趙旭東

(北京藍(lán)天航空科技股份有限公司，北京 100085)

飛機(jī)工程模擬機(jī)是飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中的必要輔助工具，它更加直觀地展現(xiàn)了飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)結(jié)果，提供飛機(jī)各系統(tǒng)溝通、協(xié)調(diào)的平臺(tái)，滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師與飛行員、飛機(jī)審定工程師對(duì)人機(jī)功效、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等活動(dòng)的溝通和討論[1]。隨著飛機(jī)工程模擬機(jī)的使用深入，關(guān)于飛機(jī)工程模擬機(jī)的重構(gòu)理念被陸續(xù)提出，波音和空客在737和320系列機(jī)型上的升級(jí)設(shè)計(jì)均是在工程模擬機(jī)上進(jìn)行，縮短了研制周期且降低了試飛風(fēng)險(xiǎn)[2]，公司承擔(dān)了ARJ21飛機(jī)和C919飛機(jī)工程模擬機(jī)的研制和生產(chǎn)，在項(xiàng)目中積累了大量工程重構(gòu)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，C919飛機(jī)工程模擬機(jī)在硬件上采用模塊化的重構(gòu)模式，在軟件上采用自行開發(fā)系統(tǒng)化的仿真運(yùn)行平臺(tái)來支持飛機(jī)目前狀態(tài)，同時(shí)預(yù)留未來擴(kuò)展的需要。針對(duì)C919飛機(jī)工程模擬機(jī)的實(shí)際需求和驗(yàn)證需要，圍繞駕駛艙布局結(jié)構(gòu)重構(gòu)、操縱組件結(jié)構(gòu)重構(gòu)、座艙設(shè)備匹配重構(gòu)、仿真軟件模型重構(gòu)4個(gè)方面進(jìn)行研究和應(yīng)用。工程模擬機(jī)的重構(gòu)技術(shù)應(yīng)用，可以減少飛機(jī)制造商的成本支出，充分利用工程模擬機(jī)的使用價(jià)值，縮短飛機(jī)局部更改、升級(jí)的論證和研制周期[3]。未來飛機(jī)工程模擬機(jī)的可重構(gòu)性能力必然是發(fā)展的趨勢(shì)之一[4]。

1 飛機(jī)工程模擬機(jī)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式

將針對(duì)某型飛機(jī)工程模擬機(jī)的具體需求，在駕駛艙布局結(jié)構(gòu)重構(gòu)、操縱組件結(jié)構(gòu)重構(gòu)、座艙設(shè)備匹配重構(gòu)和仿真軟件模型重構(gòu)4個(gè)方面初步探討實(shí)現(xiàn)的方式。

1.1 駕駛艙布局結(jié)構(gòu)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)

工程模擬機(jī)駕駛艙布局重構(gòu)建立在飛機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)駕駛艙環(huán)境的重構(gòu)。主要包括主儀表板內(nèi)容重構(gòu)、中操臺(tái)設(shè)備重構(gòu)、頂部控制板重構(gòu)[5]。以C919飛機(jī)工程模擬機(jī)為例，主儀表板初始設(shè)計(jì)為4塊15 in液晶顯示器為顯示單元，提供指示系統(tǒng)的內(nèi)容信息，為便于后續(xù)顯示信息和信息組合方式的調(diào)整需要，該型模擬機(jī)采用2塊31 in液晶顯示器進(jìn)行替代，如圖1所示。同時(shí)，由初始設(shè)計(jì)的4路圖像和信息輸入，調(diào)整為2路圖像和信息輸入，同時(shí)保證單個(gè)顯示器中雙圖像的字符、頁面信息、組合方式等內(nèi)容的快速調(diào)整和獨(dú)立控制。

圖1 主儀表板布局圖

中央操縱臺(tái)和頂部控制板的重構(gòu)主要是設(shè)備安裝位置變更和設(shè)備的擴(kuò)展。為滿足重構(gòu)需求，中央操縱臺(tái)的實(shí)現(xiàn)由整體骨架生產(chǎn)調(diào)整成部組件組合式生產(chǎn)，相關(guān)組件預(yù)留安裝界面，保留部組件調(diào)整和更換的能力；頂部控制板整體結(jié)構(gòu)與座艙框架進(jìn)行交聯(lián)，保留整體更換的能力，頂部控制板全部采用絲軌和快卸螺釘方式安裝，同時(shí)預(yù)留一定的擴(kuò)展空間。同時(shí)，為了滿足試驗(yàn)設(shè)備的快速更替，對(duì)應(yīng)的接口系統(tǒng)采用智能的網(wǎng)絡(luò)化接口，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的配置屬性，采用虛擬總線的方式，大幅減少設(shè)備更換產(chǎn)生的接口及驅(qū)動(dòng)信息的更改。

1.2 操縱組件結(jié)構(gòu)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)

民用飛機(jī)的操縱組件通常分為側(cè)桿操作和桿盤操作兩種方式，為了滿足在同一工程模擬機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)兩種方式的操縱方式互換，需要在模擬機(jī)上同時(shí)布置兩種機(jī)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中，兩種實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)都要安裝布局，同時(shí)采用便利的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)拆換和電氣與軟件切換，結(jié)構(gòu)安裝布局如圖2、圖3所示，側(cè)桿可以在左右側(cè)操縱臺(tái)進(jìn)行移除和桿頭樣式的更換，桿盤結(jié)構(gòu)可以在座艙地板連接處進(jìn)行快速安裝和分離，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)安裝間隙。側(cè)桿和桿盤模式對(duì)應(yīng)的不同操縱控制系統(tǒng)采用獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，但都可以和相關(guān)的飛機(jī)、動(dòng)力、航電系統(tǒng)無縫對(duì)接，且保證版本的自動(dòng)記錄和保存。

圖2 駕駛艙平臺(tái)上安裝中央操縱桿(盤)位置示意圖

圖3 左操縱臺(tái)上安裝側(cè)桿位置示意圖

1.3 座艙設(shè)備匹配重構(gòu)

工程模擬機(jī)的座艙設(shè)備實(shí)現(xiàn)通常采用飛機(jī)裝機(jī)件和仿真件兩種方式[6]，為實(shí)現(xiàn)這兩種飛機(jī)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)和功能，需要有效的接口系統(tǒng)予以支撐。接口系統(tǒng)設(shè)備及軟件要具備自動(dòng)識(shí)別接入設(shè)備，自適應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)類型進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，從而?shí)現(xiàn)與設(shè)備位置重構(gòu)、擴(kuò)展重構(gòu)的匹配[7]。該項(xiàng)目中采用公司自行開發(fā)的iSim和Simio系統(tǒng)化開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)。

某型飛機(jī)工程模擬機(jī)采用了仿真接口控制軟件Simio和仿真接口控制主機(jī)服務(wù)軟件單元IOServer Unit來實(shí)現(xiàn)，接口實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。Simio軟件運(yùn)行在接口計(jì)算機(jī)中，主要實(shí)現(xiàn)接口板卡通道初始化設(shè)置、接口板卡通道讀寫、與主控計(jì)算機(jī)上的IOServer Unit軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等功能。Simio軟件在啟動(dòng)過程中通過加載配置文件Config.xml來確定本次運(yùn)行所驅(qū)動(dòng)的板卡通道類型和數(shù)量，根據(jù)配置文件中的設(shè)定對(duì)接口板卡進(jìn)行初始化設(shè)定，Simio軟件與IOServer Unit之間的通信協(xié)議是基于以太網(wǎng)UDP協(xié)議的可擴(kuò)展的IO數(shù)據(jù)包協(xié)議，能夠自動(dòng)適應(yīng)不同板卡通道類型和數(shù)量所對(duì)應(yīng)的板卡通道數(shù)據(jù)的傳輸。IOServer Unit軟件仿真單元運(yùn)行在主控計(jì)算機(jī)中，主要實(shí)現(xiàn)板卡通道數(shù)據(jù)與其他各仿真系統(tǒng)軟件變量數(shù)據(jù)之間的對(duì)接。IOServer Unit軟件在啟動(dòng)的時(shí)候加載接口配置文件IoConfig.xml，建立板卡通道數(shù)據(jù)與SDN變量數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系。一方面對(duì)Simio軟件發(fā)送過來的板卡通道采集數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分解碼，更新到對(duì)應(yīng)SDN變量中輸出給其他仿真軟件進(jìn)行計(jì)算;另一方面將其他仿真軟件計(jì)算生成的SDN變量數(shù)據(jù)按照映射關(guān)系進(jìn)行組碼，形成發(fā)送給Simio軟件的板卡通道控制數(shù)據(jù)。當(dāng)板卡通道變化或者映射關(guān)系發(fā)生變化的時(shí)候可以通過在線修改接口配置文件實(shí)現(xiàn)重構(gòu)。

圖4 接口系統(tǒng)工作原理

1.4 仿真軟件模型重構(gòu)

工程模擬機(jī)的仿真軟件模型重構(gòu)以及駕駛艙布局重構(gòu)、操縱組件重構(gòu)、座艙設(shè)備匹配重構(gòu)需要強(qiáng)大的仿真實(shí)時(shí)管理平臺(tái)進(jìn)行支撐和實(shí)現(xiàn)，某型飛機(jī)工程模擬機(jī)采用iSim仿真運(yùn)行平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)和運(yùn)行。

工程模擬機(jī)仿真軟件涉及的飛行系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等軟件的重構(gòu)基于版本構(gòu)型管理、算法重構(gòu)、數(shù)據(jù)重構(gòu)的因素實(shí)現(xiàn)，要求相關(guān)仿真軟件均采用統(tǒng)一平臺(tái)的模型化、數(shù)據(jù)分離、可配置化的原則進(jìn)行開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，便于工程模擬機(jī)的軟件、模型和數(shù)據(jù)的修改、替換、對(duì)比和驗(yàn)證等功能的多次實(shí)現(xiàn)。

主儀表板內(nèi)容重構(gòu)基于顯示系統(tǒng)模塊化概念，底層采用2塊31 in液晶顯示器作為通用硬件平臺(tái)，執(zhí)行程序算法及數(shù)據(jù)接口采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用層使用VAPS XT軟件進(jìn)行開發(fā)，采用“窗體化”的概念開發(fā)仿真儀表畫面和虛擬駕駛艙框架，通過結(jié)構(gòu)化的窗體部件(widget，同一個(gè)widget可應(yīng)用于不同的層(Layer))，保證了畫面窗口尺寸、顯示頁面線條、顏色變更靈活切換等需求。

2 支撐重構(gòu)的實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行平臺(tái)

工程模擬機(jī)可重構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，必須具備滿足不同軟件格式的兼容性，與接口軟件、飛機(jī)供應(yīng)商軟件等的快速匹配性[8]，同時(shí)具有人性化的在線修改、替換的人機(jī)界面。根據(jù)iSim平臺(tái)軟件多年不同型號(hào)工程模擬機(jī)的研制和使用，在與客戶的合作中，持續(xù)開發(fā)和完善。為滿足工程模擬機(jī)可重構(gòu)的這一特殊需求開發(fā)的仿真軟件平臺(tái)，服務(wù)于仿真系統(tǒng)和仿真軟件的代碼編寫、編譯、運(yùn)行、測(cè)試、集成聯(lián)調(diào)和升級(jí)維護(hù)的全過程?？梢栽趇Sim仿真平臺(tái)上基于相同的平臺(tái)基礎(chǔ)仿真庫，采用相同的IDE，運(yùn)用相同的開發(fā)調(diào)試工具，各自獨(dú)立地完成仿真軟件的代碼編寫、編譯、運(yùn)行、測(cè)試和調(diào)試工作，然后將開發(fā)階段的成果以“零”代碼修改或者二進(jìn)制執(zhí)行碼的方式進(jìn)入到集成聯(lián)調(diào)。集成聯(lián)調(diào)過程中面對(duì)的平臺(tái)基礎(chǔ)仿真庫、IDE、調(diào)試工具與開發(fā)階段完全一致。

iSim仿真平臺(tái)基于層次化管理和模型組織管理的共性，主要包括集成式開發(fā)環(huán)境IDE、仿真運(yùn)行平臺(tái)庫、仿真執(zhí)行軟件、實(shí)時(shí)調(diào)試監(jiān)控工具軟件、數(shù)據(jù)庫和配置管理工具，主要包括Windows和Linux，并可根據(jù)需要擴(kuò)展到其他操作系統(tǒng)。其中，IDE環(huán)境、數(shù)據(jù)庫和配置管理工具都基于開源軟件進(jìn)行構(gòu)建。iSim平臺(tái)配備的實(shí)時(shí)調(diào)試監(jiān)控工具在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行，提供調(diào)試和監(jiān)控的手段。仿真運(yùn)行平臺(tái)庫提供了iSim仿真平臺(tái)的所有核心組件，是iSim仿真平臺(tái)的核心，它從仿真模型中抽象了操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)關(guān)鍵組件，允許在不同的模擬機(jī)設(shè)備類型之間擴(kuò)展，對(duì)仿真軟件在軟件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)接口方面強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。iSim仿真平臺(tái)庫的構(gòu)成組件包括：操作系統(tǒng)抽象層、仿真內(nèi)核、仿真單元、共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和仿真環(huán)境接口，如圖5所示。

圖5 仿真運(yùn)行平臺(tái)原理示意圖

仿真內(nèi)核加載創(chuàng)建仿真單元和共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)SDN，并對(duì)仿真單元軟件的實(shí)時(shí)周期調(diào)用，對(duì)SDN進(jìn)行管理。仿真單元是仿真軟件的基本組織單位，也是在iSim平臺(tái)中的以執(zhí)行碼復(fù)用的最小單元。仿真單元框架為所有的仿真軟件提供了一個(gè)公共的軟件組織模型，每個(gè)仿真單元都從仿真單元框架或者仿真單元框架的派生類進(jìn)行派生，具備仿真單元框架中規(guī)定的調(diào)用接口和特性，使得仿真內(nèi)核以標(biāo)準(zhǔn)的方式對(duì)各個(gè)仿真單元進(jìn)行無差異化的調(diào)用和管理。

iSim執(zhí)行軟件基于iSim仿真運(yùn)行平臺(tái)庫進(jìn)行開發(fā)，是所有仿真單元加載的入口，在啟動(dòng)過程中通過讀取仿真軟件配置文件讀取仿真內(nèi)核運(yùn)行配置參數(shù)和仿真單元配置參數(shù)，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建仿真內(nèi)核和仿真單元，并驅(qū)動(dòng)仿真內(nèi)核和仿真單元按照配置參數(shù)進(jìn)行調(diào)用執(zhí)行。在這種統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)下，無論是程序訓(xùn)練器還是全動(dòng)模擬機(jī)，不同級(jí)別的仿真訓(xùn)練設(shè)備的仿真軟件都可以直接應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)最大程度的復(fù)用。

SDN共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是iSim平臺(tái)的基礎(chǔ)，完成仿真單元之間的數(shù)據(jù)分發(fā)管理，如圖6所示。SDN將對(duì)仿真單元之間的交聯(lián)數(shù)據(jù)和請(qǐng)求消息進(jìn)行統(tǒng)一組織管理，使得交聯(lián)數(shù)據(jù)和請(qǐng)求消息從無序變成有序化，并最終成為運(yùn)行時(shí)可定位、可訪問的共享數(shù)據(jù)庫；同時(shí)使仿真單元之間的交聯(lián)關(guān)系不再依靠全局變量，從實(shí)際意義的全局變量轉(zhuǎn)換為邏輯意義上的字符串描述。

圖6 共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)原理示意圖

仿真單元軟件內(nèi)部不再定義外部變量，而是通過SDN提供的發(fā)布和訂閱標(biāo)準(zhǔn)接口轉(zhuǎn)為邏輯含義字符串的比較和對(duì)接，只有仿真模塊名稱(字符串)、變量名稱(字符串)和單位量綱(字符串)完全一致，訂閱和發(fā)布關(guān)系(輸入和輸出)才能成立，一旦訂閱和發(fā)布關(guān)系確立，則SDN在訂閱和發(fā)布方之間建立虛擬連接，自動(dòng)將發(fā)布方的最新數(shù)據(jù)傳輸給訂閱方。

在進(jìn)行SDN訂閱和發(fā)布的時(shí)候，允許在運(yùn)行配置文件中配置重定向信息，將代碼中確定的SDN描述(模塊名稱、變量名稱、單位量綱)重新按照配置文件中描述的新定向信息進(jìn)行對(duì)外發(fā)布和訂閱。這個(gè)功能對(duì)于仿真單元復(fù)用以及現(xiàn)場(chǎng)集成聯(lián)調(diào)十分有用。SDN通過自身的數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議使得SDN具備跨計(jì)算機(jī)和跨操作系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)同步傳輸?shù)奶匦?，仿真單元面?duì)的唯一數(shù)據(jù)接口就是SDN的訂閱和發(fā)布接口，除此之外無需關(guān)心其他仿真單元運(yùn)行的物理位置和軟硬件環(huán)境。iSim仿真平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于高速以太網(wǎng)技術(shù)，目前多采用1000 Mbit/s以太網(wǎng)。SDN協(xié)議采用TCP協(xié)議作為主要的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議來保證數(shù)據(jù)的安全性。

iSim仿真平臺(tái)為航電系統(tǒng)仿真提供虛擬總線的功能，虛擬總線提供總線數(shù)據(jù)變量元素的操作功能，同時(shí)建立總線節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，構(gòu)建從變量端到變量端的透明傳輸。配合航電總線硬件激勵(lì)功能，便于切換仿制件和激勵(lì)的裝機(jī)航電設(shè)備。目前的航電總線包括CSDB總線、ARINC429虛擬總線、ARINC708虛擬總線、STD1553B虛擬總線等協(xié)議[9]。

3 結(jié)束語

結(jié)合近幾年來工程模擬機(jī)的具體使用需求，提出了工程模擬機(jī)重構(gòu)內(nèi)容的初步解決方案，同時(shí)重點(diǎn)闡述了仿真運(yùn)行平臺(tái)對(duì)模擬機(jī)設(shè)備調(diào)整、接口通信的快速匹配、軟件模型重構(gòu)的重要支撐作用。隨著我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)機(jī)型體系化的建設(shè)需要更多符合實(shí)際需要的輔助工具，工程模擬機(jī)是其中不可或缺的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證手段，同時(shí)可以節(jié)省研制過程中的風(fēng)險(xiǎn)、周期和費(fèi)用，未來工程模擬機(jī)的應(yīng)用前景會(huì)越來越廣[10]。