呂鎮(zhèn)邦1，程玉杰，張選剛1，丁 宇

(1.航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068； 2.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191)

機載維護(hù)系統(tǒng)(Onboard Maintenance System,OMS)經(jīng)過多年的發(fā)展以及許多新技術(shù)的應(yīng)用，其復(fù)雜程度越來越高，開發(fā)周期越來越長[1]。早期開展機載維護(hù)系統(tǒng)的測試與驗證工作對于系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)至關(guān)重要[2]。國內(nèi)由于仿真驗證工作起步較晚，驗證工作基本依賴實物設(shè)備互連驗證，導(dǎo)致項目的開發(fā)周期因為硬件設(shè)備的缺失和仿真激勵環(huán)境的不成熟而大量推遲[3-4]。同時，由于機載維護(hù)系統(tǒng)的測試與驗證需要大量的歷史仿真數(shù)據(jù)、故障模型、測試數(shù)據(jù)提供支持，所以機載維護(hù)仿真激勵環(huán)境的開發(fā)對于機載維護(hù)系統(tǒng)的研制意義重大。本文針對機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境的開發(fā)與設(shè)計提出了初步的設(shè)計方法，用于指導(dǎo)今后機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)概述

機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境由維護(hù)系統(tǒng)激勵環(huán)境平臺硬件環(huán)境、OMS成員系統(tǒng)仿真軟件和OMS系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集組成，主要完成成員系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)的定義，模擬飛機外部成員系統(tǒng)運行環(huán)境，提供成員系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、失效數(shù)據(jù)和構(gòu)型數(shù)據(jù)仿真[5]。同時，在成員系統(tǒng)仿真軟件中實現(xiàn)ARINC624協(xié)議和ARINC615協(xié)議，模擬成員系統(tǒng)地面測試行為和數(shù)據(jù)加載行為，實現(xiàn)成員系統(tǒng)設(shè)備靜態(tài)分析數(shù)據(jù)和動態(tài)功能行為方式的綜合仿真環(huán)境。

機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境通過系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集開發(fā)故障診斷模型，定義狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)和用戶自定義事件，配置地面測試數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)加載數(shù)據(jù)、設(shè)備構(gòu)型數(shù)據(jù)，工具集生成的仿真數(shù)據(jù)能夠通過成員系統(tǒng)仿真軟件顯示。仿真激勵環(huán)境能夠顯示設(shè)備故障模式，關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)，用戶可以通過仿真界面注入故障數(shù)據(jù)，配合機載故障診斷應(yīng)用實現(xiàn)故障報告功能；仿真激勵環(huán)境能夠顯示系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)、超限數(shù)據(jù)，用戶可以通過界面設(shè)置參數(shù)工程單位和數(shù)值，配合機載狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控功能；仿真激勵環(huán)境能夠顯示設(shè)備構(gòu)型數(shù)據(jù)，用戶可以通過界面設(shè)置設(shè)備構(gòu)型數(shù)據(jù)，配合機載構(gòu)型管理應(yīng)用實現(xiàn)設(shè)備構(gòu)型報告功能；仿真激勵環(huán)境能夠模擬設(shè)備端ARINC615協(xié)議接口，配合機載數(shù)據(jù)加載應(yīng)用實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)加載功能；仿真激勵環(huán)境能夠模擬設(shè)備端ARINC624協(xié)議接口，配合機載交互式維護(hù)應(yīng)用實現(xiàn)地面測試功能，實現(xiàn)設(shè)備仿真、總線仿真、數(shù)據(jù)仿真和腳本仿真。

2 系統(tǒng)組成

機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境由仿真軟件和硬件環(huán)境平臺組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組成結(jié)構(gòu)圖

(1) 硬件組成。機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境的各硬件包括：

① 燃油系統(tǒng)仿真設(shè)備1套；

② 導(dǎo)航系統(tǒng)仿真設(shè)備1套；

③ 飛控系統(tǒng)仿真設(shè)備1套；

④ 電源系統(tǒng)仿真設(shè)備1套；

⑤ 發(fā)動機系統(tǒng)仿真設(shè)備1套；

⑥ 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備1套。

(2) 軟件集成。機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境的各應(yīng)用軟件包括：

① 故障方程建模工具：定義成員系統(tǒng)的故障模型，作為仿真器軟件的輸入故障模式，配合機載中央維護(hù)軟件實現(xiàn)故障報告功能[6]。

② 監(jiān)控數(shù)據(jù)配置工具：定義成員系統(tǒng)的飛機狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)和事件數(shù)據(jù)捕獲邏輯，作為仿真器軟件的輸入飛行參數(shù)，配合機載飛機狀態(tài)監(jiān)控軟件實現(xiàn)飛機狀態(tài)監(jiān)控功能。

③ 地面測試建模工具：定義成員系統(tǒng)設(shè)備測試項配置信息，包括抑制條件、干擾信息、測試執(zhí)行步驟、測試頁面信息等內(nèi)容，作為仿真器軟件的地面測試配置模型，配合機載地面測試軟件實現(xiàn)地面測試功能。

④ 可加載軟件生成工具：軟件為航空公司、OEM、成員系統(tǒng)提供機上加載軟件的生成能力，所生成的FLS軟件應(yīng)符合A665-3規(guī)范。

⑤ 腳本生成工具：收集接口控制文檔(Interface Control Document，ICD)配置信息，根據(jù)仿真模型數(shù)據(jù)和用戶自定義仿真控制邏輯自動生成仿真執(zhí)行腳本。

⑥ OMS成員系統(tǒng)仿真軟件：執(zhí)行仿真數(shù)據(jù)配置和發(fā)送功能，為OMS提供成員系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)、構(gòu)型數(shù)據(jù)、超限數(shù)據(jù)和事件、啟動測試數(shù)據(jù)和生命周期數(shù)據(jù)，實現(xiàn)成員系統(tǒng)設(shè)備仿真、總線仿真、數(shù)據(jù)仿真和腳本仿真。

3 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境軟件共包含2個主要的功能模塊，分別為OMS系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集和OMS成員系統(tǒng)仿真軟件，OMS系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集和成員系統(tǒng)仿真軟件分別獨立運行于不同的PC機，OMS系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)，OMS成員系統(tǒng)仿真軟件加載由OMS系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)用于成員系統(tǒng)激勵數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。OMS成員系統(tǒng)仿真軟件能夠為機載維護(hù)系統(tǒng)的實現(xiàn)與驗證提供數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)機載維護(hù)功能的前期驗證工作。OMS成員系統(tǒng)仿真軟件包含的基本功能模塊有系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、模式管理、腳本仿真、仿真管理、歷史故障仿真、地面測試仿真和數(shù)據(jù)加載仿真。其功能架構(gòu)如圖2所示。

(1) 系統(tǒng)管理。

系統(tǒng)管理實現(xiàn)5個成員系統(tǒng)的靜態(tài)配置仿真信息的管理，包括成員系統(tǒng)信息管理、設(shè)備管理、總線管理、消息管理、數(shù)據(jù)域管理的功能。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

(2) 數(shù)據(jù)管理。

數(shù)據(jù)管理主要完成5個成員系統(tǒng)各種仿真數(shù)據(jù)的管理功能。數(shù)據(jù)管理模塊由BIT數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)參數(shù)管理、故障數(shù)據(jù)管理、構(gòu)型數(shù)據(jù)管理、地面測試配置數(shù)據(jù)管理和加載數(shù)據(jù)配置管理模塊組成[7]。

(3) 模式管理。

模式管理負(fù)責(zé)兩種不同仿真模式之間的切換。在界面注入模式下，故障模式的觸發(fā)由用戶通過軟件提供界面進(jìn)行操作，用戶編輯故障模式相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)，觸發(fā)相應(yīng)的故障模式；設(shè)置狀態(tài)監(jiān)控功能(Aircraft Condition Monitor Function，ACMF)事件記錄條件和狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和記錄功能。在腳本注入模式下，用戶輸入腳本命令或者執(zhí)行腳本文件，完成故障的注入和狀態(tài)監(jiān)控事件的觸發(fā)以及記錄數(shù)據(jù)值的設(shè)置。

(4) 腳本仿真。

腳本仿真主要提供多樣化的成員系統(tǒng)仿真激勵環(huán)境，滿足復(fù)雜故障模式的仿真要求。仿真腳本語句通過解釋分析，調(diào)用仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動接口提供的函數(shù)執(zhí)行功能，負(fù)責(zé)將腳本命令轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的仿真API命令。

(5) 歷史故障仿真。

歷史故障仿真主要完成對成員系統(tǒng)設(shè)備歷史故障響應(yīng)功能行為的模擬，向機載維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)送設(shè)備歷史故障信息。歷史故障仿真由歷史故障管理、歷史故障請求響應(yīng)、總線仿真接口模塊組成。歷史故障管理子模塊完成歷史故障數(shù)據(jù)的讀取、存儲。歷史故障請求響應(yīng)模塊負(fù)責(zé)成員系統(tǒng)端機載維護(hù)應(yīng)用歷史故障請求的解析和歷史故障數(shù)據(jù)的封裝?？偩€仿真接口負(fù)責(zé)監(jiān)聽數(shù)據(jù)接收端口的歷史故障請求信息，同時向機載維護(hù)應(yīng)用返回設(shè)備歷史故障數(shù)據(jù)。

(6) 地面測試仿真。

地面測試仿真主要完成對交互式維護(hù)中成員系統(tǒng)的功能行為進(jìn)行模擬，向交互式維護(hù)應(yīng)用發(fā)送地面測試結(jié)果信息。地面測試仿真功能由地面測試配置管理、ARINC624協(xié)議管理、總線仿真接口模塊組成。地面測試配置管理子模塊完成地面測試配置數(shù)據(jù)的讀取和顯示。ARINC624管理子模塊完成成員系統(tǒng)和交互式維護(hù)應(yīng)用之間的ARINC624協(xié)議的管理和命令數(shù)據(jù)交換工作。ARINC624管理子模塊實時偵聽數(shù)據(jù)總線，接收交互式維護(hù)應(yīng)用發(fā)送的成員系統(tǒng)維護(hù)自檢指令。根據(jù)用戶在界面上選取的測試狀態(tài)組織ARINC624指令發(fā)送給交互式維護(hù)應(yīng)用?？偩€仿真接口負(fù)責(zé)監(jiān)聽數(shù)據(jù)接收端口的地面測試數(shù)據(jù)信息，同時向機載交互式維護(hù)應(yīng)用返回成員系統(tǒng)地面測試狀態(tài)信息。

(7) 數(shù)據(jù)加載仿真。

數(shù)據(jù)加載仿真主要完成對符合ARINC665-3標(biāo)準(zhǔn)的外場可加載軟件(Field Loadable Software,FLS)的加載，實現(xiàn)將FLS的相關(guān)文件下載到成員系統(tǒng)設(shè)備端。數(shù)據(jù)加載仿真功能由配置管理模塊、ARINC615和ARINC615A協(xié)議管理模塊、總線仿真接口模塊組成。配置管理子模塊完成加載配置數(shù)據(jù)的讀取和顯示。ARINC615、ARINC615A協(xié)議管理子模塊完成成員系統(tǒng)和數(shù)據(jù)加載服務(wù)之間的ARINC615、ARINC615A協(xié)議的管理和命令數(shù)據(jù)交換工作；實時偵聽數(shù)據(jù)總線，接收數(shù)據(jù)加載服務(wù)發(fā)送的數(shù)據(jù)加載請求指令；成員系統(tǒng)與數(shù)據(jù)加載服務(wù)間的通信采用TFTP協(xié)議。總線仿真接口負(fù)責(zé)監(jiān)聽數(shù)據(jù)接收端口的數(shù)據(jù)加載信息，同時向機載數(shù)據(jù)加載代理應(yīng)用返回成員系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載狀態(tài)信息。

(8) OMS系統(tǒng)輔助開發(fā)工具集。

故障方程建模工具主要完成成員系統(tǒng)供應(yīng)商定義的故障信息收集，同時生成故障報告數(shù)據(jù)庫和構(gòu)型數(shù)據(jù)庫，生成的故障報告數(shù)據(jù)庫和構(gòu)型數(shù)據(jù)庫可以直接加載到機載應(yīng)用，配合機載維護(hù)系統(tǒng)軟件實現(xiàn)故障報告功能和構(gòu)型報告功能，故障方程由故障邏輯和故障方程屬性兩部分構(gòu)成[8]。故障邏輯決定是否觸發(fā)，故障方程屬性描述故障的靜態(tài)維護(hù)信息，主要提供維護(hù)記錄使用。

監(jiān)控數(shù)據(jù)配置工具主要完成成員系統(tǒng)供應(yīng)商定義的狀態(tài)參數(shù)、參數(shù)組信息的收集和用戶自定義事件的建立，同時生成狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，生成的狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫可以配合機載維護(hù)系統(tǒng)軟件實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控功能和參數(shù)記錄功能。監(jiān)控數(shù)據(jù)定制工具需要處理的監(jiān)控數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)參數(shù)、超限數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)、飛機生命周期數(shù)據(jù)、用戶自定義事件。監(jiān)控數(shù)據(jù)定制工具根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)建立不同的配置信息，記錄監(jiān)控數(shù)據(jù)的屬性和觸發(fā)記錄條件。

可加載軟件生成工具為航空公司，成員系統(tǒng)提供加載軟件的能力，能夠生成符合A665-3規(guī)范要求的可加載數(shù)據(jù)。可加載軟件生成工具可錄入加載數(shù)據(jù)信息，包括目標(biāo)機信息、產(chǎn)品標(biāo)識信息、供應(yīng)商編碼等配置信息內(nèi)容。

地面測試建模工具主要完成成員系統(tǒng)供應(yīng)商定義的地面測試配置信息的收集，同時生成地面測試數(shù)據(jù)庫，生成的地面測試數(shù)據(jù)庫能夠直接加載到機載應(yīng)用，配合機載維護(hù)系統(tǒng)軟件實現(xiàn)地面測試功能。地面測試建模工具支持用戶對設(shè)備進(jìn)行測試屬性配置，滿足用戶多樣化測試需求。

腳本生成工具主要完成將故障方程建模工具、數(shù)據(jù)監(jiān)控配置工具、可加載軟件生成工具和地面測試建模工具生成的數(shù)據(jù)庫文件和用戶仿真控制邏輯轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的腳本，模擬復(fù)雜OMS仿真激勵過程，輔助實現(xiàn)OMS功能測試。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

由于飛機系統(tǒng)的實時性和時序性要求，仿真管理控制整個數(shù)據(jù)發(fā)送的時序特性，作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)影響系統(tǒng)性能和仿真驗證的結(jié)果。仿真管理模塊由頻率控制和總線數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊組成。仿真管理主要完成各個成員系統(tǒng)設(shè)備對維護(hù)系統(tǒng)機載應(yīng)用的仿真數(shù)據(jù)支持和交互式功能操作支持。在仿真數(shù)據(jù)支持方面，仿真管理主要向機載應(yīng)用提供BIT數(shù)據(jù)服務(wù)、狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)服務(wù)、故障數(shù)據(jù)服務(wù)、構(gòu)型報告數(shù)據(jù)服務(wù)功能，仿真管理根據(jù)設(shè)備的總線數(shù)據(jù)類型完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，目前支持的總線類型有ARINC429、AFDX總線。在交互式功能操作方面，仿真管理主要向機載地面測試應(yīng)用和數(shù)據(jù)加載應(yīng)用提供交互式功能服務(wù)，模擬設(shè)備地面測試和數(shù)據(jù)加載的功能行為[9]。

4.1 頻率控制

頻率控制主要是針對不同頻率的周期性數(shù)據(jù)發(fā)送需求采取的發(fā)送頻率控制策略。由于飛機系統(tǒng)復(fù)雜度高，設(shè)備種類繁多，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率不同，數(shù)據(jù)時序相關(guān)性非常高，同時設(shè)備對數(shù)據(jù)實時性有特殊要求，再加上總線板卡數(shù)量有限，為了有效降低總線數(shù)據(jù)載荷，防止數(shù)據(jù)阻塞，有效降低系統(tǒng)響應(yīng)時間，保證數(shù)據(jù)實時性，仿真激勵環(huán)境采取輪叫調(diào)度(Round-Robin Scheduling)頻率控制模式，即各個調(diào)度周期占用CPU時間相同，各個仿真設(shè)備依次輪流的方式傳輸周期性仿真數(shù)據(jù)幀，在同一調(diào)度周期內(nèi)，發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備之間沒有優(yōu)先級概念，各個數(shù)據(jù)幀的時間分配如圖3所示。假設(shè)當(dāng)前仿真工具模擬了3個頻率為20 Hz的數(shù)據(jù)幀，按照輪叫調(diào)度方式發(fā)送，其中數(shù)據(jù)幀1需占用10 ms的發(fā)送時間，數(shù)據(jù)幀2占用7.5 ms，數(shù)據(jù)幀3占12.5 ms，發(fā)送時，仿真工具的調(diào)度周期為50 ms，在每個調(diào)度周期內(nèi)，按照先后順序分別發(fā)送數(shù)據(jù)幀1、數(shù)據(jù)幀2和數(shù)據(jù)幀3。

圖3 數(shù)據(jù)時序圖

仿真數(shù)據(jù)發(fā)送頻率控制如圖4所示。輪叫調(diào)度頻率控制模式是通過一個模擬定時器實現(xiàn)，定時器按照定時周期發(fā)送調(diào)度信號，定時周期為所有待發(fā)送消息的發(fā)送周期的最大公約數(shù)。這樣可以保證每個消息總會在每N個定時周期接收到調(diào)度信號，N等于該消息發(fā)送周期與定時周期的倍數(shù)。消息在接收到調(diào)度信號后被喚醒，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送，然后休眠，處于等待狀態(tài)，直到下個周期到來時被再度喚醒。

圖4 仿真數(shù)據(jù)發(fā)送頻率控制圖

4.2 總線數(shù)據(jù)監(jiān)控

總線數(shù)據(jù)監(jiān)控功能主要完成設(shè)備交互式功能中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的監(jiān)控。總線數(shù)據(jù)監(jiān)控功能由配置文件加載、偵聽事件注冊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收、消息提取、歷史故障響應(yīng)事件、地面測試響應(yīng)事件、數(shù)據(jù)加載響應(yīng)事件組成。模塊實時偵聽總線數(shù)據(jù)，當(dāng)收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)請求后，提取消息內(nèi)容，分析總線數(shù)據(jù)指令，根據(jù)數(shù)據(jù)指令的內(nèi)容，啟動相應(yīng)的設(shè)備事件響應(yīng)操作，完成設(shè)備交互式功能行為，模擬成員系統(tǒng)設(shè)備的歷史故障仿真行為、地面測試仿真行為和數(shù)據(jù)加載仿真行為。

4.3 仿真激勵環(huán)境應(yīng)用結(jié)果

按照機載維護(hù)系統(tǒng)的仿真驗證要求，通過仿真激勵環(huán)境對燃油系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行了驗證。仿真驗證結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真驗證結(jié)果表

仿真激勵環(huán)境區(qū)別于專用設(shè)備驗證方式，采用通用設(shè)備驗證方式和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)界面管理方式，能夠同時對多個系統(tǒng)的故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控、構(gòu)型報告、數(shù)據(jù)加載和交互式維護(hù)等功能同時進(jìn)行驗證，節(jié)省了驗證設(shè)備的數(shù)量。軟件界面如圖5所示。在交互式維護(hù)功能驗證中，仿真激勵環(huán)境采用多線程處理機制，能夠開展不同設(shè)備并行測試功能驗證，改變了傳統(tǒng)單一測試執(zhí)行的弊端。

圖5 軟件界面圖

5 結(jié)束語

本文針對機載維護(hù)系統(tǒng)仿真激勵的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的說明，軟件通過仿真平臺支持工具包開發(fā)仿真數(shù)據(jù)和機載診斷模型，模擬各個成員系統(tǒng)與機載維護(hù)應(yīng)用之間的交互方式，為機載維護(hù)應(yīng)用的開發(fā)提供技術(shù)支持和前期驗證工作，能夠加快機載維護(hù)應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)度，有利于提高成員系統(tǒng)仿真驗證的技術(shù)水平，為國內(nèi)未來民用型客機OMS的研制奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。