航電系統(tǒng)驗證平臺的設(shè)計范文

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《計算機仿真雜志》2014年第六期

1工作原理

航電綜合驗證平臺通過模型設(shè)計、仿真配置、仿真運行3個階段，完成一個具體的綜合驗證試驗(圖2)。首先，根據(jù)仿真目的，設(shè)計機載電子設(shè)備模型及其交聯(lián)仿真模型。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計輸出的ICD及DD文件，設(shè)計大氣數(shù)據(jù)計算機、慣導(dǎo)系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)等機載設(shè)備模型。在航電系統(tǒng)設(shè)計階段，主要的驗證目標是設(shè)備間接口及交互邏輯的正確性。因此，機載設(shè)備內(nèi)部邏輯在模型設(shè)計時可以簡化，重點在于準確對通信接口定義及設(shè)備間交互邏輯進行建模。從平臺的角度，提供了ICD接口模型的自動生成模塊，簡化模型設(shè)計。交聯(lián)仿真模型主要包括液壓、燃油、發(fā)動機、環(huán)控等非航電系統(tǒng)模型，飛行運動仿真模型，以及大氣、風場、無線電導(dǎo)航臺站、機場等飛行環(huán)境模型。交聯(lián)仿真模型為各航電設(shè)備模型提供激勵數(shù)據(jù)，完成全飛行過程仿真。除此之外，POP儀表仿真模塊、三維飛行視景模塊也接入到系統(tǒng)中，提供仿真過程中的可視化支持。完成模型設(shè)計之后，利用運行管理模塊進行仿真配置。仿真配置的主要工作之一，是綜合所有模型的輸入、輸出數(shù)據(jù)，完成CIA中間件數(shù)據(jù)對象的定義，形成CIA配置文件，到所有接入CIA中間件的節(jié)點，以正確實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問。

CIA中間件上定義的數(shù)據(jù)包括ICD數(shù)據(jù)及飛行仿真數(shù)據(jù)。ICD數(shù)據(jù)描述的是在真實飛機上通過ARINC429、AFDX等機載航電網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù);飛行仿真數(shù)據(jù)描述的是不通過機載網(wǎng)絡(luò)傳遞，但在仿真過程中需要的數(shù)據(jù)，例如飛行環(huán)境模型輸出、飛機動力學輸出等。對于INS設(shè)備模型，其ARINC429總線輸出數(shù)據(jù)屬于ICD數(shù)據(jù);需要從飛機動力學仿真模型獲取的飛機三軸角速率、比力等數(shù)據(jù)則屬于飛行仿真數(shù)據(jù)。仿真配置所形成的CIA配置文件，除模型使用外，也提供給數(shù)據(jù)采集、存儲、故障注入等工具模塊，實現(xiàn)對仿真過程數(shù)據(jù)的訪問。仿真配置的另一項主要工作是完成仿真任務(wù)規(guī)劃，以定義試驗場景。仿真任務(wù)規(guī)劃包括飛機初始狀態(tài)、飛行計劃、設(shè)備故障模式、飛行環(huán)境設(shè)置等。完成仿真配置后，即可運行仿真。運行管理模塊將CIA配置數(shù)據(jù)和任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)加載到各個仿真節(jié)點，并控制各模型的初始化、運行、暫停、停止等狀態(tài)切換。同時，運行管理模塊作為主引擎，為各參試模型提供仿真時間推進機制。通過CIA中間件，機載設(shè)備模型仿真對應(yīng)設(shè)備的邏輯和接口，以真實的交互流程及ICD定義的格式進行通信，在外圍交聯(lián)環(huán)境的支持下，仿真航電系統(tǒng)的行為，從而驗證系統(tǒng)設(shè)計的完整性及正確性。

2關(guān)鍵功能設(shè)計

2．1中間件設(shè)計CIA中間件用于完成如下關(guān)鍵功能:1)運行調(diào)度:接受運行管理模塊的指令，向各仿真模型及相關(guān)節(jié)點發(fā)送初始化、啟動、暫停、停止指令，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行;2)時間管理:向需要同步的節(jié)點發(fā)送仿真同步指令，保證仿真模型的時間一致性;3)數(shù)據(jù)傳輸:構(gòu)造一個對所有節(jié)點可見的全局數(shù)據(jù)空間，并在此數(shù)據(jù)空間上定義數(shù)據(jù)對象，所有節(jié)點根據(jù)各自的訂閱關(guān)系，對數(shù)據(jù)對象進行訪問，完成節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換。CIA中間件支持單機模式和分布式模式。在單機模式下，利用操作系統(tǒng)提供的本地時鐘、事件機制，并建立全局共享數(shù)據(jù)區(qū)，即可實現(xiàn)所需功能。在分布式模式下，有DDS(數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù))及反射內(nèi)存兩種可選的途徑實現(xiàn)CIA中間件的功能。DDS構(gòu)造了一個共享的“全局數(shù)據(jù)空間”，分布式的節(jié)點可以通過Topic完成數(shù)據(jù)的訂閱［4］。反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)通過硬件同步機制，實現(xiàn)了各個節(jié)點的數(shù)據(jù)同步，對應(yīng)用軟件來講構(gòu)造了一個透明的共享內(nèi)存區(qū);同時，反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)支持全局異步事件，可實現(xiàn)各節(jié)點調(diào)度及同步功能。DDS的優(yōu)點是無需新增硬件，但其實現(xiàn)一般基于以太網(wǎng)，商用DDS需一定的產(chǎn)品費用，且在嵌入式系統(tǒng)上移植有一定難度;反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)的缺點是需要新增專用硬件，但開發(fā)難度小，具備強實時性，且對各類操作環(huán)境適應(yīng)性好。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮到開發(fā)、維護、實時性等因素，選擇反射內(nèi)存網(wǎng)絡(luò)作為介質(zhì)實現(xiàn)分布式CIA中間件。

2．2建模環(huán)境本平臺支持MatlabSimulink及C/C++兩類通用性良好的模型設(shè)計環(huán)境。針對MatlabSimulink環(huán)境，開發(fā)專用的Simulink接口庫，將CIA中間件的運行控制、數(shù)據(jù)通信功能集成到Simulink環(huán)境中，使得基于Simulink設(shè)計的機載設(shè)備模型可快速加入綜合驗證平臺。對于C/C++開發(fā)環(huán)境，本平臺參照FMI(FunctionalMock－upInterface)規(guī)范［5］，定義模型接口及描述方式，實現(xiàn)手寫代碼的規(guī)范化。FMI是由達索公司主導(dǎo)、歐洲眾多軟件公司及研發(fā)中心參與推出的可交換功能樣機接口規(guī)范。本平臺設(shè)計了軟件工具，直接生成接口程序框架及數(shù)據(jù)定義，只需在框架下編寫機載模型。為了進一步簡化模型設(shè)計，在FMI規(guī)范基礎(chǔ)上，對接口進行進一步封裝，通過如下接口函數(shù)即可完成模型邏輯描述:1)模型初始化函數(shù)MDLInitialize();2)模型周期輸出函數(shù)MDLOutputs();3)模型周期更新函數(shù)MDLUpdate();4)模型終止函數(shù)MDLTerminate();

2．3接口生成對于航電系統(tǒng)，描述系統(tǒng)通信的ICD數(shù)量可達數(shù)千條，給出了塊、信號及所包含域的詳細定義。如果手工實現(xiàn)，開發(fā)量大，且極易出錯。本平臺針對MatlabSimulink及C/C++建模環(huán)境，基于ICD信息直接生成接口模型，避免人工轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的錯誤，加快設(shè)備模型的集成過程。5給出了自動生成的機載設(shè)備Simulink模型的頂層視圖。機載設(shè)備的ARINC429、AFDX等外部航電網(wǎng)絡(luò)接口被設(shè)計為Simulink總線模型，封裝了在該總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊、信號、域等信息。圖6給出了生成的Simulink機載設(shè)備模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。所生成的結(jié)構(gòu)化模型中，包含了靜態(tài)模型、動態(tài)模型兩個可選通道，并設(shè)計統(tǒng)一的模型選擇信號。在實際中，可根據(jù)具體的仿真場景，靈活選擇所需的模型。

3擴展應(yīng)用

在航電系統(tǒng)數(shù)字化綜合驗證平臺的基礎(chǔ)上，可以擴展進行機載設(shè)備在環(huán)仿真和航電系統(tǒng)增量集成。其構(gòu)成如圖7所示。為支持真實機載設(shè)備接入，需要接入一個IO接口節(jié)點。該接口節(jié)點具備ARINC429、AFDX、ARINC825、離散量等物理接口，與真實設(shè)備連接，完成對真實設(shè)備的信號激勵及采集，并實現(xiàn)與CIA中間件數(shù)據(jù)對象的雙向映射。為保證與真實設(shè)備通信的時序性要求，仿真模型及IO接口節(jié)點都應(yīng)運行在實時環(huán)境中。隨著真實設(shè)備的逐漸接入，對應(yīng)的模型被相應(yīng)替換，而實現(xiàn)航電系統(tǒng)的增量式集成，系統(tǒng)的重點也從數(shù)字綜合過渡到實物綜合。

4結(jié)束語

隨著ARJ21、C919等民用飛機型號研制及適航審定過程的推進，大量國外飛機設(shè)計驗證的理念、方法、工具被引入進來。這些經(jīng)過驗證的實踐需要消化吸收，并結(jié)合國內(nèi)需求特點及技術(shù)發(fā)展，進行本地化，以與飛機設(shè)計單位形成高效互動的生態(tài)系統(tǒng)，推動設(shè)計、驗證水平的提高。針對國內(nèi)在系統(tǒng)設(shè)計早期缺乏驗證手段的現(xiàn)狀，本文簡要介紹了一套航電系統(tǒng)綜合驗證平臺的設(shè)計思路。基于該平臺，能夠在系統(tǒng)設(shè)計階段，在不具備任何真件的情況下，進行機載設(shè)備模型的集成，并按照DD及ICD定義的流程及數(shù)據(jù)格式進行通信，模擬航電系統(tǒng)的工作過程，對系統(tǒng)設(shè)計輸出進行驗證，進行迭代優(yōu)化。目前，該平臺完成原型開發(fā)，并已應(yīng)用于工程實踐，表明了該設(shè)計的可行性。希望通過該平臺的應(yīng)用，增加航電系統(tǒng)的早期驗證手段，并通過各種其它手段的綜合運用，使驗證活動貫穿于航電系統(tǒng)研發(fā)的全過程。

作者：張炯董西路單位：中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術(shù)研究中心北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司