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指挥控制与仿真

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2024 , Vol. 46 >Issue 5: 132 - 138

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2024.05.018

建模仿真与评估

机载系统数字化集成平台的设计和实现

  • 万胜来 ,
  • 王闯 ,
  • 李阳 ,
  • 张博林 ,
  • 毛恒熙
展开
  • 中航机载系统共性技术有限公司, 江苏 扬州 225000

万胜来(1994—),男,硕士,工程师,研究方向为机载系统虚拟集成、仿真验证。

王 闯(1987—),男,硕士,高级工程师。

Copy editor: 张培培

收稿日期: 2023-11-02

  修回日期: 2023-11-19

  网络出版日期: 2024-10-10

收起

Design and implementation of digital integration platform for airborne system

  • WAN Shenglai ,
  • WANG Chuang ,
  • LI Yang ,
  • ZHANG Bolin ,
  • MAO Hengxi
Expand
  • AVICAS Generic Technology CO.,LTD, Yangzhou 225000, China

Received date: 2023-11-02

  Revised date: 2023-11-19

  Online published: 2024-10-10

Fold

摘要

为应对机载系统日趋复杂化、综合化带来的系统间联合仿真难度大的问题,提出了适用于多种模型的机载系统数字化集成架构,采用虚拟总线和异构模型适配器技术,开发了能完成多类不同模型数字化集成的软件平台。以某飞机型号的风速系统模型为验证案例,对该平台和商业化原生模型开发软件进行了对比实验,验证了该平台的准确性;构建了包含PDF显示模型、MFD显示模型、ND显示模型、发动机参数采集物理设备、风速模型和视景显示软件的显控处理设备联合模型,对平台进行了模型集成功能实验,验证了该平台的机载模型集成的有效性。

关键词： 机载系统; 虚拟集成; 仿真; 基于模型的设计

本文引用格式

万胜来 , 王闯 , 李阳 , 张博林 , 毛恒熙 . 机载系统数字化集成平台的设计和实现[J]. 指挥控制与仿真, 2024 , 46(5) : 132 -138 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2024.05.018

Abstract

To confront the growing difficulty along with the increasing complexity and comprehensiveness of airborne system, an airborne system integrating architecture for multiple types of models are proposed. A platform based on virtual data bus and adapters is developed. The platform’s accuracy for single model simulation is tested compared to the model’s original platform using the wind speed model of a real airplane. The platform’s integration ability, a display and control joint model containing PFD, MFD, ND, engine status collecting device, wind speed model and visualization software is established. The result shows this platform is able to efficiently integrate multiple types of models and is capable of supporting the development of complex airborne systems.

Key words： airborne system; virtual integration; simulation; model-based design

机载系统是飞机的三大组成部分之一,承担着飞机的核心功能,占据飞机成本的30%~40%。机载系统包括除发动机之外,用于实现飞机功能的所有机电和航电系统,如飞行控制系统、通信系统、电源系统、燃油系统、液压系统、起落架系统等。机载设备对安全性和可靠性有极高的要求,必须满足中国民航局的标准规范,取得适航许可才可以装机服役。同时,随着信息技术和飞机功能的不断丰富,机载系统逐渐向高度复杂化、综合化的方向发展,系统与系统之间存在日益错综复杂的关联关系,导致在设计和验证上要花费大量时间和成本。对于复杂机载系统而言,基于实物试验的传统研制程序周期长,风险大,费用高。当前,国内外的机载系统供应商往往采用MBSE方法进行机载系统研制。MBSE的一大特点是可以基于模型对系统进行初步确认和验证。因此,亟需一个能对机载系统进行数字化集成的平台来实现系统之间的联调[1]。
国内外对此已经开展了广泛的研究,推出了大量面向各系统的专业的商业化设计仿真工具,如机电常用的AMESim和航电常用的ANSYS SCADE,可以进行一定程度虚拟集成与仿真验证。这类软件支持的模型类型有限,往往只支持自己的软件生态圈。另一种形式是第三方软件集成、优化平台,如各大工业软件巨头旗下的ModelCenter、Isight和Heeds等。这类软件直接提供调用第三方软件的接口,形成工作流程,缺点是每个步骤需要调用其他软件执行,效率较低,实时性弱,难以支持物理件实时仿真。当下机载系统的研制工具供应商已经形成了较完整的软件生态圈,如达索的3DE和西门子公司的TeamCenter,经过适配和定制开发,这些软件可以满足机载系统研制的数字化集成和验证需求。这些商业软件有一个共性问题,即完整的生态涉及过多的商业软件,整个体系过于臃肿,严重依赖国外的产品,缺乏自主知识产权。因此,越来越多的机构和科技工作者开始研究轻量化平台,比如面向航电产品[2⇓⇓-5]、机电产品[6-7]和飞控系统[8-9]的仿真平台。这类平台大多具有较强的专业性,适用于特定类别的系统的集成和验证。本文试图在平台的泛用性和专业性之间找到新的平衡点,提出具有自主知识产权且能适用于大多数机载系统的面向航电、机电和飞控的仿真平台解决方案并进行实现和测试验证。

1 平台总体架构设计

面向机载系统的数字化综合集成平台用于对机载系统进行系统与系统之间的集成和联合验证。机载系统涉及的系统复杂多样,模型的开发平台往往各有不同,这类模型被称为异构模型。为了实现异构模型的联合仿真,本文将不同的机载系统模型进行封装,形成一个个仿真任务,仿真任务通过适用于各系统模型的适配器进行驱动,采用虚拟总线进行数据传输、通信和仿真任务调度。如图1所示,平台包含集成和测试平台服务组件、实时仿真总线和仿真工程组件。集成和测试平台服务组件用于对仿真流程、过程进行控制,包含仿真配置与控制、数据采集与监控、自动测试和仿真后处理四大部分。实时仿真总线用于实现仿真模型之间的数据交换以及仿真模型和平台服务组件之间的数据交换。仿真工程组件是仿真模型的适配器,用于将各类机载系统模型加载到虚拟仿真平台中。仿真工程组件是整个平台进行异构模型集成的重点,包含适用于常见系统模型的仿真模型适配器、针对商业化软件定制开发的工业软件适配器、适用于基于代码的模型通用代码适配器以及适用于真实机载产品和物理总线接口的物理设备适配器。
图1 机载系统数字化集成与验证平台架构

Fig.1 Architecture of airborne system digital integration and verification platform

2 核心组件设计

2.1 平台服务组件设计

平台服务组件是平台向用户展示的主体部分,是进行系统集成和仿真的入口。仿真配置与控制功能引导系统集成工程师进行整体仿真参数设置和仿真运行状态控制。仿真参数、仿真控制指令通过用户界面的按钮、文本框等进行输入,然后通过实时仿真总线向仿真任务进行发送。仿真参数包含仿真周期、系统模型接口连接关系等全局仿真参数以及具体模型相关的模型输入接口名、值、数据类型等。数据采集和监控功能是在仿真进行中,提取总线上的变量,进行实时显示并生成随时间变化的曲线。自动测试功能是根据测试用例,自动生成测试脚本,自动执行脚本,自动驱动系统模型进行联合仿真。仿真后处理功能是对仿真结果的分析、整合并按照用户模板要求生成仿真报告。

2.2 实时仿真总线设计

为了实现多源异构模型以及仿真支持组件、物理仿真设备之间的数据交互,需要的是分布式仿真网络,可采用基于网络协议的结构或基于实时仿真总线的结构。采用总线结构方式进行集成可以显著降低集成的复杂度。各集成机载子系统间要想实现解耦,各机载子系统只需以统一的接口方式与总线交互即可,无需考虑与其他子系统的直接耦合,即可实现按需分布集成、持续集成,满足实时性、扩展性、易用性等要求。
图2展示了实时仿真总线结构,实时仿真总线包含两个主要功能:任务调度和数据交换。任务调度是根据平台的控制指令,对平台上的仿真任务进行项目加载、内存数据库创建、仿真任务加载、任务和数据操作控制。任务调度功能设计如表1所示,调度逻辑如图3。
图2 总线主要结构图

Fig.2 Main structure diagram of bus

表1 任务调度功能设计表

Tab.1 Task scheduling function design table

编号 功能模块 描述 输入 输出
1 加载仿真项目 获取仿真项目,并对内部参数进行解析 仿真项目文件 解析出的仿真项目参数
2 创建内存数据库 为每个仿真任务创建共享内存区,定义数据格式 仿真任务列表 共享内存数据库
3 加载仿真任务 内存数据库初始化,启动仿真运行 初始化数据文件 共享内存写入初始值
4 任务控制 调度协调各仿真任务的同步以及数据读写 上位机控制指令 下发总线数据状态
图3 任务调度逻辑图

Fig.3 Logic diagram of task scheduling

数据交换通过共享内存实现,仿真平台运行时自动向系统申请一块固定的内存区域,当仿真系统模型被加载后,根据ICD文件在内存区建立和模型对应的输入输出变量存储区。联合仿真任务执行时,任务通过总线向内存区操作对应变量值。主要仿真功能涉及的数据交换功能设计如表2所示。
表2 数据交换功能设计表

Tab.2 Data exchange function design table

编号 操作 功能描述 输入 输出
1 创建内存数据库 为每个仿真任务创建共享内存区,并定义数据格式 仿真项目文件 与仿真任务关联的共享内存数据库
2 初始化内存区 设置内存数据初始值 初始数据文件 包含初始数据值的内存区
3 读数据 从共享内存区读取数据 数据读指令 业务数据
4 写数据 将数据写入共享内存区 数据指令、业务数据 包含业务数据的内存数据库

2.3 仿真适配器设计

仿真适配器用于将系统模型进行封装,建立和仿真总线的接口,以便和其他模型进行交互、联合。适配器有以下几种形式:
1)对于一些航电和机电系统中常见的模型类型如ANSYS SCADE的SUITE和DISPLAY模型、Simulink和AMESIM封装成的FMU模型,开发针对模型文件的解析、驱动适配器;
2)对于难以实现直接模型驱动或模型开发工具较为封闭的软件,利用针对具体软件的二次开发,开发针对工业软件的适配器,通过适配器驱动工业软件执行所需功能;
3)针对某些使用代码进行封装的系统模型,用函数关系实现系统的功能逻辑,结合总线功能API对这类模型开发出将源码和总线结合的代码适配器;
4)对于物理设备,定制开发上位机软件,对于有特殊总线协议的物理设备需要先在上位机中进行数据解析,然后开发和总线交互的适配器。

2.3.1 模型仿真适配器设计

模型仿真适配器可直接用平台组件对其他工业软件开发的系统模型进行封装,供平台调用,典型的有ANSYS SCADE SUITE和FMU。
SCADE SUITE模型集成先通过SUITE模型封装工具将模型工程文件转换为可执行文件,然后通过对可执行文件的调用运行实现该模型的集成,封装流程如图4所示。
图4 SCADE SUITE仿真适配器封装流程

Fig.4 Encapsulation process of SCADE SUITE simulation adapter

FMU(Functional Mock-up Unit)是一种开放的标准化模型,可以在不依赖工具的前提下进行模型交换和联合仿真。机载系统研制过程中的很多工具都能将模型导出为FMU,如Simulink、AMESim、Mentor、Adams等。FMU仿真适配器的封装流程如图5所示。
图5 FMU仿真流程图

Fig.5 FMU simulation process diagram

2.3.2 工业软件适配器设计

工业软件适配器适用于开放度较低、模型难以直接解析的商业工业软件模型,如实景适配器和其他工业软件。工业软件适配器与模型适配器不同,它直接通过控制商业化软件来对模型进行控制、驱动,然后将模型输入、输出数据转发到总线上。封装流程如图6所示。
图6 工业软件适配器

Fig.6 Industrial software adapter

2.3.3 代码适配器设计

某些模型的表现形式是代码,即使用System C、C语言等源代码实现目标系统的功能逻辑。本平台对基于代码的模型给出一套标准的代码模板,如C代码模板,将C代码模板与实现特定功能的C代码在Visual Studio环境中编译集成,即可实现C代码与其他仿真模型的联合仿真,代码封装流程如图7所示。
图7 代码封装流程

Fig.7 Encapsulation process of code

2.3.4 物理设备适配器设计

机载系统研制过程中,会对关键设备进行试制。
物理设备适配器能将试制的物理设备连接到实时仿真总线上,实现和数字模型的联合仿真。机载物理设备往往通过统一的总线和其他设备、系统实现数据交换,如A429、A664等,设备接入流程如图8所示。物理设备通过硬件驱动接入系统,硬件驱动用于解析物理设备底层硬件协议,数据解析上位机用于解析软件协议,数据打包封装软件通过通信适配器将物理设备的数据向总线转发。
图8 物理设备集成流程

Fig.8 Process of physical device integration

3 工程实例测试

为了验证本文提出的机载系统数字化综合集成与验证平台的可行性,笔者采用单一模型来验证平台对单一模型仿真的准确性,采用联合仿真模型来验证平台的模型集成能力。
对于单一模型,以某型号飞机的风速系统为例,分别用Simulink和本平台对该风速模型进行驱动,得到模型输出。为简洁起见,只列出了参数发生变动的模型输入,并简记为Input1~4分别代表WindDirectionTrueFMSSide、TrueRefHeading、WindSpeedFMSSide、FMSColor参数。模型输入Output1~4分别指代WindDirection、WindSpeed、WindDirectionColor、WindSpeedColor参数。测试方式为:打开Simulink模型,保持其他参数不变,给Input1~4赋值,得到模型预期输出;同时,用本平台加载同一个模型,赋予同样的输入值,得到平台输出,最终得到表3。结果表明,本平台驱动的模型仿真结果和模型开发的原生软件具有良好的一致性,仿真结果准确。
表3 风速模型测试对照表

Tab.3 Wind speed model testing control table

变量试验组号 1 2 3 4 5
输入量 Input 1 10 20 10 10 10
Input 2 100 100 200 100 100
Input 3 100 100 100 200 100
Input 4 10 10 10 10 50
预期输出 Output 1 90 100 -10 90 90
Output 2 100 100 100 200 100
Output 3 10 10 10 10 50
Output 4 10 10 10 10 50
平台输出 Output 1 90 100 -10 90 90
Output 2 100 100 100 200 100
Output 3 10 10 10 10 50
Output 4 10 10 10 10 50
对于多模型集成能力测试,搭建了如图9所示的显控处理设备集成模型,模型包含PDF显示模型、MFD显示模型、ND显示模型、发动机参数采集物理设备、风速模型和视景显示组件。通过人机交互界面图10a)能控制飞机飞行参数,并在图10b)PFD和图10c)视景视窗上显示。测试方式为:修改用户界面的参数输入值,观察PFD显示面板和视景视窗中的相应参数变化,最后得到测试结果如表4。结果表明,多个模型集成后成功运行,且用户输入的参数能在模型之间进行数据交换,同时,在相应模型的显示面板显示,说明本平台可进行多模型的集成,本平台所提出的架构具有良好的可行性。
图9 模型集成工程实例

Fig.9 Real example of Model Integration

图10 人机交互和数据显示界面

Fig.10 HMI and data display interface

表4 模型联合测试结果

Tab.4 Integrated Model Testing Results

变量组号 1 2 3 4 5
输入值 空速/(km/h) 200 250 200 200 250
高度/m 2 500 2 500 2 000 1 500 1 500
PFD显
示数据		 空速/(km/h) 200 250 200 200 250
高度/m 2 500 2 500 2 000 1 500 1 500

4 结束语

面向机载系统研制中日益增长的虚拟集成和仿真验证需求,本文提出了适用于多类模型的数字化综合集成与验证平台架构,给出了异构模型适配器的集成路线并对平台进行了技术实现。单一模型和集成模型的测试结果表明,本平台的仿真准确度和模型开发原生平台一致,本平台能实现模型、工业/商业软件、物理设备等组件的有效集成,可以有效支持机载系统的研制。

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