仿真單元軟件內部不再定義外部變量，而是通過SDN提供的發(fā)布和訂閱標準接口轉為邏輯含義字符串的比較和對接，只有仿真模塊名稱(字符串)、變量名稱(字符串)和單位量綱(字符串)完全一致，訂閱和發(fā)布關系(輸入和輸出)才能成立，一旦訂閱和發(fā)布關系確立，則SDN在訂閱和發(fā)布方之間建立虛擬連接，自動將發(fā)布方的最新數(shù)據(jù)傳輸給訂閱方。

在進行SDN訂閱和發(fā)布的時候，允許在運行配置文件中配置重定向信息，將代碼中確定的SDN描述(模塊名稱、變量名稱、單位量綱)重新按照配置文件中描述的新定向信息進行對外發(fā)布和訂閱。這個功能對于仿真單元復用以及現(xiàn)場集成聯(lián)調十分有用。SDN通過自身的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議使得SDN具備跨計算機和跨操作系統(tǒng)平臺進行自動同步傳輸?shù)奶匦裕抡鎲卧鎸Φ奈ㄒ粩?shù)據(jù)接口就是SDN的訂閱和發(fā)布接口，除此之外無需關心其他仿真單元運行的物理位置和軟硬件環(huán)境。iSim仿真平臺的網(wǎng)絡系統(tǒng)基于高速以太網(wǎng)技術，目前多采用1000 Mbit/s以太網(wǎng)。SDN協(xié)議采用TCP協(xié)議作為主要的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的安全性。

iSim仿真平臺為航電系統(tǒng)仿真提供虛擬總線的功能，虛擬總線提供總線數(shù)據(jù)變量元素的操作功能，同時建立總線節(jié)點之間的連接關系，構建從變量端到變量端的透明傳輸。配合航電總線硬件激勵功能，便于切換仿制件和激勵的裝機航電設備。目前的航電總線包括CSDB總線、ARINC429虛擬總線、ARINC708虛擬總線、STD1553B虛擬總線等協(xié)議[9]。

3 結束語

結合近幾年來工程模擬機的具體使用需求，提出了工程模擬機重構內容的初步解決方案，同時重點闡述了仿真運行平臺對模擬機設備調整、接口通信的快速匹配、軟件模型重構的重要支撐作用。隨著我國航空產業(yè)的快速發(fā)展，飛機機型體系化的建設需要更多符合實際需要的輔助工具，工程模擬機是其中不可或缺的設計、驗證手段，同時可以節(jié)省研制過程中的風險、周期和費用，未來工程模擬機的應用前景會越來越廣[10]。