ARINC661標(biāo)準(zhǔn)在直升機座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用研究

陳斌

（中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

航空電子系統(tǒng)（Avionics，簡稱航電系統(tǒng)）是指飛機上所有電子系統(tǒng)的綜合，主要包括了通信、導(dǎo)航和顯示管理等多個系統(tǒng)[1]，屬于當(dāng)前飛機系統(tǒng)內(nèi)部較為關(guān)鍵的一部分。自上世紀(jì)40年代產(chǎn)生以及應(yīng)用以來，航電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要有四個階段依次為：立式航電體系、聯(lián)合式航電體系、綜合式航電體系和先進的綜合航電體。

1 概述

1.1 研究背景及意義

對于座艙顯示系統(tǒng)（Cockpit Display System，簡稱CDS）來講其通常情況下指的是飛機座艙內(nèi)部全部的軟硬件設(shè)備的統(tǒng)稱，并且對于現(xiàn)代航電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用具有著重要的影響。近些年來航電系統(tǒng)的發(fā)展相對較快，從而使得大量的電子設(shè)備有效地應(yīng)用至了飛機座艙內(nèi)。然而，現(xiàn)階段飛機座艙內(nèi)部接口未能夠形成較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同類型的電子設(shè)備間接口方面存在相對較大的差異，未能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的再次利用以及有效移植，由于該種情況的存在從而造成了座艙顯示系統(tǒng)的成本方面相對較高同時對于系統(tǒng)的要求也相應(yīng)的增加了。通過有效引入接口設(shè)計還有模塊標(biāo)準(zhǔn)化當(dāng)面的理念，從而進行了對飛機座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計接口進行了有效地統(tǒng)一并且也對所有的模塊功能進行了有效地規(guī)范，從而有效處理成本方面的問題以及難度相對較高方面的困難并且針對該方面有效提出了ARINC 661的規(guī)范。

ARINC 661規(guī)范主要是由ARINC企業(yè)在2001年針對座艙顯示系統(tǒng)所提出的的新的標(biāo)準(zhǔn)，全程為“座艙顯示系統(tǒng)與用戶系統(tǒng)規(guī)范（Cockpit Display System Interface To User Systems）”。此規(guī)范于CDS還有用戶應(yīng)用（User Application，簡稱UA）間進行了一套接口的有效定義，同時還進行了對其通信方面的相關(guān)數(shù)據(jù)的格式予以有效規(guī)范處理[2]。從宏觀上定義了整體的結(jié)構(gòu)框架，協(xié)調(diào)多個子系統(tǒng)組件以創(chuàng)建交互式的顯示系統(tǒng)。第一個子系統(tǒng)組件即座艙顯示系統(tǒng)，通過繪制引擎來呈現(xiàn)圖像信息。另外，顯示系統(tǒng)需要與另一個獨立系統(tǒng)：用戶應(yīng)用程序之間建立邏輯連接關(guān)系。兩個系統(tǒng)之間的連接便是ARINC 661的運行協(xié)議（ARINC 661 Runtime Protocol）。這個協(xié)議用來承載用戶與UA系統(tǒng)間的交互事件，并將此需求發(fā)送給顯示系統(tǒng)以更新顯示數(shù)據(jù)。最終，所顯示的內(nèi)容，包含各個圖形元素，將從被叫做窗體庫（Widget library）的組件里調(diào)用。國內(nèi)對該規(guī)范的研究工作尚處于剛剛起步狀態(tài)，在國內(nèi)軍用、民用直升機型號設(shè)計過程中，還沒有采用ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)進行座艙顯示系統(tǒng)開發(fā)的案例。

近年來隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從而有效地提高了軟件開發(fā)技術(shù)以及促進了電子技術(shù)的進一步發(fā)展，同時也在有效地促進了座艙顯示系統(tǒng)信息化以及智能化深化發(fā)展，也朝著高度數(shù)字化、綜合化和智能化的方向發(fā)展，對于新一代的座艙顯示向著多功能化以及更為良好的人機交互的方向發(fā)展快速。ARINC 661規(guī)范的提出還有在實踐中的具體應(yīng)用從而有效實現(xiàn)了新一代座艙顯示系統(tǒng)開發(fā)，因此表明了 ARINC 661規(guī)范能夠滿足新一代座艙顯示系統(tǒng)的實際開發(fā)的具體需求。

近些年來航電系統(tǒng)的發(fā)展相對較快，從而使得大量的電子設(shè)備有效地應(yīng)用至了飛機座艙內(nèi)。然而，現(xiàn)階段飛機座艙內(nèi)部接口未能夠形成較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同類型的電子設(shè)備間接口方面存在相對較大的差異，從而造成了 CDS 的設(shè)計方向存在相對較大的難度，以至于實現(xiàn) CDS 的更新需要投入相對較多的資源。而且，在直升機鑒定、定性階段，根據(jù)軟件的重要程度，需要對軟件開展不同層級的三方測試。為 CDS 引入標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計的概念，不但可以大大降低了 CDS系統(tǒng)設(shè)計的成本，提高了軟件的可移植性和可操作性，還能在后續(xù)的三方軟件測試階段，大大降低軟件測試的復(fù)雜度。因此，基于ARINC 661 標(biāo)準(zhǔn)的直升機座艙顯示系統(tǒng)CDS設(shè)計開發(fā)平臺研究與實現(xiàn)對國內(nèi)直升機座艙設(shè)計具有非常重要的意義。

1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

ARINC 661旨在規(guī)范化座艙顯示系統(tǒng)的定義，使得座艙顯示系統(tǒng)和用戶之間用于管理航空電子設(shè)備通信的標(biāo)準(zhǔn)化，其主要目的是為了規(guī)范CDS和UA之間的接口。圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）完全由二進制DF文件定義，而座艙顯示軟件管理實際呈現(xiàn)窗口構(gòu)建，以及通過顯示系統(tǒng)輸入設(shè)備來監(jiān)控飛行員與飛機的互動。

ARINC 661規(guī)范自2001年問世以來，經(jīng)過不斷發(fā)展與修訂，目前已經(jīng)發(fā)布了6個版本。隨著座艙顯示系統(tǒng)的不斷程度其功能方面得到有效拓展，從而使得ARINC 661規(guī)范逐漸趨于完善。在此規(guī)范的所有的后續(xù)版本內(nèi)，Widget的每次增加均表示座艙顯示系統(tǒng)功能完善程度的增加。在社會不斷發(fā)展過程中以及科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展，ARINC 661規(guī)范也逐漸向著更加完善的方向發(fā)展。

在ARINC 661規(guī)范中主要進行了基本圖形用戶界面集合的有效引入。結(jié)合座艙顯示系統(tǒng)實際的設(shè)計方面的要求，進行了對一系列的窗體部件庫進行了科學(xué)合理的定義同時還針對各個窗體部件的組織結(jié)構(gòu)還有其屬性方面進行了較為詳細的定義。在功能方面與Windows界面開發(fā)工具具有一定程度的相似性，對于ARINC 661所定義的窗體部件庫來講其中與Windows開發(fā)工具一樣具有相應(yīng)的菜單以及工具條還有相關(guān)的按鈕等具有較強的交互性的控件，同時還具有幾何圖形方面的控件與Panel等容器控件。ARINC 661規(guī)范同時還進行了對定義文件（Define File，簡稱DF）的有效引入，并且還針對定義文件的具體格式展開了相對較為詳細的規(guī)范處理。對于座艙顯示系統(tǒng)方面的設(shè)計主要是通過定義文件進行了有效地體現(xiàn)，定義文件中涵蓋了圖形用戶界面顯示所需要的所有類型的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過定義文件，能夠在各種符合ARINC 661規(guī)范的CDS中進行對圖形用戶界面設(shè)計的有效重現(xiàn)。通過定義文件的引入從而有效地將CDS與UA予以有效分離，CDS在功能方面主要承擔(dān)著圖形界面顯示的作用，UA起到的是邏輯處理方面的作用。ARINC 661進行了對CDS和UA間的相關(guān)數(shù)據(jù)通信格式的科學(xué)合理的定義以及予以了有效地規(guī)范，并且通過設(shè)計人員的有效設(shè)計從而實現(xiàn)具體的UA的設(shè)計。通過該種手段從而使得CDS的設(shè)計轉(zhuǎn)變成為了開放型的模式，同時令邏輯方面的設(shè)計與界面方面的設(shè)計進行了有效地分離，一定程度上使得設(shè)計效率得到了有效地提升。

因為指定ARINC 661的委員會的相關(guān)成員是處于飛機制造領(lǐng)域以及航空電子系統(tǒng)軟件開發(fā)的領(lǐng)先地位的企業(yè)，從而一定程度上令A(yù)RINC 661規(guī)范的靈活性以及市場化程度得到了有效地提升，在商業(yè)化領(lǐng)域中具有良好的發(fā)展前景。所以，ARINC 661規(guī)范的提出受到了航空領(lǐng)域關(guān)注度相對較高，并且隨著科技水平的進一步發(fā)展，ARINC 661規(guī)范已在民用類型以及軍用類型的飛機CDS的設(shè)計開發(fā)得到了有效地應(yīng)用。其中主要涉及到空客A380、空客A400M和波音787等。國際方面已完成了多款符合ARINC 661規(guī)范效果相對良好的座艙顯示系統(tǒng)開發(fā)工具，如VAPS XT ARINC 661 Module、GLStudio ARINC 661工具包、SCADE ARINC 661軟件等。

國內(nèi)針對ARINC 661的研究在近年來也有較大的發(fā)展，在實現(xiàn)方式上進行探索和嘗試。上海飛機設(shè)計研究院在2015年對ARINC 661機載顯示軟件中的DF文件的原理和驗證機理進行了分析，并提出了一種新型的DF驗證方法[3]。該方法基于自動化分析技術(shù)，能夠提供基于數(shù)據(jù)的驗證結(jié)果，為機載顯示軟件研制人員提供了一種客觀、高效的DF驗證方法。南京航空航天大學(xué)在2015年基于ARINC 661規(guī)范，結(jié)合顯示屏觸摸功能，研究設(shè)計了一套用于飛機座艙的觸控屏顯控系統(tǒng)，提出了一種局部畫面區(qū)域隨屏幕出現(xiàn)實時移動的設(shè)計與實現(xiàn)方法[4]。利用ARINC 661規(guī)范中定義的窗體控件，通過UA和CDS內(nèi)核間指令交互，在觸摸敏感的顯示器上實現(xiàn)局部畫面區(qū)域跟隨觸摸點實時移動的功能，使飛行員對座艙顯示畫面的控制更加方便高效。

2 ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)解析及開發(fā)過程研究

2.1 ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)解析

傳統(tǒng)上的座艙顯示軟件都是由廠家自己進行編寫，包含基于內(nèi)部規(guī)則及邏輯的，能將信息呈現(xiàn)的可執(zhí)行程序。而ARINC 661則將圖形繪制代碼及邏輯管理代碼區(qū)分開，定位及描述所有的虛擬元素。這個兩個組件即座艙顯示系統(tǒng)（CDS）和用戶應(yīng)用程序（UA）。在按照功能將這兩個應(yīng)用組件劃分后，下一步是定義消息交換的標(biāo)準(zhǔn)，即ARINC 661的實時運行協(xié)議。在用戶進行交互操作時，通過使用ARINC 661的實時運行協(xié)議。消息在CDS及一個或多個UA間被交換。一旦操作被處理，UA端將發(fā)回信息給CDS以更新顯示。

ARINC661規(guī)范主要從兩方面對CDS接口進行規(guī)范化定義：首先為CDS的顯示界面定義格式，引入圖形定義文件的概念來為座艙顯示系統(tǒng)定義界面；其次為CDS和UA之間通信定義規(guī)范化的通信協(xié)議，包括各類交互事件、傳輸消息格式等。

圖1 基于ARINC 661的飛行器顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系

定義文件（DF）是處于CDS內(nèi)的的可裝入標(biāo)準(zhǔn)格式文件，從根本上來講其屬于圖形用戶接口方面的文件[17]。由定義的角度進行分析，定義文件主要是進行了對CDS界面的總體布局還有初始化CDS需要的相關(guān)信息進行了相對較為詳細的描述，通常情況下進行對座艙顯示系統(tǒng)初始化設(shè)置，從而把初始的界面窗口部件放置于CDS內(nèi)部，此類型的文件僅僅只需CDS啟動時加載一次。ARINC 661通過將定義文件方面的相關(guān)概念進行了有效引入，從而為CDS還有UA建立良好的聯(lián)系，科學(xué)合理地將CDS設(shè)計還有UA邏輯設(shè)計相予以了合理分離，從而一定程度上提高了設(shè)計效率，大幅度降低了系統(tǒng)開發(fā)的時間同時也提高了CDS設(shè)計的可移植性。如圖2所示。

圖2 DF文件功能示意圖

ARINC 661規(guī)范規(guī)定，完成新的座艙顯示系統(tǒng)的有效開發(fā)，不僅需要展開對窗體部件方面的合理設(shè)計，還應(yīng)當(dāng)進行對相關(guān)圖片還有符號方面的有效設(shè)計。在進行對符號與圖片的設(shè)計過程中需要結(jié)合飛機的具體情況展開科學(xué)合理地設(shè)計，提前進行對圖片庫還有符號庫進行合理地定義，并且同界面定義的窗體部件共同在CDS中進行存儲，圖片和符號主要是通過特定的窗體部件結(jié)合設(shè)計圖片或者符號時的ID號予以有效地調(diào)用以及進行實例化顯示。在具體實踐過程中，因為不同機型CDS的設(shè)計關(guān)于圖片庫還有符號庫方面的要求存在一定程度的差異，提前所定義的圖片庫還有符號庫存在一定的局限性經(jīng)常無法滿足實踐需求。所以，ARINC 661規(guī)范規(guī)定定義文件內(nèi)需要具有針對性的圖片定義塊還有符號定義塊[5]。

因為圖片還有符號顯示需要通過特定的窗體部件根據(jù)ID標(biāo)識進行實例化調(diào)用，所以在進行對窗體部件塊的定義之前需要進行對圖片塊和符號塊的定義。如上圖所示為定義文件結(jié)構(gòu)示意圖，由圖2.3能夠了解到，ARINC 661規(guī)范的定義文件主要涉及到五部分?jǐn)?shù)據(jù)塊。各個定義文件涵蓋了來自一個應(yīng)用程序（UA）的多個應(yīng)用程序?qū)樱║ALD）定義，零個或者若干個符號定義，零個或者若干個圖片定義。因為定義文件涵蓋了許多CDS設(shè)計描述方面的相關(guān)信息，所以其結(jié)構(gòu)化的設(shè)計能過實現(xiàn)信息存取方面的速度得以有效提高。

圖3 DF文件結(jié)構(gòu)示意圖

對于定義文件的引入來講其主要三個優(yōu)勢[18]：第一，ARINC661通過定義文件對CDS的顯示接口進行了科學(xué)合理的定義規(guī)范，所有符合ARINC661技術(shù)規(guī)范的CDS均可以進行對符合ARINC661規(guī)范的圖形界面定義文件的加載并顯示，從而使得CDS設(shè)計具有較高的移植性，第二，采用定義文件，能夠令系統(tǒng)的界面設(shè)計還有實踐應(yīng)用進行有效地分離，同一CDS內(nèi)核，能夠展開對不同圖形界面定義文件的有效設(shè)計，從而實現(xiàn)其功能與顯示效果的有效提升，使得座艙顯示系統(tǒng)的開發(fā)效率得到極大程度的提升。第三，定義文件的應(yīng)用從而有效提高了CDS和UA間的通信的便捷性?？梢詫A到CDS間的指令簡單視為窗體部件屬性值的設(shè)置和更新。UA到CDS間的指令傳遞能夠簡化成窗體部件屬性值的傳輸，CDS畫面的動態(tài)顯示能夠簡化為窗體部件結(jié)構(gòu)和屬性值的改變。

基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的座艙顯示系統(tǒng)的設(shè)計原理是將“畫面顯示與業(yè)務(wù)邏輯”兩部分進行分離，分別對應(yīng)與座艙顯示系統(tǒng)內(nèi)核還有用戶系統(tǒng)兩大塊。CDS內(nèi)核的主要作用是畫面顯示，而UA主要作用是邏輯處理，二者之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)CDS工作原理圖

座艙顯示系統(tǒng)的整個設(shè)計流程需要經(jīng)過開發(fā)、定義和運行等三個階段[19]，如圖5所示。

圖5 ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)CDS設(shè)計流程

一旦CDS結(jié)束加載DF步驟，所有窗體屬性的改變將由用戶應(yīng)用程序進行控制，控制通過ARINC 661的實時指令完成，在執(zhí)行過程中，CDS響應(yīng)來自于鼠標(biāo)、觸摸屏、鍵盤或其他輸入設(shè)備的用戶操作事件。這些交互操作將對窗體顯示產(chǎn)生作用（如：當(dāng)鼠標(biāo)停留在按鍵上時，按鍵將會高亮顯示），或者生成新的事件。而UA只接受這些事件消息，不用知道用戶交互的具體細節(jié)。

這樣的實時交互機制具備很多好處。首先是僅僅需要編寫CDS代碼，然后編譯、測試、驗證一次。在注釋完成后，CDS將加載一個新創(chuàng)建的定義文件來更新及改變顯示。同樣的好處在于改變應(yīng)用邏輯流程的時候，僅僅需要修改UA的設(shè)置。

獨立的組件設(shè)計將任務(wù)劃分為圖形顯示和邏輯管理，使得開發(fā)工作更加簡便。

2.2 CDS開發(fā)過程解析

ARINC 661定義了一個可用于所有類型的飛機駕駛艙顯示的標(biāo)準(zhǔn)界面。ARINC 661正?；俗擄@示系統(tǒng)（CDS）的定義；顯示和管理航空電子功能的用戶應(yīng)用程序（UA）之間的溝通。

VAPS XT ARINC 661 Module是VAPS XT的一個插件模塊，可以方便快速地創(chuàng)建任何符合ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的CDS系統(tǒng)。VAPS XT ARINC 661 Module提供了以下的功能：①具有高度的靈活性和可擴展性，可用于開發(fā)用戶定制的對象或控件；②具有一個簡單易用的圖形化編輯界面，加快ARICN 661顯示設(shè)計與開發(fā)；③強大的基于對象模型的架構(gòu)；④顯示布局文件可以存儲為可讀的XML文件；⑤提供大量ARINC 661控件。

2.3 UA開發(fā)過程解析

就像在之前所提到的，ARINC 661結(jié)構(gòu)將邏輯與圖形分隔開。用戶應(yīng)用程序（UA）是負責(zé)提供更新座艙顯示系統(tǒng)（CDS）顯示內(nèi)容的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)基于飛行數(shù)據(jù)及用戶交互顯示的數(shù)據(jù)。

ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)并沒有對用戶應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)進行過多細節(jié)描述。第一份聲明中定義用戶應(yīng)用程序能夠連接到一個或多個座艙顯示系統(tǒng)加載的層級。這個標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)范了保持座艙顯示系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序之間通信的ARINC 661運行協(xié)議。按照這兩點聲明，可以使用任意語言或設(shè)計方法來創(chuàng)建用戶應(yīng)用程序。

將圖形及邏輯分隔開的好處是修改邏輯將不會影響到座艙顯示系統(tǒng)的定義。這樣的方法也有利于采取多團隊分布式創(chuàng)建座艙顯示及仿真和測試顯示。

通過商用軟件UA Emulator和UA Squared等提供UA顯示邏輯運行時仿真功能，對應(yīng)用場景進行建模、測試；使得在項目論證前期即可通過軟件對UA的行為進行建模，提高軟件的開發(fā)效率。

3 結(jié)論

隨著航電設(shè)備的應(yīng)用要求不斷發(fā)展和提高，對座艙顯示系統(tǒng)的要求顯示也越來越綜合化。ARINC 661規(guī)范作為座艙顯示系統(tǒng)畫面顯示的設(shè)計規(guī)范，對其主要畫面構(gòu)建窗體部件進行定義。靜態(tài)定義文件對所有窗體部件進行預(yù)定義設(shè)計，CDS顯示設(shè)備負責(zé)各類部件的顯示管理，用戶UA發(fā)送動態(tài)指令信息更改窗體部件顯示效果，實現(xiàn)畫面動態(tài)顯示控制。在本文研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，后續(xù)的工作可從進一步完善窗體部件庫和如何提高設(shè)計效率兩個方面開展研究。