ARINC 661標準的適用性分析

王敬馳，閆欣宇，許海洋，崔炳偉

（蘇州長風航空電子有限公司，江蘇 蘇州 223200）

座艙顯控系統(tǒng)是飛機座艙中提供顯示功能的軟硬件設(shè)備統(tǒng)稱，是飛行員獲取飛行信息，進行飛行安全的關(guān)鍵所在。時代發(fā)展，隨著飛機性能的不斷提升，各類新型傳感器的不斷引入，座艙顯控系統(tǒng)所需要顯示和控制的內(nèi)容越來越多，復雜程度日益增加。

2001年， 美 國 公 司ARINC（Aeronautical Radio Inc，航空無線電通信公司）率先提出ARINC 661標準，即“座艙顯控系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)接口”標準ARINC 661。標準將座艙顯示系統(tǒng)（CDS）與用戶系統(tǒng)（UA）進行分離，規(guī)范定義了兩者之間的圖形接口格式和通信數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)了畫面顯示和邏輯控制相互分離的座艙顯控系統(tǒng)新構(gòu)架，為提高座艙顯控系統(tǒng)通用性水平提供了一個很好的解決方案。

目前，已經(jīng)有多家國外飛機設(shè)備制造商將ARINC 661標準運用到量產(chǎn)飛機座艙顯控系統(tǒng)的設(shè)計中，但是基于ARINC 661標準的座艙顯控系統(tǒng)新構(gòu)架由于標準化的圖形接口格式和通訊數(shù)據(jù)格式也大幅度增加了通訊消息的大小，雖然標準未規(guī)定傳輸層的通訊協(xié)議，考慮傳輸效率以及傳輸速率的前提下，適用于標準構(gòu)架座艙顯示系統(tǒng)的通訊方式相對有限。同時特殊的數(shù)據(jù)流模式、流程化的應(yīng)答機制以及脫離硬件平臺的設(shè)計理念也給標準的適用性帶來了一定的困難。

1 ARINC 661標準概述

ARINC 661標準2001年由美國ARINC公司率先提出，之后，成立了由航空各界代表組成的委員會對標準內(nèi)容進行增補和修訂。ARINC 661標準由于其在座艙顯控系統(tǒng)開發(fā)中優(yōu)異的表現(xiàn)，被多家國外飛機設(shè)備制造商運用到量產(chǎn)飛機的設(shè)計中。圖1所示為部分基于ARINC 661標準機型的圖例。表1所示為部分基于ARINC 661標準設(shè)計座艙顯示系統(tǒng)的機型的信息。

圖1 符合ARINC 661標準的機型

表1 基于ARINC 661標準設(shè)計座艙顯示系統(tǒng)的機型

2 ARINC 661標準適用性研究

2.1 標準控件的適用性

標準的初版基于空客A380客機座艙顯控系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)的接口設(shè)計，后期的增補和修訂也是定期根據(jù)標準委員會成員的需求進行變更，標準控件對于民用客機具有較好的適用性，對于軍用場景以及運輸機、直升機等其他機種的特定使用要求下往往不能滿足，需要進行控件定制化。此外，標準的控件增補和修訂對比先進技術(shù)的應(yīng)用通常具有滯后性。表2所示為ARINC661標準的發(fā)布時間以及增補內(nèi)容。

從表2中可以看出標準的更新頻率大概為兩到三年一版，新增控件通常是對過去時間內(nèi)需求變更的增補，存在一定的滯后性。例如觸摸功能的實現(xiàn)，早期版本中雖然可以通過CursorOver、CursorPosOverlay等光標控制相關(guān)控件一定程度上實現(xiàn)單點觸摸的功能，但對于多點觸摸、手勢功能等一系列復雜觸摸功能無法完成覆蓋，直到2016年的第六版標準中才增加了TouchArea和GestureArea控件用來豐富觸摸功能的實現(xiàn)。同樣，由于標準委員會成員都是國外飛機制造及設(shè)備廠商，國內(nèi)飛機制造商尤其是軍用飛機制造商的設(shè)計需求納入標準的增補修訂進展緩慢。豐富人機交互功能的小鍵盤控件和樹形控件早就成熟運用在國內(nèi)多種飛機座艙設(shè)計中，國內(nèi)相關(guān)單位通過SCADE工具廠商的渠道申請增補，第六版標準中才增加了KeyboardArea控件，第七版中增加了Tree控件。

表2 ARINC661標準發(fā)布時間以及增補內(nèi)容

此外，標準的增補內(nèi)容大部分依托于國外飛機的工程實踐，部分控件的實際使用場景及使用方式并未在標準中進行清晰的描述，也未給出對應(yīng)控件的使用案例，從而導致了部分描述不清晰的標準增補控件在國內(nèi)適用性并不高。

2.2 通訊協(xié)議的適用性

ARINC 661標準未對所使用的傳輸層通訊協(xié)議進行約定，在標準的附錄中也提及了標準可以在ARINC 429、ARINC 664(AFDX)、UDP、以太網(wǎng)等通訊方式下適用，但是，由于ARINC 661標準所規(guī)定的圖形接口格式和通訊數(shù)據(jù)格式中嵌套了大量的關(guān)鍵字，數(shù)據(jù)塊信息位以及補位空位，極大增加了通訊消息的大小，在實際項目中部分復雜畫面情況下通訊數(shù)據(jù)量超過10 kb，因此基于ARINC 661標準的座艙顯控系統(tǒng)具有大帶寬、高可靠的通訊要求，結(jié)合機載環(huán)境的特殊要求，綜合傳輸效率各傳輸速率考慮，目前而言，除了ARINC 664協(xié)議，其他通訊協(xié)議對于ARINC 661標準的適用性相對較差，ARINC 664通訊協(xié)議在波音787和空客380上的實際應(yīng)用也印證了其在基于ARINC 661標準的座艙顯控系統(tǒng)中的有效性。表3所示為運行階段ARINC 661通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表3 運行階段ARINC 661通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3 應(yīng)答機制的適用性

ARINC 661標準提出了“激活”概念，并約定了CDS與UA之間的握手機制。設(shè)定了當前顯示所需的畫面為需要激活的畫面，UA給CDS發(fā)送對應(yīng)畫面的“請求激活”指令，CDS收到指令后“激活”畫面并給UA回傳“畫面已激活”指令，UA收到“畫面已激活”指令后即表示CDS和UA已經(jīng)完成了握手，可以對畫面進行參數(shù)更改，否則UA將持續(xù)不斷地給CDS發(fā)送“激活請求”指令。如圖2所示為使用SCADE Suit工具來實現(xiàn)CDS與UA之間的握手功能。

圖2 握手功能的模型搭建

握手機制的存在保證了CDS只對當前顯示所需的畫面進行解析渲染，大大降低了CDS的運行負擔，提高了作圖效率。但是，該機制下的CDS和UA是一一對應(yīng)的，與目前飛機系統(tǒng)中提高安全可靠性的余度設(shè)計存在一定的沖突。

余度設(shè)計是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性的設(shè)計方法之一。在機載座艙顯示系統(tǒng)的設(shè)計中，為保證顯示器能夠安全可靠地完成畫面生成與顯示、畫面監(jiān)視任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)配備余度設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件在復雜性、可靠性、研制成本、設(shè)備任務(wù)等方面做出合理的平衡，目前部分飛機座艙顯控系統(tǒng)會采用雙余度熱備份設(shè)計方案，即同時有兩個CDS在運行。根據(jù)標準指令協(xié)議，UA無法區(qū)分消息源是來自于雙余度兩個CDS中的那一個，將“請求激活”指令發(fā)送給兩個CDS之后，無論哪個CDS回傳“畫面已激活”指令后，UA都認為已經(jīng)完成握手，開始進行畫面參數(shù)更改。這種情況下，如果雙余度的兩個CDS存在較大的啟動時延，那么就會導致后啟動的CDS無法收到“請求激活”指令，從而無法激活畫面。該問題在實際項目開發(fā)中得到了印證，在不改變標準協(xié)議的前提下僅能通過延后“請求激活”指令發(fā)送的時間進行一定程度地避免。

2.4 維護保障的適用性

大部分飛機座艙顯控系統(tǒng)中的接口定義依賴于飛機制造商規(guī)定的ICD協(xié)議，設(shè)備廠商需要根據(jù)對應(yīng)的ICD協(xié)議完成軟件的通訊接口設(shè)計，雖然通用性較差，但位域格式的ICD接口為后期維護保障提供了便利，可以通過對應(yīng)的ICD位的實時監(jiān)控快速定位問題。ARINC 661標準由于規(guī)范化定義了CDS與UA兩者之間的通信數(shù)據(jù)格式，通訊消息不需要依賴ICD協(xié)議，僅需要按照標準要求進行通訊數(shù)據(jù)的封裝即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通訊消息的長度以及具體內(nèi)容都是不確定的，這一舉措增強了通用性，但是在大數(shù)據(jù)量的非確定通訊數(shù)據(jù)中查驗問題給后期維護帶來了很大的困難，無法快速實現(xiàn)問題定位。目前，已有飛機制造商針對ARINC 661標準展開了總線數(shù)據(jù)可視化研究，定制了對應(yīng)的監(jiān)控軟件，但大部分現(xiàn)有監(jiān)控軟件主要還是依賴于離線通訊數(shù)據(jù)記錄，無法實現(xiàn)在線監(jiān)控，適用性仍然有待提高。

3 總結(jié)

ARINC 661標準作為新一代座艙顯示系統(tǒng)通用接口標準，已經(jīng)逐漸被國內(nèi)科研院所廣泛研究運用，標準由于其通用性和普適性，在部分特定使用場景存在弊端，文章通過對基于ARINC 661標準的座艙顯控系統(tǒng)研究，結(jié)合實際項目開發(fā)經(jīng)驗，探討分析了部分特定需求條件下ARINC 661標準的適用性，為標準的合理使用提供了一定的參考依據(jù)。