大型民機IMA系統(tǒng)的應用
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綜合模塊化航空電子系統(tǒng)
IMA系統(tǒng)是指飛機上的一個分布式實時計算機網(wǎng)絡,該網(wǎng)絡包含若干個計算模塊,且每個計算模塊能夠運行多個不同安全關鍵級別的應用程序。IMA的核心理念是硬件共享,即多個應用程序共享同一個處理單元,這樣就能減少處理器、配線、I/O的成本,此外,還能減小航空電子系統(tǒng)的重量、體積、能耗等[5]。
2IMA系統(tǒng)結(jié)構
一個IMA系統(tǒng)由4個部分構成:機柜(Cabinet)、全局數(shù)據(jù)總線、與全局數(shù)據(jù)總線兼容的設備和遠端數(shù)據(jù)集中器(RemoteDataConcentrator,RDC)[8]。IMA系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。機柜用來提供計算資源,并為其中的應用程序提供必要的接口。機柜由3個部分構成:機柜框架、背板和功能模塊[8]。其中,機柜框架為機柜內(nèi)部的功能模塊提供了機械和電氣環(huán)境。背板為功能模塊和外部航電設備提供接口,背板分為3個區(qū)域:第一個區(qū)域是飛機配線和背板之間的接口;第二個區(qū)域為背板總線,用于功能模塊之間的信息傳遞;第三個區(qū)域用于電能分配。IMA系統(tǒng)中的功能模塊應該被設計成外場可更換模塊(LineReplaceableModule,LRM),按照功能可分為多種不同的類型,例如核心處理器、標準I/O、特殊I/O、電能供給模塊、總線橋、網(wǎng)關、塊存儲器等。全局數(shù)據(jù)總線用于機柜、RDC以及總線上的其他掛載設備之間的通信。ARINCReport651中指明ARINC629為全局數(shù)據(jù)總線,實際上,IMA系統(tǒng)中的全局數(shù)據(jù)總線不限于ARINC629總線,例如,波音787和空客A380采用的全局數(shù)據(jù)總線是符合AR-INC664標準的航空電子全雙工交換式以太網(wǎng)(AvionicsFullDuplexSwitchedEthernet,AFDX)。機柜之外的設備,按照與全局數(shù)據(jù)總線是否兼容可分為兩類。如果與全局數(shù)據(jù)總線兼容,則可以直接接入全局數(shù)據(jù)總線,與總線上掛載的機柜和其他設備通信。如果與全局數(shù)據(jù)總線不兼容,則需要先與RDC連接,然后通過RDC接入全局數(shù)據(jù)總線。RDC可以為許多簡單設備服務,其作為數(shù)據(jù)輸入設備時,將數(shù)據(jù)從模擬、離散或者其他格式轉(zhuǎn)換為與全局數(shù)據(jù)總線兼容的格式;當其作為一種輸出設備時,將全局數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬、離散或者其他格式[8]。RDC還負責管理與之相連的簡單設備的健康狀態(tài)。
3IMA系統(tǒng)的特點
相對傳統(tǒng)的獨立式、聯(lián)合式航空電子系統(tǒng),IMA系統(tǒng)具有以下特點:(1)對硬件設備進行綜合,包括網(wǎng)絡、模塊和I/O設備;(2)采用分層體系結(jié)構,利用標準的編程接口使硬件與應用軟件彼此獨立;(3)采用分區(qū)操作系統(tǒng)來管理同一模塊中的多個應用程序,操作系統(tǒng)必須采取保護機制來確保同一硬件模塊中的多個應用程序之間不會相互影響,并且能以適當?shù)恼{(diào)度策略對多個不同的應用程序進行調(diào)度;(4)模塊上的應用程序能夠進行靜態(tài)重構(飛機未使用時)或動態(tài)重構(飛機處于飛行階段時)。
大型民用飛機IMA系統(tǒng)典型應用
1波音777
1995年,波音公司正式推出波音777飛機。Honeywell公司為其提供了飛機信息管理系統(tǒng)(AIMS),該系統(tǒng)采用了綜合模塊化結(jié)構,是IMA系統(tǒng)在商用飛機中的第一個應用實例[1]。AIMS為飛機中的7個子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)處理能力,包括主顯示系統(tǒng)(PDS)、中央維護計算系統(tǒng)(CMCS)、飛機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(ACMS)、飛行數(shù)據(jù)記錄器系統(tǒng)(FDRS)、數(shù)據(jù)通信管理系統(tǒng)(DCMS)、飛行管理計算機系統(tǒng)(FM-CS)和推理管理計算機系統(tǒng)(TMCS),其余子系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的聯(lián)合式結(jié)構[9]。AIMS安裝于兩個機柜之中,并通過ARINC629總線、ARINC429總線以及離散I/O通道與飛機其他系統(tǒng)相連接。每個機柜內(nèi)安插了8個外場可更換模塊(LRM),包括4個核心處理模塊(CoreProcessorModule,CPM)和4個輸入輸出模塊(InputOutputModule,IOM),此外,考慮到未來功能擴展的需要,還預留了1個CPM和2個IOM的插槽[2]。CPM負責AIMS中各種功能的運算,共有4種類型:CPM/COMM(中央處理/通信模塊)、CPM/ACMF(中央處理/飛行狀態(tài)監(jiān)控功能模塊)、CPM/BASIC(中央處理/基本模塊)和CPM/GG(中央處理/圖像產(chǎn)生器模塊)[10]。所有IOM具有相同的硬件和軟件,它們負責傳送CPM中的數(shù)據(jù)到其他機載系統(tǒng),并從其他機載系統(tǒng)接收傳送至CPM的數(shù)據(jù)。在機柜內(nèi)部,模塊之間的信息傳遞由高速背板總線SAFEbus提供,這種總線標準之后被發(fā)展為ARINC659標準[11]。AIMS機柜的結(jié)構如圖2所示[12]。每個CPM中均部署了多個不同關鍵級別應用程序,如表1所示[9]。為了能夠?qū)Σ煌P鍵級別的應用程序進行獨立的認證,并且使不同的應用程序之間不相互破壞數(shù)據(jù),Honeywell公司開發(fā)了Apex操作系統(tǒng),這種操作系統(tǒng)成為了ARINC653操作系統(tǒng)的基礎[11]。Apex操作系統(tǒng)采用了“健壯分區(qū)(Ro-bustPartitioning)”的方法來對運行在同一處理器中的不同應用程序進行隔離。這種隔離措施要求不僅在空間上,而且在時間上對不同的應用程序進行劃分。應用程序的存儲器空間在運行之前就被分配好,每個應用程序均不能破壞其他應用程序存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù),對于任意的存儲頁面,最多只有一個應用分區(qū)對其進行寫訪問。應用程序的處理器資源調(diào)度通過一組調(diào)度規(guī)則表來控制,調(diào)度規(guī)則表在運行前確定,并可以加載至模塊中。每個應用程序在分配的處理器時間內(nèi)占用處理器資源,其他應用程序在此時間段內(nèi)不能搶占。隨著航空電子技術的進步,Honeywell公司后來又對波音777的航空電子設備進行了升級,在每個機柜中安裝的模塊數(shù)增加至10個,但其重量卻比原來的AIMS減輕14.5kg,功耗減少39%[10]。
2波音787
波音787的航空電子系統(tǒng)主要由通用核心系統(tǒng)(CommonCoreSystem,CCS)組成。CCS由Smiths公司(已被GE收購)提供,它被稱為波音787的中央神經(jīng)系統(tǒng)。CCS不但綜合了傳統(tǒng)意義的航空電子系統(tǒng)功能,還綜合了燃油系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、防冰系統(tǒng)、防火系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)、艙門系統(tǒng)等非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理和控制功能[3]。波音787的航空電子系統(tǒng)在波音777的基礎上進一步綜合化而來,波音777飛機采用了近80個獨立的計算機系統(tǒng)來滿足約100種不同設備的應用需求,而波音787飛機的計算機系統(tǒng)則減少至30部[13]。波音777與波音787航空電子系統(tǒng)的關系如圖3所示[14]。CCS由公共計算資源(CommonComputingRe-source,CCR)、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(CommonDataNetwork,CDN)和遠端數(shù)據(jù)集中器(RDC)三部分組成。CCR安裝在兩個機柜中,機柜之間通過CDN(AFDX數(shù)據(jù)總線)連接。與AFDX數(shù)據(jù)總線兼容的LRU通過AFDX交換機直接接入CDN。此外,對于擁有模擬信號輸出或者ARINC429信號輸出的LRU,必須先將其與RDC連接,然后接入CDN。CCR為波音787飛機提供了計算資源,從圖3中可以看出,與波音777飛機的AIMS相比,CCR綜合了更多的功能。兩個CCR機柜中共裝載了16個LRM,有5種不同的類型,分別是8個通用處理模塊(GeneralProcessingModule,GPM)、2個能源控制模塊、2個網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換器、2個光纖轉(zhuǎn)換模塊和2個圖像產(chǎn)生器模塊[2]。每個GPM都使用WindRiver公司的VxWorks653分區(qū)操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)除了為應用程序提供必需的服務外,還提供了健壯的分區(qū)機制用以支持不同安全關鍵級別的軟件在同一個處理器上運行。CDN是CCS的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡,提供了銅介質(zhì)接口和光纖接口。CDN由RockwellCollins公司提供,采用的是符合ARINC664標準的AFDX網(wǎng)絡,能支持10~100Mb/s的傳輸速率,并且有增長至1Gb/s的潛力,是商用飛機通信帶寬的巨大飛躍。AFDX是在標準因特網(wǎng)和IEEE802.3協(xié)議的基礎上改進而來,其最大的特點是“確定性”和“可靠性”。CDN中的核心節(jié)點是AFDX交換機,每個交換機具有24個全雙工端口。這些交換機沿機身的左右兩側(cè)布置,每一側(cè)都采用雙冗余備份連接。單個交換機故障,甚至不同的區(qū)域內(nèi)存在第二個故障的情況下,AFDX網(wǎng)絡仍然可以正常通信。波音787的CCS中共有21個RDC。RDC被用來替換傳統(tǒng)的專用信號配線,將來自遠端傳感器和受動器的模擬和數(shù)字信號集中起來并傳輸至CDN中。RDC可以通過配置文件進行配置,配置文件中可以指定特定I/O連接類型的處理模塊,還能指定更新速率和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)格式。
3空客A380
空客A380的航空電子系統(tǒng)采用了開放式IMA技術,其IMA系統(tǒng)包含兩個主要組成部分:AFDX數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和IMA模塊。與波音777和波音787的綜合航空電子系統(tǒng)不同,A380的航空電子系統(tǒng)沒有采用機柜的形式來組成類似AIMS或者CCR的中央處理系統(tǒng),而是將處理模塊分散放置于機身各處,并且通過AFDX交換機接入通信網(wǎng)絡[4]。A380的IMA系統(tǒng)的結(jié)構如圖4所示(只列出了AFDX網(wǎng)絡和IMA模塊的布局情況,以分立設備的形式存在的系統(tǒng)未在圖中列出)[15-16]。A380的航空電子系統(tǒng)中共有30個LRM,所有模塊均符合ARINC600規(guī)范,尺寸為3MCU,重量約為4.2kg。這些LRM可分為8種不同的類型,包括7種核心處理輸入/輸出模塊(CoreProcessing&IOModule,CPIOM)和1種輸入/輸出模塊(Input/OutModule,IOM)[4]。7種CPIOM中部署了22種不同功能,共計70種應用軟件,這些應用軟件由11個不同的供應商提供[4]。表2列出了每種LRM的數(shù)量以及模塊中部署的應用。IMA硬件模塊由Thales公司和空中客車公司提供,兩者提供的硬件模塊采用不同的硬件實現(xiàn)。Thales公司提供了其中的18個IMA模塊:4個用于起落架裝置,4個用于燃油管理系統(tǒng),4個用于客艙功能,4個用于空氣管理,2個用于電氣系統(tǒng)。空中客車公司提供的IMA模塊則用于輸入/輸出、飛行告警、ATC通信功能和航空電子通信路由[17-18]。但是,并非所有的航空電子功能都被綜合為IMA模塊,一些飛行關鍵系統(tǒng),例如飛機環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)和大氣數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)仍然以分立設備的形式存在[17-18]。IMA模塊中的操作系統(tǒng)也由Thales公司開發(fā),該操作系統(tǒng)提供基于ARINC653規(guī)范的標準應用程序接口,能夠在不同的應用程序之間提供分區(qū)支持。標準的應用程序接口使得硬件能夠在不影響應用軟件的前提下更新,也允許系統(tǒng)供應商開發(fā)獨立于硬件的應用軟件。由于A380航空電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信交換機和IMA模塊都是根據(jù)通用的ARINC標準來設計,因此A380的航空電子系統(tǒng)對于潛在的航空電子制造商來說是開放的[16]。開放式IMA技術帶來的好處是飛機制造商可以通過第三方航空電子供應商獲取模塊和通信設備,從而為開放式IMA標準培育一個市場,并通過競爭來控制成本。
4三種機型IMA系統(tǒng)對比分析
下面從功能、結(jié)構、數(shù)據(jù)總線和操作系統(tǒng)等四個方面對上述3種機型的IMA系統(tǒng)進行對比分析。(1)功能波音777飛機的AIMS中包含的7個子系統(tǒng)均屬于航空電子系統(tǒng)功能,而波音787和空客A380的IMA系統(tǒng)中不僅綜合了傳統(tǒng)意義的航空電子系統(tǒng)功能,還綜合若干非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理和控制功能。一般而言,IMA系統(tǒng)綜合的功能越多,則系統(tǒng)的綜合化程度越高。(2)系統(tǒng)結(jié)構上述3種機型的IMA系統(tǒng)均采用了分布式結(jié)構。波音777和787的IMA系統(tǒng)中采用了機柜來安裝LRM,機柜內(nèi)不同LRM之間通過背板總線進行通信。采用機柜來集中安裝LRM可以在LRM之間共享硬件資源,如背板總線、供電模塊、I/O模塊等?？湛虯380的IMA系統(tǒng)沒有采用機柜,而是將LRM分散放置于機身各處,通過全局數(shù)據(jù)總線AFDX網(wǎng)絡進行通信。采用這種結(jié)構可以簡化系統(tǒng)設計,既不用設計機柜和背板總線,也能減輕由于模塊集中而帶來的散熱壓力。(3)全局數(shù)據(jù)總線波音777采用ARINC629全局總線,該數(shù)據(jù)總線為波音公司針對波音777項目開發(fā)的技術,它是一種雙向總線,可支持最多120個數(shù)據(jù)終端以及高達2Mb/s的數(shù)據(jù)率。由于該技術需要定制硬件支持,并且沒有得到其他飛機制造廠商的認可,因此會增加生產(chǎn)成本。波音787和空客A380采用符合ARINC664規(guī)范的AFDX網(wǎng)絡作為其全局數(shù)據(jù)總線。AFDX網(wǎng)絡由工業(yè)標準的以太網(wǎng)通信協(xié)議經(jīng)過適應性改進而來,具有相對更高的可靠性、適應性和實時性,傳輸速率可達10~100Mb/s。(4)操作系統(tǒng)波音777采用Honeywell公司開發(fā)的Apex操作系統(tǒng),ARINC653規(guī)范即在該操作系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來。波音787和空客A380的IMA系統(tǒng)分別采用了WindRiver和Thales公司開發(fā)的操作系統(tǒng),兩種操作系統(tǒng)均提供基于ARINC653規(guī)范的標準應用程序接口?？梢?ARINC653規(guī)范已經(jīng)成為大型民用飛機IMA系統(tǒng)中使用的主流標準。
關鍵技術及發(fā)展建議
1關鍵技術
與傳統(tǒng)的聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)相比,采用IMA技術能夠減輕重量、減小體積、降低維護成本等諸多優(yōu)勢。波音777、波音787和空客A380等新一代大型民用飛機的航空電子系統(tǒng)均采用了IMA技術,因此IMA技術的應用是大型民用飛機航空電子系統(tǒng)發(fā)展的主流趨勢。為了使大型民用飛機的航空電子系統(tǒng)實現(xiàn)從傳統(tǒng)聯(lián)合式向IMA的轉(zhuǎn)變,需要突破以下多項關鍵技術:(1)系統(tǒng)級關鍵技術,包括IMA系統(tǒng)總體設計與綜合技術、高可靠性設計與評估技術、適航認證等;(2)硬件技術,包括結(jié)構工藝設計、模塊化設計、小型化電路設計、全局數(shù)據(jù)總線、背板總線等;(3)軟件技術,包括支持多分區(qū)應用的操作系統(tǒng)、多分區(qū)環(huán)境下的應用程序開發(fā)及測試技術等。
2發(fā)展建議
通過分析大型民用飛機IMA系統(tǒng)的典型應用并梳理其關鍵技術,對大型民用飛機IMA系統(tǒng)的研制給出以下幾點建議。
(1)逐步提升綜合化程度
目前,大型民用飛機航空電子系統(tǒng)的綜合主要體現(xiàn)在座艙綜合顯示控制、綜合數(shù)據(jù)處理、綜合導航引導、綜合監(jiān)視與告警等方面[6]。綜合化設計能壓縮航空電子系統(tǒng)的體積和重量,減輕飛行員的工作負擔,提高系統(tǒng)的可靠性,降低飛機的全壽命周期費用。但是,從傳統(tǒng)的聯(lián)合式航空電子向IMA過渡是一個連續(xù)的過程,需要多方面的經(jīng)驗與技術的積累,不能一味追求最大程度的綜合化,應該在各方面條件成熟的前提下推進系統(tǒng)的綜合化。
(2)采用通用化、模塊化硬件
集成電路和軟件技術的高速發(fā)展使得將多個不同的功能集中于一個標準電子模塊中成為可能。通用化、模塊化的硬件是實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構簡化和綜合化的基礎。應該盡量采用通用的、標準的LRM來實現(xiàn)航空電子系統(tǒng)的各種功能,避免或者盡量減少專用LRM在系統(tǒng)中的使用。
(3)采用開放式系統(tǒng)結(jié)構
一個開放式系統(tǒng)可以定義為:將符合標準接口規(guī)范的不同部件連接在一起而構成的系統(tǒng)[19]。實現(xiàn)開放式系統(tǒng)結(jié)構的關鍵是要制定和貫徹各種標準接口,使不同的產(chǎn)品研制、生產(chǎn)單位都遵循相同的標準和規(guī)范。對于硬件而言,應采用標準模塊機械接口、標準電氣特性、標準化的數(shù)據(jù)總線接口、標準并行/底板總線特性、標準模擬和離散信號接口等;對于軟件而言,需要對軟件按層次劃分,各層次之間采用標準接口。采用開放式系統(tǒng)結(jié)構使得能夠獨立地對系統(tǒng)中的各個部件進行研發(fā)、維護和改進升級,而不用擔心影響到系統(tǒng)中的其他部件,因此能大大降低航空電子系統(tǒng)的研發(fā)和維護成本。
(4)采用高安全性、高可靠性設計
民用飛機對安全性和可靠性有很高的要求,民用飛機航空電子系統(tǒng)的研制過程必須嚴格遵循適航認證標準,在系統(tǒng)或設備中采用容錯設計,并且對重要的功能進行多重冗余備份。
(5)采用商用貨架產(chǎn)品技術
美國國防部把商用貨架產(chǎn)品技術(CommercialofftheShelf,COTS)定義為在市場上銷售的產(chǎn)品,并在制造商的產(chǎn)品目錄中以確定的價格出現(xiàn),而且可以直接從制造商或通過制造商的銷售網(wǎng)供應給任何公司或個人使用[20]。采用COTS技術可以減少航空電子系統(tǒng)中專用元器件和專用軟件的數(shù)量,從而降低研發(fā)成本,而且COTS產(chǎn)品具有良好的技術支持,便于擴充和升級。
(6)采用高速數(shù)據(jù)總線
機載高速數(shù)據(jù)總線是新一代綜合航空電子系統(tǒng)的關鍵技術之一,它直接決定了綜合航空電子系統(tǒng)集成化程度的高低。傳統(tǒng)的機載總線架構面臨著布線復雜、重量過重、維護及改型困難等缺點。AFDX的出現(xiàn)克服了這些缺點,成為目前主流大型民用飛機航空電子網(wǎng)絡的互連基礎,在大型民用飛機IMA系統(tǒng)的研制時可以參考或直接選用之。
結(jié)束語
波音777、波音787和空客A380均屬于新一代的大型民用飛機,它們的航空電子系統(tǒng)均采用了IMA技術,因此IMA技術代表了大型民用飛機航空電子系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文對上述3種典型大型民用飛機的IMA系統(tǒng)進行了詳細介紹和對比分析。在此基礎上,歸納總結(jié)了大型民用飛機IMA系統(tǒng)的關鍵技術,并對大型民用飛機IMA系統(tǒng)的發(fā)展給出了若干建議,希望能為我國大型飛機IMA系統(tǒng)的研制提供一定的參考價值。（本文作者：尤海峰、劉煜 單位：中國西南電子技術研究所）
