基于智能配線的通用飛機航電試驗技術研究

蔡志勇， 趙紅軍

(中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519040)

0 引 言

隨著我國國民經濟的發展，人民出行方式的多樣化、個性化需求促進了交通體系的變革，同時，低空空域的逐步開放預示著通用航空產業的崛起。這對經濟結構調整和產業轉型升級產生積極影響。全球注冊的民用飛機中大約有90%屬于通用飛機，承擔著全球航空客運量的50%，占總飛行時間的75%，據統計，80%的通用飛機注冊在北美，10%注冊在歐洲[1]。因此，通用航空產業在我國還有廣闊發展空間，通用飛機航電系統作為面向駕駛員的人機接口，要求具有良好的交互性和安全性，對飛機有著重要作用。

通用飛機航電系統，尤其是基于25部適航規章的大型通用飛機航電系統具有以下特點：綜合程度高，模塊功能復雜，設備眾多，信號交聯龐雜，系統參研參試的單位和人員也很多，技術難度和復雜性高[2-5]。在已有研究中，文獻[6]側重于介紹航電系統的通信導航分系統的激勵；文獻[7]介紹了我國第三代飛機航電的動態系統綜合環境，面對當前高度綜合的第四代航電已不太適應；文獻[8-10]側重于單純介紹航電仿真或總線測試技術；文獻[11]是德國TechSat公司的ADS2平臺，該平臺經過空客相關型號的考驗，是一個相當不錯的設備級測試臺，但對于航電系統級和飛機級集成與測試并不適用。文獻[12]是復雜系統的研制及驗證的一般流程。

波音和空客兩大巨頭都基于飛機級和航電系統級需求，形成了適合自己研發體系的試驗方法和平臺。在國內，中國商飛上飛院建立了以柯林斯公司試驗臺為主的航電系統集成測試環境，但為ARJ21飛機量身打造，其廣泛應用受知識產權方面的局限。基于以上分析，本文深入研究了航電系統特點，提出集成和測試方法，建立科學高效的航電系統集成與測試環境，以期為我國先進航電系統的研制服務。

1 航電系統的集成方法

系統集成通常采用增量式的集成策略，即從設備集成開始，然后是分系統級、系統級到最終的飛機級。這種分步集成的策略使得每一次集成的關注點從設備級的需求逐步轉移到整體性功能需求，使得整個集成過程中充分暴露不同層級的問題，確保最終整體系統集成的順利完成，從而降低了整體系統集成的復雜度。

為了很好地支持這種分步集成的策略，本文采用各分系統設備的數字仿真和接口激勵技術，對系統的需求和整體設計提供驗證手段，同時通過生成目標代碼的機制，為后續系統集成測試打下良好的基礎。另外，數字仿真形成的測試規范和用例，也為后續的分步集成提供了完善的測試要求。通過這樣的方法，使得設計階段的模型和測試用例可以被反復地應用到后續的系統集成當中，從而提高了系統研制的效率，保證了驗證的一致性，從而最終提高產品的質量。

基于以上分析，本文提出的系統集成方法是：在系統數字仿真的基礎上，建立具備真實物理接口的仿真設備（仿真件），為后續的系統集成打下基礎。在真實設備（真件）研制出來后，通過真件與仿真件之間的逐一替換，逐步完成整個航電系統的集成工作。為了便于真件和仿真件之間的靈活替換，需提供靈活的構型配置系統，這可以通過具有完善智能配線機制的航電網絡實現。圖1給出了從全部為仿真件的構型，到逐個真件接入，直至最終全部為真件接入的過程示意。

圖1 采用逐一替換的方式實現系統集成

在系統中接入某一分系統的真件的同時，關閉相應的仿真設備，并開展對該分系統的集成測試工作。通過逐步采用真件替換仿真件，最終完成系統的集成，并進行全系統的集成測試。在整個系統集成的過程中，會不斷暴露出分系統之間的接口不一致或相互沖突等問題。為了能夠對這些問題進行快速而準確的定位，需要不斷調整系統的配置構型，按需調整智能配線使得某些分系統的真件參與試驗，而其他分系統則采用仿真件代替，組成綜合航電系統的半物理仿真試驗環境，并有針對性的進行場景復現和故障注入等測試。

2 航電系統的測試方法

傳統的航電系統測試方法是參照其需求分析和功能描述文檔，根據其中對系統總體及各分系統的要求，逐條設計“激勵-響應”式的文本測試用例，然后手動執行。所謂“激勵-響應”式的測試，是指給待測的設備或系統提供一個激勵信號，并觸發其內部的一系列運算、狀態切換或內部的數據傳遞，最后對其響應的結果進行采集或測量，并與期望的響應進行比對，以得出測試的結論。

在整個測試過程中，航電系統的激勵-響應測試用例會被多次反復執行，傳統的測試方法存在效率低下，容易引入人為錯誤的問題。本文采用如下方法解決：

在全數字仿真階段，通過對全部測試用例的執行，來對仿真模型和測試用例進行確認；之后，將數字仿真階段的測試用例按測試序列的方式錄入某一主控計算機，使得主控計算機可基于智能配線系統、各設備激勵系統、仿真系統和采集測量系統按照測試用例的要求協同工作，從而自動得出測試結論。在座艙聯試或分系統測試階段，執行顯控或該分系統相關的測試序列；在全系統測試階段，需要從頭到尾執行所有的測試序列，并逐一確認；當測試發現問題時，為了進行故障的定位或對故障是否排除進行確認，也要反復執行相關的測試序列。

為了全面考察航電系統在實際飛行任務環境下的工作情況，本文采用動態綜合測試方法，即基于實時的飛行仿真，為航電系統的測試提供數據激勵源。飛行仿真模型能夠進行全包線的仿真，并提供手動和自動兩種飛行模式。在試驗過程中，飛行仿真模型將解算出的飛行參數共享給航電仿真模型、各種激勵系統和視景系統等，使得整個試驗環境協調統一。另外，飛行仿真模型中還包含各類跟航電系統交聯的非航電系統的仿真模型和飛控系統模型，以支持各系統的聯試。在動態綜合試驗過程中，可以通過各種數據注入和故障模擬的手段，測試航電系統對各類故障模式是否能夠正確處理。

在進行動態綜合測試前，也需要對試驗過程進行合理策劃，對試驗的場景和任務環境進行設定，選擇合適的飛行剖面，并確定在該次飛行試驗過程中，主要考察的內容和方法。在試驗過程中，需要借助數據的采集和監控工具，以便對故障前后的試驗數據進行記錄和分析。該測試方法的原理如圖2所示。

為了實現自動生成測試結論，對測試結果采用如下方法進行處理：按測試結果的類型，把測試用例分為兩類，一類測試用例的結果是引起顯示器上的畫面變化，這一類測試很難由計算機自動判斷結果的正確性，測試過程需要測試人員的參與，并通過軟件界面將結果通知試驗系統；另一類測試用例的結果是各分系統間的通信數據或狀態，可以由試驗系統直接采集獲得，測試過程可以實現無人值守。這樣將提高測試效率，并降低人為判讀枯燥數據導致出錯的概率。

3 基于智能配線的試驗平臺構建

3.1 智能配線的原理

航電系統集成與測試中需要根據試驗需求靈活配置試驗構型，因此需要試驗平臺具有完善的智能配線網絡。智能配線的原理如圖3所示。

通過構型控制腳本將試驗的構型配置需求輸入至智能控制器，智能控制器生成配線的控制指令以控制航電網絡中接入真件和仿真件的構型。

3.2 系統架構

航電系統綜合試驗臺的基本原理是，在航電系統仿真的基礎上，通過仿真件和真件的切換，逐步實現綜合航電系統的集成、聯調和測試。試驗平臺的架構原理如圖4所示。

整個試驗臺主要由設備真件及激勵系統、設備仿真和環境模擬系統、信號交聯和測試系統、試驗操作和綜合管理系統四大部分組成。試驗內容重點關注的是航電分系統之間或航電系統與非航電系統之間的交聯信號。仿真系統提供這些設備間交聯接口的仿真信號，并通過綜合配線系統實現真實信號與仿真信號之間的程控切換。試驗操作和綜合管理系統駐留于主控計算機內，試驗人員通過人機界面對各類試驗資源進行綜合化的控制和管理，對測試序列進行圖形化的維護管理，整個試驗系統通過試驗網絡互聯，實現數據、指令和狀態的相互傳遞。

3.3 軟件及試驗網絡架構

試驗平臺中的軟件總體設計采用面向資源和服務的架構，并采用以太網技術實現主要的控制流和數據流通信。這種架構的優勢在于：

圖2 測試方法原理框圖

使軟件模塊間松耦合，便于獨立調試和隔離故障；提升開發效率，并使系統具備較強的可擴展性；借助成熟技術，提高系統的可靠性和穩定性；對各類資源、服務和數據進行抽象，使系統在功能上具備廣闊的提升空間。

3.3.1 控制網絡

控制網絡用于傳輸控制指令和狀態回報，使用了CORBA（公共對象請求代理體系結構）中間件完成控制指令收發。系統為控制網絡適配提供了客戶端適配模塊和服務器適配模塊。客戶端適配模塊方便第三方軟件接入系統對已有試驗資源進行控制，服務器適配模塊用于仿真件等試驗資源的擴充。

3.3.2 數據網絡

數據網絡通過DDS（數據分發服務）中間件實現數據的分發和接收，由于數據網絡中，所有數據的發送都是廣播出去的，因此在任意節點實現接收器，并通過適當的過濾就可以接收到自己想要的數據。數據網絡的適配模塊可以分別實現數據的發送和接收或者兩者都實現。使用DDS中間件的API（應用程序接口）可以完成對數據Reader或Writer的定制，然后使用Reader或Writer實現對數據的接收和發送。

圖3 智能配線原理

圖4 試驗平臺系統架構原理框圖

圖5 AG600飛機航電試驗平臺

試驗數據網絡為數據共享和收發提供了5個分區，不同的分區負責不同功能模塊數據的共享和數據收發。同時，系統為這5個分區分別封裝了數據訂閱和發布的適配模塊，分系統或第三方模塊可以使用這些適配模塊完成在數據網絡中發布或訂閱數據。

4 在AG600飛機航電系統研制中的應用

AG600飛機是我國自主研制的大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機，其航電系統基于A429總線綜合，龐大復雜，主要組成部分有：以EFIS（電子飛行儀表系統）為核心，集成各主導航傳感器的主航行系統；以RTU(無線電調諧單元)為核心，集成各無線電設備的無線電通信導航系統；以記錄器為核心的飛參記錄系統；以告警計算機為核心的中央告警系統；以EPU處理機為核心的EICAS（發動機指示與空勤告警）系統；以滅火控制盒為中心，集成各滅火設備的滅火系統（滅火型）；以任務管理計算機為中心，集成各搜索傳感器的搜索系統（救援型）。

中航通飛研究院承擔這個復雜航電系統設計開發和集成驗證，為此，建立了一套基于智能配線的通用飛機航電系統試驗平臺，在該平臺上完成了從設備級到分系統級再到系統級的航電集成，最后完成了航電系統與機電系統的飛機級接口集成。之后，分別完成了航電系統的通信、導航、指示記錄等功能測試。試驗情況及數據見表1和表2。實踐證明該試驗方法及平臺很好地支撐了AG600飛機航電系統的研制，將來還要支撐AG600飛機的部分適航取證工作。

表1 AG600飛機航電系統集成情況

表2 AG600飛機航電系統測試情況

5 結束語

本文針對通用飛機航電系統集成測試需求和試驗過程分析，提出了基于數字仿真的增量式集成方法、航電測試的激勵-響應式測試和動態綜合測試方法，構建了基于智能配線的航電試驗平臺，應用結果表明：該方法及試驗平臺能夠提高系統集成的效率，拓展功能測試的覆蓋度，增加測試的完整性、正確性，降低航電系統研制成本，縮短了研制周期，對我國航空電子系統的研發設計具有積極作用。

[1]SCHAENZER G. A view of trends in general aviation avionics[C]//AIAA/ICAS International Air and Space Symposium and Exposition, 2003: 1–6.

[2]王國慶, 谷青范, 王淼, 等. 新一代綜合化航空電子系統架構技術研究[J]. 航空學報, 2014, 35(6): 1473–1486.

[3]丁全心. 綜合模塊化航空電子系統標準述評[J]. 電光與控制, 2013, 20(6): 1–3.

[4]蔣楓, 何茂源, 蒲小勃, 等. 飛機設計手冊 第17冊 航空電子系統及儀表[M]. 北京 航空工業出版社, 2001: 258–273.

[5]楊云志, 羅通俊, 黃進武. 我國大型飛機航空電子系統的發展與思考[J]. 電訊技術, 2007, 47(4): 1–5.

[6]王凱, 劉濤, 周德新. 航電設備運行環境動態模擬系統設計方法研究[J]. 計算機測量與控制, 2014, 22(4): 1303–1306.

[7]李權, 陳驪醒, 高亞奎. 航空電子系統動態模擬綜合環境研究[J]. 系統仿真學報, 2003, 15(2): 27–29.

[8]高艷輝, 肖前貴, 胡壽松, 等. 飛行模擬器發展中的關鍵技術[J]. 計算機測量與控制, 2014, 22(2) 587–590.

[9]寧偉. 通用航空總線實時測試與分析研究[D]. 西安: 西北工業大學, 2006.

[10]楊樂平. 虛擬儀器技術概論[M]. 北京: 電子工業出版社,2003: 1–25.

[11]ADS2R3. Avionics Development System 2th Generation/Release 3 User Manual(2013)[EB/OL]. [2014–05–20]http://www.techsat.com.

[12]SAE. Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems: ARP4754A[S]. Warrendale: SAE International,2010.