面向民机复杂航电系统的综合验证平台研究

张军才，胡林平

(航空工业西安航空计算技术研究所，西安 710000)

随着民用飞机的快速发展，航电系统功能日益复杂，研制工作量和难度也在不断增加。研制团队不仅需要充足的人力保障，更需要功能强大的验证平台[1]的支持，才能高质量地完成需求定义、设计实现、集成和验证等系统工程活动[2]。

国外大型航电系统供应商将综合验证平台视为核心竞争力之一，持续投入多年，已经建立了具有自主知识产权的系列化综合验证平台[3]，显著地提高了复杂航电系统的研制效率。

随着中国国产大型客机研制的不断推进，国内各利益相关方对综合验证平台的认识逐渐加深。受制于技术和进度等因素，国内航电系统供应商大多以采购第三方验证平台[4]为主。目前这些平台虽然在功能方面基本满足需求，但在成本及维护性等方面难以充分满足系统供应商的型号要求。

为了尽快形成民机复杂航电系统供应商的核心竞争力，需要对系统研制所需综合验证平台的种类、功能定义和现状进行研究，并针对主要问题提出优化思路，开发通用化的设计模型，供国内航电系统供应商参考实施。

为了满足适航要求[5]，民机复杂航电系统需按照适航认可的系统[6]、电子硬件[7]和软件[8]等相关标准进行研制，完成相应的工程活动，而工程活动的开展离不开各级验证平台的支持。

1.1 工程活动与验证平台

通过梳理系统和软件等各研制标准，并结合国内外航电设备供应商的研制实践，对民机复杂航电系统的研制层级、各层级需开展的工程活动以及所需的综合验证平台之间的关系进行分析，得到结果如图1所示。

图1 系统工程活动与验证平台的对应关系Fig.1 Relationship between system engineering activities and verification platform

1.2 系统级综合验证平台

系统级综合验证平台用于支持综合化模块化计算平台、信息系统和维护系统等复杂系统的系统级工程活动。在系统需求分析阶段，主要用于需求的早期确认；
在系统架构设计阶段，主要用于设计的原理性验证；
在系统集成阶段，主要用于系统的集成测试；
在系统验证阶段，主要用于进行基于系统需求的验证。

1.3 设备级综合验证平台

民机复杂航电系统通常由多个设备组成，部分设备可能由次级供应商提供。设备级综合验证平台用于支持每个设备进行单独研制。在设备需求分析阶段，主要用于需求的早期确认；
在设备架构设计阶段，主要用于设计的原理性验证；
在设备集成阶段，主要用于设备的集成测试；
在环境试验时，用于评估设备的环境适应性；
在验收测试时，用于对设备进行验收；
在验证阶段，主要用于基于设备级需求的验证。

1.4 电子模块级综合验证平台

民机复杂航电系统的设备通常由多个电子模块组成，每个电子模块可以驻留多个软件。模块级综合验证平台能够支持电子模块和驻留软件的需求定义、设计实现、集成和验证阶段的工程活动。除此之外，在设计实现阶段还可以支持电子模块的调试，驻留软件的开发和调试。

综合验证平台应具备哪些功能才能充分支持民机复杂航电系统的系统工程活动？需要对其进行功能分析，定义通用的平台功能。

2.1 通用功能定义

对比分析国内外各级别的综合验证平台产品功能，并总结、提炼和抽象，最后得到验证平台的通用功能定义，如表1所示。

表1 综合验证平台功能定义Table 1 Function definition for integrated verification platform

系统级、设备级和模块级平台虽然具有部分相同的功能，但在功能复杂程度上有很大区别，模块级的功能相对简单，设备级次之，系统级最为复杂。

2.2 仿真管理功能

仿真管理功能主要目的是为被测件创建一个仿真的外部环境，使被测件正常工作。该功能首先对被测件的物理接口进行适配，并提供电源和信号线，实现物理连接，然后实时端管理子功能进行电气和逻辑信号的转换，实现外部仿真和被测件之间的信息交互。

2.3 数据管理功能

数据管理功能的主要目的是对被测件、外部仿真和其他功能节点之间的数据流进行配置和管理。ICD管理[9]子功能导入被测件的ICD信息，根据网络拓扑结构将其转换成各通信节点的配置文件。各通信节点根据各自的配置文件获取和分发ICD信息，并进行预定的数据处理。

2.4 平台管理功能

平台管理功能的主要目的是保证平台功能的正常运行。用户可以使用平台应用开发子功能开发仿真模型，用于交联系统的静态或动态仿真。平台总线管理子功能提供对平台所有软件的控制，包括启动、暂停和停止等操作。平台构型管理子功能对平台软件、配置文件以及测试程序等构型项进行版本控制[10]和更新等操作。

2.5 测试管理功能

测试管理功能的主要目的是为用户提供手动或自动化测试环境。用户通过测试运行控制界面，可以开发或调试测试脚本，也可以执行特定的测试脚本，并观察测试状态和结果。测试管理功能是综合验证平台的核心功能，而测试自动化的水平和程度是衡量综合验证平台的核心指标之一。

采用维度分析方法,分析综合验证平台的现状能否充分满足民机复杂航电系统的研制要求。

3.1 维度分析

从进度、质量、成本、通用性和维护性5个维度出发，对部分国内民机复杂航电系统供应商进行问卷调查，统计出综合验证平台的现状，如图2所示。

图2 综合验证平台现状维度分析Fig.2 Dimensional analysis on current status of integrated verification platform

目前，国内复杂航电系统供应商大多通过外包采购第三方的各级综合验证平台。第三方厂商的研制进度和质量尚可，但在成本、通用性和维护性3个维度难以满足要求。

1) 成本。系统级综合验证平台功能复杂，价格昂贵，占用较大的研发成本；
设备级平台虽然相对便宜，但对于装机量较少的产品，成本压力依然较大；
模块级平台成本尚可。

2) 通用性。验证平台通常由不同的厂商提供，而各家的验证平台没有统一的标准，硬件与软件皆无法通用，操作风格和测试脚本也不相同。

3) 维护性。验证平台的生命周期应与航电系统产品相同，需保持20年左右的可用状态，但验证平台的生命周期无法达到要求，由于厂商公司及员工的变化，维护非常困难。

3.2 优化思路

针对成本、通用性和维护性这3个短板，需要进行顶层规划和统一设计，在5个方面进行优化。

1) 外观风格化。平台采用统一外观设计和标识风格，避免外观设计杂乱无章。

2) 硬件通用化。工控机、接口板卡和连接器等硬件资源尽量选用统一标准的可互换型号，避免单一型号硬件资源故障或短缺造成验证平台不可用或不可维护。

3) 软件平台化。软件采用平台化设计，降低对运行环境的依赖，以及软件功能模块之间的互相依赖，并对操作人员提供一致的操作界面。

4) 仿真模型化。对于外部仿真，采用模型化设计，并建立模型库，进行仿真复用。

5) 测试自动化。建立自动化测试框架，减少测试人员的操作时间和工作量，并提高测试用例和测试程序的复用率。

根据优化思路，选择广泛使用的设备级综合验证平台为代表，开发通用的设计模型。为了辅助设计模型的有效实施，还应编制模型实施规范。

4.1 设备级综合验证平台设计模型

设备级综合验证平台的设计模型如图3所示。模型的硬件由实时端设备和客户端设备两部分组成，软件分别驻留在两个设备上。

图3 设备级综合验证平台设计模型Fig.3 Design model of device-level integrated verification platform

软件平台层主要由中间件[11]组成，配置中间件负责隔离软件应用与操作系统，通信中间件负责隔离各软件应用。

仿真模型采用标准的建模规范[12]进行设计，通过调用软件平台层的通信中间件，与被测件和其他软件应用进行通信。

测试自动化由运行控制、测试脚本与自动化测试平台3部分实现，每部分相对独立，便于用户的操作、开发和维护。

4.2 设计模型实施规范

为高质量可重复性地实现设计模型，各系统供应商应为设计模型制订实施规范,包括但不限于如下文档：1) 外观风格设计规范；
2) 硬件平台设计及选型指南；
3) 软件平台设计规范；
4) 仿真模型开发规范；
5) 自动化测试开发规范；
6) 可视化数据界面开发指南。

在进行特定型号的综合验证平台研制时，系统供应商以设计模型和实施规范为输入，根据各自的实际情况，采用擅长的技术实现综合验证平台。

通过梳理系统工程活动，确认民机复杂航电系统的研制需要系统级、设备级和模块级综合验证平台的支持。综合验证平台应具有仿真管理、数据管理、平台管理和测试管理4大类功能。

目前，综合验证平台大多由第三方提供，在进度和质量方面尚可，但在成本、通用性和维护性方面无法满足航电系统供应商的要求，需要在顶层进行规划，在外观、硬件、软件、仿真和自动化测试5个方面进行统一设计。

针对用途广泛的设备级综合验证平台进行了顶层规划和设计，提出了通用设计模型和实施规范的要求。各利益相关方可以在此模型的基础上，采用具体的技术进行实施。

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