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航电系统验证平台的设计

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《计算机仿真杂志》2014年第六期

1工作原理

航电综合验证平台通过模型设计、仿真配置、仿真运行3个阶段,完成一个具体的综合验证试验(图2)。首先,根据仿真目的,设计机载电子设备模型及其交联仿真模型。根据系统设计输出的ICD及DD文件,设计大气数据计算机、惯导系统、飞行管理系统等机载设备模型。在航电系统设计阶段,主要的验证目标是设备间接口及交互逻辑的正确性。因此,机载设备内部逻辑在模型设计时可以简化,重点在于准确对通信接口定义及设备间交互逻辑进行建模。从平台的角度,提供了ICD接口模型的自动生成模块,简化模型设计。交联仿真模型主要包括液压、燃油、发动机、环控等非航电系统模型,飞行运动仿真模型,以及大气、风场、无线电导航台站、机场等飞行环境模型。交联仿真模型为各航电设备模型提供激励数据,完成全飞行过程仿真。除此之外,POP仪表仿真模块、三维飞行视景模块也接入到系统中,提供仿真过程中的可视化支持。完成模型设计之后,利用运行管理模块进行仿真配置。仿真配置的主要工作之一,是综合所有模型的输入、输出数据,完成CIA中间件数据对象的定义,形成CIA配置文件,发布到所有接入CIA中间件的节点,以正确实现数据访问。

CIA中间件上定义的数据包括ICD数据及飞行仿真数据。ICD数据描述的是在真实飞机上通过ARINC429、AFDX等机载航电网络传递的数据;飞行仿真数据描述的是不通过机载网络传递,但在仿真过程中需要的数据,例如飞行环境模型输出、飞机动力学输出等。对于INS设备模型,其ARINC429总线输出数据属于ICD数据;需要从飞机动力学仿真模型获取的飞机三轴角速率、比力等数据则属于飞行仿真数据。仿真配置所形成的CIA配置文件,除模型使用外,也提供给数据采集、存储、故障注入等工具模块,实现对仿真过程数据的访问。仿真配置的另一项主要工作是完成仿真任务规划,以定义试验场景。仿真任务规划包括飞机初始状态、飞行计划、设备故障模式、飞行环境设置等。完成仿真配置后,即可运行仿真。运行管理模块将CIA配置数据和任务规划数据加载到各个仿真节点,并控制各模型的初始化、运行、暂停、停止等状态切换。同时,运行管理模块作为主引擎,为各参试模型提供仿真时间推进机制。通过CIA中间件,机载设备模型仿真对应设备的逻辑和接口,以真实的交互流程及ICD定义的格式进行通信,在外围交联环境的支持下,仿真航电系统的行为,从而验证系统设计的完整性及正确性。

2关键功能设计

2.1中间件设计CIA中间件用于完成如下关键功能:1)运行调度:接受运行管理模块的指令,向各仿真模型及相关节点发送初始化、启动、暂停、停止指令,控制系统协调运行;2)时间管理:向需要同步的节点发送仿真同步指令,保证仿真模型的时间一致性;3)数据传输:构造一个对所有节点可见的全局数据空间,并在此数据空间上定义数据对象,所有节点根据各自的发布订阅关系,对数据对象进行访问,完成节点间的数据交换。CIA中间件支持单机模式和分布式模式。在单机模式下,利用操作系统提供的本地时钟、事件机制,并建立全局共享数据区,即可实现所需功能。在分布式模式下,有DDS(数据分发服务)及反射内存两种可选的途径实现CIA中间件的功能。DDS构造了一个共享的“全局数据空间”,分布式的节点可以通过Topic完成数据的发布订阅[4]。反射内存网络通过硬件同步机制,实现了各个节点的数据同步,对应用软件来讲构造了一个透明的共享内存区;同时,反射内存网络支持全局异步事件,可实现各节点调度及同步功能。DDS的优点是无需新增硬件,但其实现一般基于以太网,商用DDS需一定的产品费用,且在嵌入式系统上移植有一定难度;反射内存网络的缺点是需要新增专用硬件,但开发难度小,具备强实时性,且对各类操作环境适应性好。在本系统的设计中,考虑到开发、维护、实时性等因素,选择反射内存网络作为介质实现分布式CIA中间件。

2.2建模环境本平台支持MatlabSimulink及C/C++两类通用性良好的模型设计环境。针对MatlabSimulink环境,开发专用的Simulink接口库,将CIA中间件的运行控制、数据通信功能集成到Simulink环境中,使得基于Simulink设计的机载设备模型可快速加入综合验证平台。对于C/C++开发环境,本平台参照FMI(FunctionalMock-upInterface)规范[5],定义模型接口及描述方式,实现手写代码的规范化。FMI是由达索公司主导、欧洲众多软件公司及研发中心参与推出的可交换功能样机接口规范。本平台设计了软件工具,直接生成接口程序框架及数据定义,只需在框架下编写机载模型。为了进一步简化模型设计,在FMI规范基础上,对接口进行进一步封装,通过如下接口函数即可完成模型逻辑描述:1)模型初始化函数MDLInitialize();2)模型周期输出函数MDLOutputs();3)模型周期更新函数MDLUpdate();4)模型终止函数MDLTerminate();

2.3接口生成对于航电系统,描述系统通信的ICD数量可达数千条,给出了块、信号及所包含域的详细定义。如果手工实现,开发量大,且极易出错。本平台针对MatlabSimulink及C/C++建模环境,基于ICD信息直接生成接口模型,避免人工转换导致的错误,加快设备模型的集成过程。5给出了自动生成的机载设备Simulink模型的顶层视图。机载设备的ARINC429、AFDX等外部航电网络接口被设计为Simulink总线模型,封装了在该总线上传输的数据块、信号、域等信息。图6给出了生成的Simulink机载设备模型的内部结构。所生成的结构化模型中,包含了静态模型、动态模型两个可选通道,并设计统一的模型选择信号。在实际中,可根据具体的仿真场景,灵活选择所需的模型。

3扩展应用

在航电系统数字化综合验证平台的基础上,可以扩展进行机载设备在环仿真和航电系统增量集成。其构成如图7所示。为支持真实机载设备接入,需要接入一个IO接口节点。该接口节点具备ARINC429、AFDX、ARINC825、离散量等物理接口,与真实设备连接,完成对真实设备的信号激励及采集,并实现与CIA中间件数据对象的双向映射。为保证与真实设备通信的时序性要求,仿真模型及IO接口节点都应运行在实时环境中。随着真实设备的逐渐接入,对应的模型被相应替换,而实现航电系统的增量式集成,系统的重点也从数字综合过渡到实物综合。

4结束语

随着ARJ21、C919等民用飞机型号研制及适航审定过程的推进,大量国外飞机设计验证的理念、方法、工具被引入进来。这些经过验证的实践需要消化吸收,并结合国内需求特点及技术发展,进行本地化,以与飞机设计单位形成高效互动的生态系统,推动设计、验证水平的提高。针对国内在系统设计早期缺乏验证手段的现状,本文简要介绍了一套航电系统综合验证平台的设计思路。基于该平台,能够在系统设计阶段,在不具备任何真件的情况下,进行机载设备模型的集成,并按照DD及ICD定义的流程及数据格式进行通信,模拟航电系统的工作过程,对系统设计输出进行验证,进行迭代优化。目前,该平台完成原型开发,并已应用于工程实践,表明了该设计的可行性。希望通过该平台的应用,增加航电系统的早期验证手段,并通过各种其它手段的综合运用,使验证活动贯穿于航电系统研发的全过程。

作者:张炯董西路单位:中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心北京华力创通科技股份有限公司

计算机仿真杂志责任编辑:田老师    阅读:人次