基于智能配线的通用飞机航电试验技术研究

蔡志勇， 赵红军

(中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040)

0 引 言

随着我国国民经济的发展，人民出行方式的多样化、个性化需求促进了交通体系的变革，同时，低空空域的逐步开放预示着通用航空产业的崛起。这对经济结构调整和产业转型升级产生积极影响。全球注册的民用飞机中大约有90%属于通用飞机，承担着全球航空客运量的50%，占总飞行时间的75%，据统计，80%的通用飞机注册在北美，10%注册在欧洲[1]。因此，通用航空产业在我国还有广阔发展空间，通用飞机航电系统作为面向驾驶员的人机接口，要求具有良好的交互性和安全性，对飞机有着重要作用。

通用飞机航电系统，尤其是基于25部适航规章的大型通用飞机航电系统具有以下特点：综合程度高，模块功能复杂，设备众多，信号交联庞杂，系统参研参试的单位和人员也很多，技术难度和复杂性高[2-5]。在已有研究中，文献[6]侧重于介绍航电系统的通信导航分系统的激励；文献[7]介绍了我国第三代飞机航电的动态系统综合环境，面对当前高度综合的第四代航电已不太适应；文献[8-10]侧重于单纯介绍航电仿真或总线测试技术；文献[11]是德国TechSat公司的ADS2平台，该平台经过空客相关型号的考验，是一个相当不错的设备级测试台，但对于航电系统级和飞机级集成与测试并不适用。文献[12]是复杂系统的研制及验证的一般流程。

波音和空客两大巨头都基于飞机级和航电系统级需求，形成了适合自己研发体系的试验方法和平台。在国内，中国商飞上飞院建立了以柯林斯公司试验台为主的航电系统集成测试环境，但为ARJ21飞机量身打造，其广泛应用受知识产权方面的局限。基于以上分析，本文深入研究了航电系统特点，提出集成和测试方法，建立科学高效的航电系统集成与测试环境，以期为我国先进航电系统的研制服务。

1 航电系统的集成方法

系统集成通常采用增量式的集成策略，即从设备集成开始，然后是分系统级、系统级到最终的飞机级。这种分步集成的策略使得每一次集成的关注点从设备级的需求逐步转移到整体性功能需求，使得整个集成过程中充分暴露不同层级的问题，确保最终整体系统集成的顺利完成，从而降低了整体系统集成的复杂度。

为了很好地支持这种分步集成的策略，本文采用各分系统设备的数字仿真和接口激励技术，对系统的需求和整体设计提供验证手段，同时通过生成目标代码的机制，为后续系统集成测试打下良好的基础。另外，数字仿真形成的测试规范和用例，也为后续的分步集成提供了完善的测试要求。通过这样的方法，使得设计阶段的模型和测试用例可以被反复地应用到后续的系统集成当中，从而提高了系统研制的效率，保证了验证的一致性，从而最终提高产品的质量。

基于以上分析，本文提出的系统集成方法是：在系统数字仿真的基础上，建立具备真实物理接口的仿真设备（仿真件），为后续的系统集成打下基础。在真实设备（真件）研制出来后，通过真件与仿真件之间的逐一替换，逐步完成整个航电系统的集成工作。为了便于真件和仿真件之间的灵活替换，需提供灵活的构型配置系统，这可以通过具有完善智能配线机制的航电网络实现。图1给出了从全部为仿真件的构型，到逐个真件接入，直至最终全部为真件接入的过程示意。

图1 采用逐一替换的方式实现系统集成

在系统中接入某一分系统的真件的同时，关闭相应的仿真设备，并开展对该分系统的集成测试工作。通过逐步采用真件替换仿真件，最终完成系统的集成，并进行全系统的集成测试。在整个系统集成的过程中，会不断暴露出分系统之间的接口不一致或相互冲突等问题。为了能够对这些问题进行快速而准确的定位，需要不断调整系统的配置构型，按需调整智能配线使得某些分系统的真件参与试验，而其他分系统则采用仿真件代替，组成综合航电系统的半物理仿真试验环境，并有针对性的进行场景复现和故障注入等测试。

2 航电系统的测试方法

传统的航电系统测试方法是参照其需求分析和功能描述文档，根据其中对系统总体及各分系统的要求，逐条设计“激励-响应”式的文本测试用例，然后手动执行。所谓“激励-响应”式的测试，是指给待测的设备或系统提供一个激励信号，并触发其内部的一系列运算、状态切换或内部的数据传递，最后对其响应的结果进行采集或测量，并与期望的响应进行比对，以得出测试的结论。

在整个测试过程中，航电系统的激励-响应测试用例会被多次反复执行，传统的测试方法存在效率低下，容易引入人为错误的问题。本文采用如下方法解决：

在全数字仿真阶段，通过对全部测试用例的执行，来对仿真模型和测试用例进行确认；之后，将数字仿真阶段的测试用例按测试序列的方式录入某一主控计算机，使得主控计算机可基于智能配线系统、各设备激励系统、仿真系统和采集测量系统按照测试用例的要求协同工作，从而自动得出测试结论。在座舱联试或分系统测试阶段，执行显控或该分系统相关的测试序列；在全系统测试阶段，需要从头到尾执行所有的测试序列，并逐一确认；当测试发现问题时，为了进行故障的定位或对故障是否排除进行确认，也要反复执行相关的测试序列。

为了全面考察航电系统在实际飞行任务环境下的工作情况，本文采用动态综合测试方法，即基于实时的飞行仿真，为航电系统的测试提供数据激励源。飞行仿真模型能够进行全包线的仿真，并提供手动和自动两种飞行模式。在试验过程中，飞行仿真模型将解算出的飞行参数共享给航电仿真模型、各种激励系统和视景系统等，使得整个试验环境协调统一。另外，飞行仿真模型中还包含各类跟航电系统交联的非航电系统的仿真模型和飞控系统模型，以支持各系统的联试。在动态综合试验过程中，可以通过各种数据注入和故障模拟的手段，测试航电系统对各类故障模式是否能够正确处理。

在进行动态综合测试前，也需要对试验过程进行合理策划，对试验的场景和任务环境进行设定，选择合适的飞行剖面，并确定在该次飞行试验过程中，主要考察的内容和方法。在试验过程中，需要借助数据的采集和监控工具，以便对故障前后的试验数据进行记录和分析。该测试方法的原理如图2所示。

为了实现自动生成测试结论，对测试结果采用如下方法进行处理：按测试结果的类型，把测试用例分为两类，一类测试用例的结果是引起显示器上的画面变化，这一类测试很难由计算机自动判断结果的正确性，测试过程需要测试人员的参与，并通过软件界面将结果通知试验系统；另一类测试用例的结果是各分系统间的通信数据或状态，可以由试验系统直接采集获得，测试过程可以实现无人值守。这样将提高测试效率，并降低人为判读枯燥数据导致出错的概率。

3 基于智能配线的试验平台构建

3.1 智能配线的原理

航电系统集成与测试中需要根据试验需求灵活配置试验构型，因此需要试验平台具有完善的智能配线网络。智能配线的原理如图3所示。

通过构型控制脚本将试验的构型配置需求输入至智能控制器，智能控制器生成配线的控制指令以控制航电网络中接入真件和仿真件的构型。

3.2 系统架构

航电系统综合试验台的基本原理是，在航电系统仿真的基础上，通过仿真件和真件的切换，逐步实现综合航电系统的集成、联调和测试。试验平台的架构原理如图4所示。

整个试验台主要由设备真件及激励系统、设备仿真和环境模拟系统、信号交联和测试系统、试验操作和综合管理系统四大部分组成。试验内容重点关注的是航电分系统之间或航电系统与非航电系统之间的交联信号。仿真系统提供这些设备间交联接口的仿真信号，并通过综合配线系统实现真实信号与仿真信号之间的程控切换。试验操作和综合管理系统驻留于主控计算机内，试验人员通过人机界面对各类试验资源进行综合化的控制和管理，对测试序列进行图形化的维护管理，整个试验系统通过试验网络互联，实现数据、指令和状态的相互传递。

3.3 软件及试验网络架构

试验平台中的软件总体设计采用面向资源和服务的架构，并采用以太网技术实现主要的控制流和数据流通信。这种架构的优势在于：

图2 测试方法原理框图

使软件模块间松耦合，便于独立调试和隔离故障；提升开发效率，并使系统具备较强的可扩展性；借助成熟技术，提高系统的可靠性和稳定性；对各类资源、服务和数据进行抽象，使系统在功能上具备广阔的提升空间。

3.3.1 控制网络

控制网络用于传输控制指令和状态回报，使用了CORBA（公共对象请求代理体系结构）中间件完成控制指令收发。系统为控制网络适配提供了客户端适配模块和服务器适配模块。客户端适配模块方便第三方软件接入系统对已有试验资源进行控制，服务器适配模块用于仿真件等试验资源的扩充。

3.3.2 数据网络

数据网络通过DDS（数据分发服务）中间件实现数据的分发和接收，由于数据网络中，所有数据的发送都是广播出去的，因此在任意节点实现接收器，并通过适当的过滤就可以接收到自己想要的数据。数据网络的适配模块可以分别实现数据的发送和接收或者两者都实现。使用DDS中间件的API（应用程序接口）可以完成对数据Reader或Writer的定制，然后使用Reader或Writer实现对数据的接收和发送。

图3 智能配线原理

图4 试验平台系统架构原理框图

图5 AG600飞机航电试验平台

试验数据网络为数据共享和收发提供了5个分区，不同的分区负责不同功能模块数据的共享和数据收发。同时，系统为这5个分区分别封装了数据订阅和发布的适配模块，分系统或第三方模块可以使用这些适配模块完成在数据网络中发布或订阅数据。

4 在AG600飞机航电系统研制中的应用

AG600飞机是我国自主研制的大型灭火/水上救援水陆两栖飞机，其航电系统基于A429总线综合，庞大复杂，主要组成部分有：以EFIS（电子飞行仪表系统）为核心，集成各主导航传感器的主航行系统；以RTU(无线电调谐单元)为核心，集成各无线电设备的无线电通信导航系统；以记录器为核心的飞参记录系统；以告警计算机为核心的中央告警系统；以EPU处理机为核心的EICAS（发动机指示与空勤告警）系统；以灭火控制盒为中心，集成各灭火设备的灭火系统（灭火型）；以任务管理计算机为中心，集成各搜索传感器的搜索系统（救援型）。

中航通飞研究院承担这个复杂航电系统设计开发和集成验证，为此，建立了一套基于智能配线的通用飞机航电系统试验平台，在该平台上完成了从设备级到分系统级再到系统级的航电集成，最后完成了航电系统与机电系统的飞机级接口集成。之后，分别完成了航电系统的通信、导航、指示记录等功能测试。试验情况及数据见表1和表2。实践证明该试验方法及平台很好地支撑了AG600飞机航电系统的研制，将来还要支撑AG600飞机的部分适航取证工作。

表1 AG600飞机航电系统集成情况

表2 AG600飞机航电系统测试情况

5 结束语

本文针对通用飞机航电系统集成测试需求和试验过程分析，提出了基于数字仿真的增量式集成方法、航电测试的激励-响应式测试和动态综合测试方法，构建了基于智能配线的航电试验平台，应用结果表明：该方法及试验平台能够提高系统集成的效率，拓展功能测试的覆盖度，增加测试的完整性、正确性，降低航电系统研制成本，缩短了研制周期，对我国航空电子系统的研发设计具有积极作用。

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