綜合模塊化航空電子（IMA）適航符合性方法研究

黃躍智

【摘 要】綜合模塊化航空電子（IMA）已在一些新研和改進的機型中廣泛運用。本文在系統闡述IMA定義和合格審定指導材料的基礎上，全面論述了IMA平臺開發過程的設計考慮、認可時需滿足的目標、認可過程中產生的符合性數據。

【關鍵詞】綜合化；模塊化；設計考慮；符合性目標

【Abstract】The integrated modular avionics（IMA） are being installed on a number of new or modified aircraft. This paper provides a definition of IMA， and overview of the existing IMA development and certification guidance， and then describes the design consideration， objectives， related activities and data of the IMA system.

【Key words】Integrated； Modular； Design consideration； Compliance objectives

0 引言

綜合模塊化航空電子（IMA）是20世紀90年代發展起來的，由具有不同處理能力的硬件模塊、不同應用功能的軟件模塊和使其相互聯系及運行的總線組成，實現了系統模塊硬件、軟件的標準化與通用化，實現資源共享，系統重構，減少體積、重量、功耗，進一步降低系統的開發成本和維護成本。然而，IMA的開發和審定尚沒有一套完整的通用的指導材料。本文主要目的是探索設計和審定IMA時滿足相關適航要求的方法。

1 綜合模塊化航空電子（IMA）概述

綜合模塊化航空電子（IMA）自誕生以來，處于不斷的進化當中，各機構有不同的定義。比較權威的是，RTCA特別委員會200（SC 200）和EUROCAE 工作組71（WG-71）做了如下定義[1]：“IMA是一組靈活的、可重用的、可互操作的共享硬件和軟件資源，當把這些資源綜合在一起時可以構建一個平臺，該平臺按一組確定的安全和性能需求進行設計和驗證，能提供各種服務，并駐留執行飛機功能的應用”。

該定義強調的是平臺本身，有些定義則指的是包括駐留應用的整個IMA系統。本文將使用RTCA/EUROCAE的定義范疇，重點討論IMA平臺本身的適航符合性方法。

2 綜合模塊化航空電子（IMA）指導材料

過去的十幾年間，工業界和審定機構頒發了一系列適用于IMA開發、綜合、確認和驗證的指導材料。本節對主要的幾份材料進行簡要的概述。

（1）RTCA/DO-255。RTCA/DO-255“航電計算機資源的需求規范”[2]頒布于2000年4月份，為適用于多種應用或合格審定項目的平臺提供指南。DO-255提供的指導包括分區管理、健康監控、軟件的現場加載和一些其他的服務，但由于缺少必要的安裝、綜合、審定等內容，該文件并沒有得到FAA的認可。

（2）技術標準規定C153（TSO-C153）和咨詢通告20-145（AC 20-145）。TSO-C153“綜合模塊化航空電子硬件單元”[3]和AC 20-145“使用TSO-C153硬件單元的IMA指南”[4]是FAA于2002-2003期間頒布的。TSO-C153為IMA“硬件單元”獲取批準提供了一種路徑，這些“硬件單元”可以是機柜、或者安裝到機柜中的硬件模塊。TSO-C153允許硬件模塊開發者確定硬件模塊的最低性能標準。但TSO-C153沒有為硬件模塊的安裝提供指導。

AC 20-145為使用IMA硬件單元的IMA系統提供綜合、安裝、審定和持續適航的指導。指導內容包括安全性評估、構型管理、軟件分區和重用、供電、自檢測、維護、環境鑒定和試驗實踐等，并討論了IMA各相關方的角色和職責、第三方供應商的管控、及IMA系統的持續適航。

TSO-C153和AC 20-145共同為IMA系統獲取批準提供了一種路徑，但這種IMA系統并不是開放性的，是有局限的，沒有解決與之有接口關系的顯示、傳感器等。

（3）RTCA/DO-297。因為TSO-C153和AC 20-145的局限性，工業界頒布了DO-297“綜合模塊化航空電子開發指南與審定考慮”，以便為完整的IMA系統提供設計和審定上的指導。設計保證先應用于每個模塊，然后每個模塊綜合形成IMA平臺，在IMA平臺上安裝一些應用后，最后綜合到飛機系統中。DO-297通過定義6個任務為IMA平臺綜合到飛機提供了一種審定方法：模塊認可、應用認可、IMA系統級認可、IMA系統飛機級認可、模塊或應用的更改、模塊或應用的重用。同時也為IMA的一些關鍵設計，如資源分配、安全性考慮、分區和資源管理、健康監控和故障管理提供指導。

（4）咨詢通告20-170（AC 20-170）。2010年，FAA發布了AC 20-170，對采用DO-297和TSO-C153進行IMA開發、驗證、集成和批準進行了說明，并認可將DO-297作為可接受的符合性方法。

3 綜合模塊化航空電子（IMA）適航符合性方法

如表1所示，在DO- 297標準中，完整的IMA系統的認可過程分成以下幾層去實現。

表1 完整 IMA系統的認可過程

在任務1中，模塊可以是軟件、硬件或是軟硬件的組合。本文所探討的IMA平臺就是由各組件模塊綜合而成的。下面重點對IMA平臺的設計考慮、認可目標以及認可過程中產生的符合性數據進行分析。

（1）IMA平臺的設計考慮。IMA的一個主要目標就是開發出一個IMA平臺，這種平臺能夠與不同駐留應用一起重復地用到不同飛機上。一種可重用的IMA平臺開發過程需考慮：

A.計劃和定義IMA平臺。定義IMA的架構，說明平臺中各模塊、資源、部件的類型和功能，以及它們是如何交互的；定義駐留應用、軟件和硬件綜合到IMA平臺的方法；定義IMA平臺的認可方法；定義IMA系統的審定方法，包括支持駐留應用和開發符合性數據的各相關方的角色與責任；定義能夠提供給駐留應用的平臺服務；定義飛機功能可用性與完整性的等級、平臺對其支持的能力，以及支持的方法；定義健康管理和故障管理的方法；定義IMA平臺和IMA系統構型管理的方法。

B.確定IMA平臺的需求。確定IMA平臺的安全性、性能、構型管理、環境條件、故障管理與故障報告的方法和要求以及對各部分概念定義的詳細需求。

C.開發并實現IMA平臺的設計。軟件和硬件的開發過程應分別按照DO-178和DO-254進行，同時要符合各類補充規章文件的要求，在相應的安全級別上滿足所需的安全性要求。另外，應該進行共因分析（CCA），并針對該平臺所確定的各種頂層事件進行定量的失效分析。

D.驗證并確認IMA平臺。針對特定的環境條件進行環境鑒定試驗；進行分區分析和驗證試驗；完成共因分析；完成能證明滿足可靠性需求與能力的數值分析；解決模塊一起共享的環境和資源問題；

E.采用模塊認可的方法來獲得IMA平臺的認可。完成并提交各模塊的認可數據；完成IMA平臺所有需求的確認和驗證；并對需求、實現和驗證活動的追蹤性進行維護。

（2）IMA平臺認可的目標。

IMA平臺認可的目的就是要證實平臺的特性、性能和接口，以獲得平臺的增量認可。平臺認可過程的目標有：

A.制定平臺認可計劃，以滿足所有適用的審定需求；

B.編制平臺需求規范，以確保需求得到記錄；

C.表明資源固有屬性的符合性，如時間和空間的分區隔離、故障管理、健康監測、資源管理、資源構型以及應用參數等；

D.使用模塊需求規范中確定的性能、接口、服務、安全性、故障管理及健壯性等需求驗證資源屬性的符合性；

E.開發平臺相關的核心軟件和硬件，并證明其過程符合適用的指南與規章；

F.編制平臺認可數據，并提供給審定機構以供認可；

G.為平臺用戶提供必要的信息，以便能正確地使用和綜合平臺中的模塊；

H.當需要時，對開發和驗證平臺時所使用的工具進行評估和鑒定；

I.實施質量保證、構型管理、綜合、確認、驗證以及審定聯絡；

J.為用戶提供必要的信息，以便他們能正確管理平臺的構型；

K.當需要時，定義、規定、評估并鑒定平臺的支持工具，以便提供給平臺的用戶進行使用；

L.如果要想重用平臺開發的結果，在平臺的開發過程中就要解決重用問題。

（3）IMA平臺生命周期數據。IMA平臺認可過程中產生的生命周期數據如表2所示，其中IMA平臺的模塊認可計劃、軟件合格審定計劃等是需要提交局方批準的，質量保證記錄、構型管理記錄提供給局方審閱即可。

4 結論

當前我國綜合模塊化航空電子的開發和適航審定水平還比較落后，在這個方面還有很長的路要走。通過研究國內外工業標準和適航要求，明確綜合模塊化航空電子為滿足適航要求所進行的設計考慮，符合性活動，以規范綜合模塊化航空電子的適航取證。

【參考文獻】

[1]RTCA/DO-297， Integrated Modular Avionics（IMA） Development Guidance and Certification Considerations， November 2005[Z].

[2]RTCA/DO-255， Requirements Specification for Avionics Computer Resources （ACR）， June 2000[Z].

[3]FAA Technical Standard Order， TSOC153， Integrated Modular Avionics Hardware Elements， May 2002[Z].

[4]FAA Advisory Circular， AC20-145， Guidance for Integrated Modular Avionics （IMA） That Implement TSO-C153 Authorized Hardware Elements， February 2003[Z].

[責任編輯：楊玉潔]