王敬馳，閆欣宇，許海洋，崔炳偉

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司，江蘇 蘇州 223200）

座艙顯控系統(tǒng)是飛機(jī)座艙中提供顯示功能的軟硬件設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)，是飛行員獲取飛行信息，進(jìn)行飛行安全的關(guān)鍵所在。時(shí)代發(fā)展，隨著飛機(jī)性能的不斷提升，各類(lèi)新型傳感器的不斷引入，座艙顯控系統(tǒng)所需要顯示和控制的內(nèi)容越來(lái)越多，復(fù)雜程度日益增加。

2001年， 美 國(guó) 公 司ARINC（Aeronautical Radio Inc，航空無(wú)線電通信公司）率先提出ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)，即“座艙顯控系統(tǒng)與用戶(hù)系統(tǒng)接口”標(biāo)準(zhǔn)ARINC 661。標(biāo)準(zhǔn)將座艙顯示系統(tǒng)（CDS）與用戶(hù)系統(tǒng)（UA）進(jìn)行分離，規(guī)范定義了兩者之間的圖形接口格式和通信數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)了畫(huà)面顯示和邏輯控制相互分離的座艙顯控系統(tǒng)新構(gòu)架，為提高座艙顯控系統(tǒng)通用性水平提供了一個(gè)很好的解決方案。

目前，已經(jīng)有多家國(guó)外飛機(jī)設(shè)備制造商將ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用到量產(chǎn)飛機(jī)座艙顯控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，但是基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的座艙顯控系統(tǒng)新構(gòu)架由于標(biāo)準(zhǔn)化的圖形接口格式和通訊數(shù)據(jù)格式也大幅度增加了通訊消息的大小，雖然標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定傳輸層的通訊協(xié)議，考慮傳輸效率以及傳輸速率的前提下，適用于標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架座艙顯示系統(tǒng)的通訊方式相對(duì)有限。同時(shí)特殊的數(shù)據(jù)流模式、流程化的應(yīng)答機(jī)制以及脫離硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念也給標(biāo)準(zhǔn)的適用性帶來(lái)了一定的困難。

1 ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)概述

ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)2001年由美國(guó)ARINC公司率先提出，之后，成立了由航空各界代表組成的委員會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行增補(bǔ)和修訂。ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)由于其在座艙顯控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中優(yōu)異的表現(xiàn)，被多家國(guó)外飛機(jī)設(shè)備制造商運(yùn)用到量產(chǎn)飛機(jī)的設(shè)計(jì)中。圖1所示為部分基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型的圖例。表1所示為部分基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)座艙顯示系統(tǒng)的機(jī)型的信息。

圖1 符合ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)型

表1 基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)座艙顯示系統(tǒng)的機(jī)型

2 ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)適用性研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)控件的適用性

標(biāo)準(zhǔn)的初版基于空客A380客機(jī)座艙顯控系統(tǒng)與用戶(hù)系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，后期的增補(bǔ)和修訂也是定期根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成員的需求進(jìn)行變更，標(biāo)準(zhǔn)控件對(duì)于民用客機(jī)具有較好的適用性，對(duì)于軍用場(chǎng)景以及運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)等其他機(jī)種的特定使用要求下往往不能滿(mǎn)足，需要進(jìn)行控件定制化。此外，標(biāo)準(zhǔn)的控件增補(bǔ)和修訂對(duì)比先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用通常具有滯后性。表2所示為ARINC661標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間以及增補(bǔ)內(nèi)容。

從表2中可以看出標(biāo)準(zhǔn)的更新頻率大概為兩到三年一版，新增控件通常是對(duì)過(guò)去時(shí)間內(nèi)需求變更的增補(bǔ)，存在一定的滯后性。例如觸摸功能的實(shí)現(xiàn)，早期版本中雖然可以通過(guò)CursorOver、CursorPosOverlay等光標(biāo)控制相關(guān)控件一定程度上實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觸摸的功能，但對(duì)于多點(diǎn)觸摸、手勢(shì)功能等一系列復(fù)雜觸摸功能無(wú)法完成覆蓋，直到2016年的第六版標(biāo)準(zhǔn)中才增加了TouchArea和GestureArea控件用來(lái)豐富觸摸功能的實(shí)現(xiàn)。同樣，由于標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)成員都是國(guó)外飛機(jī)制造及設(shè)備廠商，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造商尤其是軍用飛機(jī)制造商的設(shè)計(jì)需求納入標(biāo)準(zhǔn)的增補(bǔ)修訂進(jìn)展緩慢。豐富人機(jī)交互功能的小鍵盤(pán)控件和樹(shù)形控件早就成熟運(yùn)用在國(guó)內(nèi)多種飛機(jī)座艙設(shè)計(jì)中，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位通過(guò)SCADE工具廠商的渠道申請(qǐng)?jiān)鲅a(bǔ)，第六版標(biāo)準(zhǔn)中才增加了KeyboardArea控件，第七版中增加了Tree控件。

表2 ARINC661標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)間以及增補(bǔ)內(nèi)容

此外，標(biāo)準(zhǔn)的增補(bǔ)內(nèi)容大部分依托于國(guó)外飛機(jī)的工程實(shí)踐，部分控件的實(shí)際使用場(chǎng)景及使用方式并未在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行清晰的描述，也未給出對(duì)應(yīng)控件的使用案例，從而導(dǎo)致了部分描述不清晰的標(biāo)準(zhǔn)增補(bǔ)控件在國(guó)內(nèi)適用性并不高。

2.2 通訊協(xié)議的適用性

ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)所使用的傳輸層通訊協(xié)議進(jìn)行約定，在標(biāo)準(zhǔn)的附錄中也提及了標(biāo)準(zhǔn)可以在ARINC 429、ARINC 664(AFDX)、UDP、以太網(wǎng)等通訊方式下適用，但是，由于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的圖形接口格式和通訊數(shù)據(jù)格式中嵌套了大量的關(guān)鍵字，數(shù)據(jù)塊信息位以及補(bǔ)位空位，極大增加了通訊消息的大小，在實(shí)際項(xiàng)目中部分復(fù)雜畫(huà)面情況下通訊數(shù)據(jù)量超過(guò)10 kb，因此基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的座艙顯控系統(tǒng)具有大帶寬、高可靠的通訊要求，結(jié)合機(jī)載環(huán)境的特殊要求，綜合傳輸效率各傳輸速率考慮，目前而言，除了ARINC 664協(xié)議，其他通訊協(xié)議對(duì)于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的適用性相對(duì)較差，ARINC 664通訊協(xié)議在波音787和空客380上的實(shí)際應(yīng)用也印證了其在基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的座艙顯控系統(tǒng)中的有效性。表3所示為運(yùn)行階段ARINC 661通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

表3 運(yùn)行階段ARINC 661通訊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3 應(yīng)答機(jī)制的適用性

ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)提出了“激活”概念，并約定了CDS與UA之間的握手機(jī)制。設(shè)定了當(dāng)前顯示所需的畫(huà)面為需要激活的畫(huà)面，UA給CDS發(fā)送對(duì)應(yīng)畫(huà)面的“請(qǐng)求激活”指令，CDS收到指令后“激活”畫(huà)面并給UA回傳“畫(huà)面已激活”指令，UA收到“畫(huà)面已激活”指令后即表示CDS和UA已經(jīng)完成了握手，可以對(duì)畫(huà)面進(jìn)行參數(shù)更改，否則UA將持續(xù)不斷地給CDS發(fā)送“激活請(qǐng)求”指令。如圖2所示為使用SCADE Suit工具來(lái)實(shí)現(xiàn)CDS與UA之間的握手功能。

圖2 握手功能的模型搭建

握手機(jī)制的存在保證了CDS只對(duì)當(dāng)前顯示所需的畫(huà)面進(jìn)行解析渲染，大大降低了CDS的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，提高了作圖效率。但是，該機(jī)制下的CDS和UA是一一對(duì)應(yīng)的，與目前飛機(jī)系統(tǒng)中提高安全可靠性的余度設(shè)計(jì)存在一定的沖突。

余度設(shè)計(jì)是系統(tǒng)或設(shè)備獲得高可靠性的設(shè)計(jì)方法之一。在機(jī)載座艙顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為保證顯示器能夠安全可靠地完成畫(huà)面生成與顯示、畫(huà)面監(jiān)視任務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)配備余度設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件在復(fù)雜性、可靠性、研制成本、設(shè)備任務(wù)等方面做出合理的平衡，目前部分飛機(jī)座艙顯控系統(tǒng)會(huì)采用雙余度熱備份設(shè)計(jì)方案，即同時(shí)有兩個(gè)CDS在運(yùn)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指令協(xié)議，UA無(wú)法區(qū)分消息源是來(lái)自于雙余度兩個(gè)CDS中的那一個(gè)，將“請(qǐng)求激活”指令發(fā)送給兩個(gè)CDS之后，無(wú)論哪個(gè)CDS回傳“畫(huà)面已激活”指令后，UA都認(rèn)為已經(jīng)完成握手，開(kāi)始進(jìn)行畫(huà)面參數(shù)更改。這種情況下，如果雙余度的兩個(gè)CDS存在較大的啟動(dòng)時(shí)延，那么就會(huì)導(dǎo)致后啟動(dòng)的CDS無(wú)法收到“請(qǐng)求激活”指令，從而無(wú)法激活畫(huà)面。該問(wèn)題在實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中得到了印證，在不改變標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的前提下僅能通過(guò)延后“請(qǐng)求激活”指令發(fā)送的時(shí)間進(jìn)行一定程度地避免。

2.4 維護(hù)保障的適用性

大部分飛機(jī)座艙顯控系統(tǒng)中的接口定義依賴(lài)于飛機(jī)制造商規(guī)定的ICD協(xié)議，設(shè)備廠商需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的ICD協(xié)議完成軟件的通訊接口設(shè)計(jì)，雖然通用性較差，但位域格式的ICD接口為后期維護(hù)保障提供了便利，可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的ICD位的實(shí)時(shí)監(jiān)控快速定位問(wèn)題。ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)由于規(guī)范化定義了CDS與UA兩者之間的通信數(shù)據(jù)格式，通訊消息不需要依賴(lài)ICD協(xié)議，僅需要按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)的封裝即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通訊消息的長(zhǎng)度以及具體內(nèi)容都是不確定的，這一舉措增強(qiáng)了通用性，但是在大數(shù)據(jù)量的非確定通訊數(shù)據(jù)中查驗(yàn)問(wèn)題給后期維護(hù)帶來(lái)了很大的困難，無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)問(wèn)題定位。目前，已有飛機(jī)制造商針對(duì)ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)了總線數(shù)據(jù)可視化研究，定制了對(duì)應(yīng)的監(jiān)控軟件，但大部分現(xiàn)有監(jiān)控軟件主要還是依賴(lài)于離線通訊數(shù)據(jù)記錄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控，適用性仍然有待提高。

3 總結(jié)

ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)作為新一代座艙顯示系統(tǒng)通用接口標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)逐漸被國(guó)內(nèi)科研院所廣泛研究運(yùn)用，標(biāo)準(zhǔn)由于其通用性和普適性，在部分特定使用場(chǎng)景存在弊端，文章通過(guò)對(duì)基于ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的座艙顯控系統(tǒng)研究，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，探討分析了部分特定需求條件下ARINC 661標(biāo)準(zhǔn)的適用性，為標(biāo)準(zhǔn)的合理使用提供了一定的參考依據(jù)。