分布式航電系統(tǒng)通用開放式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉美山，王勃

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

0 引言

如今航空電子系統(tǒng)經(jīng)歷了三次發(fā)展以及改革，第一代DIMA是各子系統(tǒng)的單一功能可以有規(guī)范的機(jī)箱來進(jìn)行完成，各分系統(tǒng)可以獨(dú)立安裝和供電，并且可以徑直連接到駕駛員的控制面板上。第二代升級(jí)實(shí)現(xiàn)了航空電子系統(tǒng)中的信息供銷，各分系統(tǒng)都會(huì)安裝輸出板卡。而第三代航電系統(tǒng)，各個(gè)分系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接，各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)經(jīng)過總線進(jìn)行送出和接收。由于傳統(tǒng)的航電系統(tǒng)沒有軟件架構(gòu)，軟件的應(yīng)用以及操作系統(tǒng)的耦合非常深，如果進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)、軟件的日常升級(jí)和維護(hù)對(duì)整個(gè)航電都會(huì)造成影響的。電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)也逐漸從首要的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)往嵌入式綜合化信息系統(tǒng)的方向進(jìn)行蛻變。

1 散布式航電系統(tǒng)通用開放式軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)研究

隨著科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，航電系統(tǒng)軟件架構(gòu)出現(xiàn)了越來越多的問題，問題主要是:第一點(diǎn)是科技在快速發(fā)展的同時(shí)，航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也隨之變得復(fù)雜與困難，難點(diǎn)主要是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、架構(gòu)、技術(shù)支持與日常維護(hù):第二是在對(duì)飛機(jī)進(jìn)行研究與服役時(shí)時(shí)間過于漫長，而零部件進(jìn)行服役的時(shí)間相對(duì)較短，由此導(dǎo)致在開發(fā)研制某些系統(tǒng)時(shí)可能會(huì)發(fā)生系統(tǒng)過時(shí)的現(xiàn)象；第三點(diǎn)是機(jī)載杭電軟件與硬件通常會(huì)綁定牢靠，導(dǎo)致軟件系統(tǒng)在進(jìn)行升級(jí)時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用性與實(shí)用性差升級(jí)困難的問題；最后一個(gè)問題是在對(duì)航電系統(tǒng)軟件架構(gòu)進(jìn)行建立日常維護(hù)和技術(shù)支持時(shí)將會(huì)形成比較高的費(fèi)用度。

為了將以上問題得到更加完美解決，在研究分布式航空電子系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該朝著綜合性、專業(yè)性、開放式的研究方向發(fā)展，將提升航空電子系統(tǒng)的軟件架構(gòu)當(dāng)做主要任務(wù)，比如在兼容性、可維修性、可移植性、可靠性等方面。分布式航空電子系統(tǒng)能夠?qū)⒘悴考．a(chǎn)的問題進(jìn)行完美解決，并可以高效帶進(jìn)全新技術(shù)、確保系統(tǒng)的升級(jí)基礎(chǔ)、減少軟件的過程成本等方面的實(shí)用性技術(shù)與發(fā)展可承受經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)力方面的問題，是開放式軟件架構(gòu)正常運(yùn)行的基路徑。中國自20世紀(jì)就開始對(duì)分布式航電系統(tǒng)軟件架構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，并且開始對(duì)系統(tǒng)軟件與硬件部分開展基礎(chǔ)研究工作，雖然還沒中國自20世紀(jì)就開始對(duì)分布式航電系統(tǒng)軟件架構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，并目開始對(duì)系統(tǒng)軟件與硬件部分開展基礎(chǔ)研究工作，雖然還沒有完全形成屬于自身的分布式航空電子系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)體系，但從整體而言，它為我國研究與開發(fā)航空電子系統(tǒng)攻克比較穩(wěn)固的基礎(chǔ)。開放式軟件框架具有效率較高、比較容易開展、維護(hù)成本較低等方面的優(yōu)點(diǎn)，而且伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，航空電子系統(tǒng)中的作用會(huì)逐漸的移交給軟件以表現(xiàn)出最終效果。而為了使航空電子系統(tǒng)符合整體發(fā)展需求，通用式軟件架構(gòu)也應(yīng)該滿足開放式、分布式、安全性能好等方面的特點(diǎn)，并且應(yīng)該在維護(hù)性能、配置性能、安全可靠性、開放式等上面實(shí)現(xiàn)更高的標(biāo)準(zhǔn)。

2 國內(nèi)外航空電子軟件體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

主模塊所支持的航電相關(guān)部件的精確應(yīng)用軟件，以及主解決方案軟件層需要為應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的環(huán)境，還可以操作系統(tǒng)和硬件接口主模塊所支持的航電相關(guān)部件的精確應(yīng)用軟件，以及主解決方案軟件層需要為應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的環(huán)境，還可以操作系統(tǒng)和硬件接口主模塊所支持的航電相關(guān)部件的精確應(yīng)用軟件，以及主解決方案軟件層需要為應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的環(huán)境，還可以操作系統(tǒng)和硬件接口。

主模塊所支持的航電相關(guān)部件的精確應(yīng)用軟件，以及主解決方案軟件層需要為應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的環(huán)境，還可以操作系統(tǒng)和硬件接口。

圖1 ASAAC軟件構(gòu)架

2.1 ARINC653系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)

ARINC65是專門為航空電子系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，此標(biāo)準(zhǔn)是安全體系統(tǒng)供給執(zhí)行平臺(tái)。核心就是把空間和實(shí)踐實(shí)行了分割，ARINC653系統(tǒng)架構(gòu)把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分分別為核心以及應(yīng)用兩個(gè)軟件層。主模塊所支持的航電相關(guān)部件的精確應(yīng)用軟件，以及主解決方案軟件層需要為應(yīng)用軟件提供相應(yīng)的環(huán)境，還可以操作系統(tǒng)和硬件接口，這兩個(gè)都是很重要的部分。ARINC653架構(gòu)在航空系統(tǒng)和應(yīng)用軟件中界說了通用的接口。

2.2 ASAAC軟件系統(tǒng)框架

由于開放航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研發(fā)在美國的成功實(shí)施，歐洲各國紛紛成立了標(biāo)準(zhǔn)航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)聯(lián)合委員會(huì)，并且實(shí)施了ASAAC計(jì)劃，以開展下一代飛機(jī)ima的研究。初步制定了軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、通用功能模塊、封裝和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等等的一系列標(biāo)準(zhǔn)。ASAAC將軟件體系結(jié)構(gòu)分為應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層和模塊支持層。只有采用標(biāo)準(zhǔn)的層間接口，這就保證了各層間的獨(dú)立性。圖2可以看到，應(yīng)用層中包含了應(yīng)用功能與應(yīng)用的管理，操作系統(tǒng)層簡單地定義了操作系統(tǒng)，模塊支持層定義了硬件資源的基本驅(qū)動(dòng)管理。

圖2 ASAAC軟件分層結(jié)構(gòu)

2.3 ARINC653和ASAAC軟件架構(gòu)的對(duì)比

通過對(duì)ARINC653和ASAAC軟件體系結(jié)構(gòu)的分析，ARINC653主要觸及時(shí)間和空間的劃分、應(yīng)用軟件接口等的內(nèi)容，沒有進(jìn)一步規(guī)范體系結(jié)構(gòu)。例如，硬件抽象層接口還沒有理清。另外，ARINC653只安排單機(jī)系統(tǒng)，不支持多模塊容錯(cuò)系統(tǒng)的應(yīng)用。提出了標(biāo)準(zhǔn)化工作的階段性規(guī)范方法，充分反映標(biāo)準(zhǔn)化工作的持續(xù)性和擴(kuò)展性。ASAAC軟件標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)而清晰的劃分，比現(xiàn)行的ARINC653標(biāo)準(zhǔn)更具系統(tǒng)性、開放性和完整性。然而，該標(biāo)準(zhǔn)仍處于起步階段，即將形成的正式標(biāo)準(zhǔn)nato4626尚未公布。在一些技術(shù)方面，描述過于簡單，如資源分區(qū)管理、藍(lán)圖庫方面等；另外，ASAAC軟件規(guī)范技術(shù)較新，標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，實(shí)現(xiàn)的難度較大。目前，這個(gè)項(xiàng)目沒有成功的理由。

3 分布式航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 聯(lián)合式

聯(lián)合式航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它是由一臺(tái)或多臺(tái)性能優(yōu)良的中央計(jì)算機(jī)和若干專用子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成的體系結(jié)構(gòu)，稱為航空電子系統(tǒng)，航空電子系統(tǒng)的中央計(jì)算機(jī)功能是幫助完成飛機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)的計(jì)算和計(jì)算機(jī)對(duì)各子系統(tǒng)的管理和控制，完成對(duì)各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信號(hào)的處理。在這個(gè)航空電子系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)的獨(dú)立性很強(qiáng)，通過各子系統(tǒng)的結(jié)合來幫助完成最終的航空飛天任務(wù)。聯(lián)合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擁有很多相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，互相間的作用較小，耦合程度也相對(duì)較低，所發(fā)生的故障在子系統(tǒng)之間的傳播可能性也很小。在每個(gè)子系統(tǒng)中，及時(shí)同時(shí)擁有多個(gè)不同安全級(jí)別的問題，各個(gè)子系統(tǒng)中也是按照最高級(jí)別來進(jìn)行安全性的解決。各分系統(tǒng)間的調(diào)動(dòng)比較獨(dú)立，實(shí)時(shí)性會(huì)比較容易實(shí)現(xiàn)。聯(lián)合式航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)就是共享程度極低，并且每個(gè)功能都有屬于自己的系統(tǒng)，這會(huì)導(dǎo)致以后的成本上升。隨著功能的增加，采購、空間、動(dòng)力、重量、制冷/安裝和維護(hù)的成本將隨之變高，因此飛機(jī)將無法承受負(fù)擔(dān)。

3.2 IMA

IMA計(jì)算機(jī)平臺(tái)是由實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成的，它是由多個(gè)計(jì)算模塊組成的，它是可以維護(hù)各種應(yīng)用的安全級(jí)別，在這個(gè)平臺(tái)上，所有的資源都是共享的，應(yīng)用軟件之間也是分開隔離的，由ABINC653制定的各標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。IMA結(jié)構(gòu)最為顯著的特點(diǎn)為利用高性能的處理器以及高速的網(wǎng)絡(luò)來為航空電子系統(tǒng)提供通信以及計(jì)算。機(jī)載傳感器通過進(jìn)行采集消息后通過網(wǎng)絡(luò)來傳送給處理器來進(jìn)行處理，每個(gè)系統(tǒng)之間的指令都利用高速網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)共享資源。這樣的結(jié)構(gòu)不僅充分的利用了資源，高速工作效率也會(huì)使其避免出現(xiàn)故障，提供了可靠性和安全性，系統(tǒng)的整體可用性也得到了升華。

3.3 DIMA

IMA目前正在把DIMA系統(tǒng)發(fā)展，從核心集中式處理變?yōu)榉植际教幚怼４宿D(zhuǎn)型是通過最初的核心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)絡(luò)互換和分區(qū)運(yùn)營連接各種的計(jì)算機(jī)資源，完成廣泛的的資源和整合，進(jìn)一步為航電系統(tǒng)的信息功能進(jìn)行了完善，功能性得到了大幅度的提升，DIMA是物理上分布、功能上概括的IMA結(jié)構(gòu)，它具有組合結(jié)構(gòu)和IMA結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點(diǎn)，把綜合模塊進(jìn)行物理分布，充分利用了自然故障壁壘以及物理上位置可以選擇的好處。