机载维护系统仿真激励环境的设计

吕镇邦1，程玉杰，张选刚1，丁 宇

(1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710068； 2.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191)

机载维护系统(Onboard Maintenance System,OMS)经过多年的发展以及许多新技术的应用，其复杂程度越来越高，开发周期越来越长[1]。早期开展机载维护系统的测试与验证工作对于系统的设计与开发至关重要[2]。国内由于仿真验证工作起步较晚，验证工作基本依赖实物设备互连验证，导致项目的开发周期因为硬件设备的缺失和仿真激励环境的不成熟而大量推迟[3-4]。同时，由于机载维护系统的测试与验证需要大量的历史仿真数据、故障模型、测试数据提供支持，所以机载维护仿真激励环境的开发对于机载维护系统的研制意义重大。本文针对机载维护系统仿真激励环境的开发与设计提出了初步的设计方法，用于指导今后机载维护系统仿真激励环境的设计与实现。

1 系统概述

机载维护系统仿真激励环境由维护系统激励环境平台硬件环境、OMS成员系统仿真软件和OMS系统辅助开发工具集组成，主要完成成员系统仿真数据的定义，模拟飞机外部成员系统运行环境，提供成员系统状态数据、故障数据、失效数据和构型数据仿真[5]。同时，在成员系统仿真软件中实现ARINC624协议和ARINC615协议，模拟成员系统地面测试行为和数据加载行为，实现成员系统设备静态分析数据和动态功能行为方式的综合仿真环境。

机载维护系统仿真激励环境通过系统辅助开发工具集开发故障诊断模型，定义状态监控参数和用户自定义事件，配置地面测试数据、数据加载数据、设备构型数据，工具集生成的仿真数据能够通过成员系统仿真软件显示。仿真激励环境能够显示设备故障模式，关联故障数据，用户可以通过仿真界面注入故障数据，配合机载故障诊断应用实现故障报告功能；仿真激励环境能够显示系统参数数据、趋势数据、超限数据，用户可以通过界面设置参数工程单位和数值，配合机载状态监控应用实现设备监控功能；仿真激励环境能够显示设备构型数据，用户可以通过界面设置设备构型数据，配合机载构型管理应用实现设备构型报告功能；仿真激励环境能够模拟设备端ARINC615协议接口，配合机载数据加载应用实现设备数据加载功能；仿真激励环境能够模拟设备端ARINC624协议接口，配合机载交互式维护应用实现地面测试功能，实现设备仿真、总线仿真、数据仿真和脚本仿真。

2 系统组成

机载维护系统仿真激励环境由仿真软件和硬件环境平台组成，其组成结构如图1所示。

图1 组成结构图

(1) 硬件组成。机载维护系统仿真激励环境的各硬件包括：

① 燃油系统仿真设备1套；

② 导航系统仿真设备1套；

③ 飞控系统仿真设备1套；

④ 电源系统仿真设备1套；

⑤ 发动机系统仿真设备1套；

⑥ 数据转换设备1套。

(2) 软件集成。机载维护系统仿真激励环境的各应用软件包括：

① 故障方程建模工具：定义成员系统的故障模型，作为仿真器软件的输入故障模式，配合机载中央维护软件实现故障报告功能[6]。

② 监控数据配置工具：定义成员系统的飞机状态监控参数和事件数据捕获逻辑，作为仿真器软件的输入飞行参数，配合机载飞机状态监控软件实现飞机状态监控功能。

③ 地面测试建模工具：定义成员系统设备测试项配置信息，包括抑制条件、干扰信息、测试执行步骤、测试页面信息等内容，作为仿真器软件的地面测试配置模型，配合机载地面测试软件实现地面测试功能。

④ 可加载软件生成工具：软件为航空公司、OEM、成员系统提供机上加载软件的生成能力，所生成的FLS软件应符合A665-3规范。

⑤ 脚本生成工具：收集接口控制文档(Interface Control Document，ICD)配置信息，根据仿真模型数据和用户自定义仿真控制逻辑自动生成仿真执行脚本。

⑥ OMS成员系统仿真软件：执行仿真数据配置和发送功能，为OMS提供成员系统故障数据、历史故障数据、构型数据、超限数据和事件、启动测试数据和生命周期数据，实现成员系统设备仿真、总线仿真、数据仿真和脚本仿真。

3 系统功能架构设计

机载维护系统仿真激励环境软件共包含2个主要的功能模块，分别为OMS系统辅助开发工具集和OMS成员系统仿真软件，OMS系统辅助开发工具集和成员系统仿真软件分别独立运行于不同的PC机，OMS系统辅助开发工具集产生仿真数据，OMS成员系统仿真软件加载由OMS系统辅助开发工具集产生的仿真数据用于成员系统激励数据的产生。OMS成员系统仿真软件能够为机载维护系统的实现与验证提供数据支持，实现机载维护功能的前期验证工作。OMS成员系统仿真软件包含的基本功能模块有系统管理、数据管理、模式管理、脚本仿真、仿真管理、历史故障仿真、地面测试仿真和数据加载仿真。其功能架构如图2所示。

(1) 系统管理。

系统管理实现5个成员系统的静态配置仿真信息的管理，包括成员系统信息管理、设备管理、总线管理、消息管理、数据域管理的功能。

图2 系统功能架构图

(2) 数据管理。

数据管理主要完成5个成员系统各种仿真数据的管理功能。数据管理模块由BIT数据管理、状态参数管理、故障数据管理、构型数据管理、地面测试配置数据管理和加载数据配置管理模块组成[7]。

(3) 模式管理。

模式管理负责两种不同仿真模式之间的切换。在界面注入模式下，故障模式的触发由用户通过软件提供界面进行操作，用户编辑故障模式相关的仿真数据，触发相应的故障模式；设置状态监控功能(Aircraft Condition Monitor Function，ACMF)事件记录条件和状态参数，实现状态监控数据的采集和记录功能。在脚本注入模式下，用户输入脚本命令或者执行脚本文件，完成故障的注入和状态监控事件的触发以及记录数据值的设置。

(4) 脚本仿真。

脚本仿真主要提供多样化的成员系统仿真激励环境，满足复杂故障模式的仿真要求。仿真脚本语句通过解释分析，调用仿真数据驱动接口提供的函数执行功能，负责将脚本命令转换为可执行的仿真API命令。

(5) 历史故障仿真。

历史故障仿真主要完成对成员系统设备历史故障响应功能行为的模拟，向机载维护系统应用发送设备历史故障信息。历史故障仿真由历史故障管理、历史故障请求响应、总线仿真接口模块组成。历史故障管理子模块完成历史故障数据的读取、存储。历史故障请求响应模块负责成员系统端机载维护应用历史故障请求的解析和历史故障数据的封装。总线仿真接口负责监听数据接收端口的历史故障请求信息，同时向机载维护应用返回设备历史故障数据。

(6) 地面测试仿真。

地面测试仿真主要完成对交互式维护中成员系统的功能行为进行模拟，向交互式维护应用发送地面测试结果信息。地面测试仿真功能由地面测试配置管理、ARINC624协议管理、总线仿真接口模块组成。地面测试配置管理子模块完成地面测试配置数据的读取和显示。ARINC624管理子模块完成成员系统和交互式维护应用之间的ARINC624协议的管理和命令数据交换工作。ARINC624管理子模块实时侦听数据总线，接收交互式维护应用发送的成员系统维护自检指令。根据用户在界面上选取的测试状态组织ARINC624指令发送给交互式维护应用。总线仿真接口负责监听数据接收端口的地面测试数据信息，同时向机载交互式维护应用返回成员系统地面测试状态信息。

(7) 数据加载仿真。

数据加载仿真主要完成对符合ARINC665-3标准的外场可加载软件(Field Loadable Software,FLS)的加载，实现将FLS的相关文件下载到成员系统设备端。数据加载仿真功能由配置管理模块、ARINC615和ARINC615A协议管理模块、总线仿真接口模块组成。配置管理子模块完成加载配置数据的读取和显示。ARINC615、ARINC615A协议管理子模块完成成员系统和数据加载服务之间的ARINC615、ARINC615A协议的管理和命令数据交换工作；实时侦听数据总线，接收数据加载服务发送的数据加载请求指令；成员系统与数据加载服务间的通信采用TFTP协议。总线仿真接口负责监听数据接收端口的数据加载信息，同时向机载数据加载代理应用返回成员系统数据加载状态信息。

(8) OMS系统辅助开发工具集。

故障方程建模工具主要完成成员系统供应商定义的故障信息收集，同时生成故障报告数据库和构型数据库，生成的故障报告数据库和构型数据库可以直接加载到机载应用，配合机载维护系统软件实现故障报告功能和构型报告功能，故障方程由故障逻辑和故障方程属性两部分构成[8]。故障逻辑决定是否触发，故障方程属性描述故障的静态维护信息，主要提供维护记录使用。

监控数据配置工具主要完成成员系统供应商定义的状态参数、参数组信息的收集和用户自定义事件的建立，同时生成状态监控数据库，生成的状态监控数据库可以配合机载维护系统软件实现状态监控功能和参数记录功能。监控数据定制工具需要处理的监控数据包括系统参数、超限数据、趋势数据、飞机生命周期数据、用户自定义事件。监控数据定制工具根据不同类型的数据建立不同的配置信息，记录监控数据的属性和触发记录条件。

可加载软件生成工具为航空公司，成员系统提供加载软件的能力，能够生成符合A665-3规范要求的可加载数据。可加载软件生成工具可录入加载数据信息，包括目标机信息、产品标识信息、供应商编码等配置信息内容。

地面测试建模工具主要完成成员系统供应商定义的地面测试配置信息的收集，同时生成地面测试数据库，生成的地面测试数据库能够直接加载到机载应用，配合机载维护系统软件实现地面测试功能。地面测试建模工具支持用户对设备进行测试属性配置，满足用户多样化测试需求。

脚本生成工具主要完成将故障方程建模工具、数据监控配置工具、可加载软件生成工具和地面测试建模工具生成的数据库文件和用户仿真控制逻辑转化为可执行的脚本，模拟复杂OMS仿真激励过程，辅助实现OMS功能测试。

4 系统关键技术设计

由于飞机系统的实时性和时序性要求，仿真管理控制整个数据发送的时序特性，作为整个系统的关键技术影响系统性能和仿真验证的结果。仿真管理模块由频率控制和总线数据监控模块组成。仿真管理主要完成各个成员系统设备对维护系统机载应用的仿真数据支持和交互式功能操作支持。在仿真数据支持方面，仿真管理主要向机载应用提供BIT数据服务、状态监控数据服务、故障数据服务、构型报告数据服务功能，仿真管理根据设备的总线数据类型完成数据的发送，目前支持的总线类型有ARINC429、AFDX总线。在交互式功能操作方面，仿真管理主要向机载地面测试应用和数据加载应用提供交互式功能服务，模拟设备地面测试和数据加载的功能行为[9]。

4.1 频率控制

频率控制主要是针对不同频率的周期性数据发送需求采取的发送频率控制策略。由于飞机系统复杂度高，设备种类繁多，不同设备的数据发送频率不同，数据时序相关性非常高，同时设备对数据实时性有特殊要求，再加上总线板卡数量有限，为了有效降低总线数据载荷，防止数据阻塞，有效降低系统响应时间，保证数据实时性，仿真激励环境采取轮叫调度(Round-Robin Scheduling)频率控制模式，即各个调度周期占用CPU时间相同，各个仿真设备依次轮流的方式传输周期性仿真数据帧，在同一调度周期内，发送数据的设备之间没有优先级概念，各个数据帧的时间分配如图3所示。假设当前仿真工具模拟了3个频率为20 Hz的数据帧，按照轮叫调度方式发送，其中数据帧1需占用10 ms的发送时间，数据帧2占用7.5 ms，数据帧3占12.5 ms，发送时，仿真工具的调度周期为50 ms，在每个调度周期内，按照先后顺序分别发送数据帧1、数据帧2和数据帧3。

图3 数据时序图

仿真数据发送频率控制如图4所示。轮叫调度频率控制模式是通过一个模拟定时器实现，定时器按照定时周期发送调度信号，定时周期为所有待发送消息的发送周期的最大公约数。这样可以保证每个消息总会在每N个定时周期接收到调度信号，N等于该消息发送周期与定时周期的倍数。消息在接收到调度信号后被唤醒，执行数据发送，然后休眠，处于等待状态，直到下个周期到来时被再度唤醒。

图4 仿真数据发送频率控制图

4.2 总线数据监控

总线数据监控功能主要完成设备交互式功能中网络数据的监控。总线数据监控功能由配置文件加载、侦听事件注册、网络数据接收、消息提取、历史故障响应事件、地面测试响应事件、数据加载响应事件组成。模块实时侦听总线数据，当收到网络数据请求后，提取消息内容，分析总线数据指令，根据数据指令的内容，启动相应的设备事件响应操作，完成设备交互式功能行为，模拟成员系统设备的历史故障仿真行为、地面测试仿真行为和数据加载仿真行为。

4.3 仿真激励环境应用结果

按照机载维护系统的仿真验证要求，通过仿真激励环境对燃油系统、导航系统、飞控系统、电源系统和发动机系统的设备进行了验证。仿真验证结果数据如表1所示。

表1 仿真验证结果表

仿真激励环境区别于专用设备验证方式，采用通用设备验证方式和统一的数据界面管理方式，能够同时对多个系统的故障诊断、状态监控、构型报告、数据加载和交互式维护等功能同时进行验证，节省了验证设备的数量。软件界面如图5所示。在交互式维护功能验证中，仿真激励环境采用多线程处理机制，能够开展不同设备并行测试功能验证，改变了传统单一测试执行的弊端。

图5 软件界面图

5 结束语

本文针对机载维护系统仿真激励的设计进行了详细的说明，软件通过仿真平台支持工具包开发仿真数据和机载诊断模型，模拟各个成员系统与机载维护应用之间的交互方式，为机载维护应用的开发提供技术支持和前期验证工作，能够加快机载维护应用的开发进度，有利于提高成员系统仿真验证的技术水平，为国内未来民用型客机OMS的研制奠定良好的技术基础。