張悆晅

（上海飛機制造有限公司，上海 201324）

1 民用飛機綜合航電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

本文以波音787和空客A380的綜合航電系統(tǒng)為例進行現(xiàn)狀分析。

1.1 波音787

波音787的綜合航電系統(tǒng)采用開放式CCS結構，具體構成為CDN（通用數(shù)據(jù)網(wǎng)）、CCR（通用計算設備）、RDC（遠程數(shù)據(jù)采集器）等，構成相對復雜，結構成分較多。其中，通用計算設備的機柜中安插若干個GCM（通用處理模塊）、通用數(shù)據(jù)網(wǎng)（每秒100兆字節(jié)）以及LRM（可更換模塊）。波音787的綜合航電系統(tǒng)還整合了非傳統(tǒng)航電系統(tǒng)的處理與控制功能，具體包括燃油、環(huán)控、防火、電源、起落架、液壓、防冰、艙門系統(tǒng)等。除此之外，其計算機系統(tǒng)以ARINC 653為標準進行設計，以此控制系統(tǒng)改變流程期間的成本投入，同時提高系統(tǒng)的兼容屬性，為日后迭代優(yōu)化等工作提供支持。該民用飛機的綜合航電系統(tǒng)中還采用了網(wǎng)絡技術以及與其相兼容的技術，由此可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確、高效傳遞。數(shù)據(jù)鏈由核心網(wǎng)絡、孔底數(shù)據(jù)鏈和通用核心系統(tǒng)組成，主要負責外界數(shù)據(jù)采集與上傳。其中，數(shù)據(jù)傳輸期間統(tǒng)一落實AFDX標準，依托于LED液晶顯示屏的使用以及工業(yè)標準GUI圖形界面的設計，滿足相關人員的數(shù)據(jù)查看與操控所需[1]。

1.2 空客A380

空客A380的綜合航電系統(tǒng)以IM A為主，所謂IMA，是指集成模塊化航空電子設備，同時輔以CTOS（商用貨架產品）技術和Integeity-178B操作系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)框架中，該飛機共使用32個IMA模塊，均屬于場外可更換模塊，分別應用于起落架、顯示系統(tǒng)、告警系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、引氣系統(tǒng)、電傳操縱系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等。對于該綜合航電系統(tǒng)的核心處理以及輸入、輸出模塊而言，其統(tǒng)稱為CPIOM，組成要素較多，構成成分包括PCI內部互聯(lián)板、中央處理器線路板、輸入線路板等。系統(tǒng)選用以ARINC 664（AFXD）標準為基礎的全雙工網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為全交換、100BASE-TX快速以太網(wǎng)以及全雙工構成，無須大量布線，數(shù)據(jù)傳輸速率較高?？湛虯380綜合航電系統(tǒng)的NSS（網(wǎng)絡系統(tǒng)服務器）是無紙化駕駛艙的核心，主要面向使用人員提供飛行日志、航空圖標等功能，操控人員通過加裝的LCD顯示屏即可得到相關信息數(shù)據(jù)[2]。

由此可見，當前民用飛機綜合航電系統(tǒng)均以開放式結構為主，整合使用了IMA和先進數(shù)據(jù)總線等技術，依托于網(wǎng)絡傳輸，系統(tǒng)的集成度和功能服務愈發(fā)先進。

2 分析民用飛機綜合航電系統(tǒng)技術特點 及關鍵技術

2.1 民用飛機綜合航電系統(tǒng)技術特點

2.1.1 系統(tǒng)為開放式結構

相較于以往的分布式結構，當前民用飛機綜合航電系統(tǒng)主要采用開放式結構，并結合飛機實際與需求對系統(tǒng)結構進行層次性劃分，每個層次均具有其標準接口，通過連接接口即可實現(xiàn)各項操作。綜合航電系統(tǒng)運用開放式結構，有助于各項功能服務的集成與綜合，有利于系統(tǒng)日后的升級更新與迭代優(yōu)化，便于CTOS等技術結合使用。除此之外，綜合航電系統(tǒng)容錯度加大，通過開放式結構的運用，其更為理想的容錯度可顯著提高飛機整體的安全可靠性。

在將開放式結構應用于民用飛機綜合航電系統(tǒng)時，需從接口、規(guī)范兩方面打好基礎。例如，根據(jù)系統(tǒng)的功能需求與特征選用標準模塊的機械接口、模擬和數(shù)字信號接口等，以此提高系統(tǒng)的適用性。對于民用飛機綜合航電系統(tǒng)而言，其開放式結構的特點主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)以開放式航電模塊平臺為基礎，含有PCI標準內部接口，采用UDP/IP和AFDX全雙工網(wǎng)絡傳輸，整個系統(tǒng)滿足IEEE 802局域網(wǎng)規(guī)范條件。在該技術組成下，能夠有效控制數(shù)據(jù)傳輸延遲，使其低于1 ms，獲得更為理想的信息交互效率。與此同時，可在現(xiàn)場更換功能模塊，只要符合軟件應用的標準接口要求即可[3]。

選用開放式結構搭建民用飛機綜合航電系統(tǒng)，能夠有效降低此類飛機航空電子制造成本、后期飛機改進和維護成本，同時能夠確保系統(tǒng)軟件和硬件之間互相獨立，避免在取證、系統(tǒng)修改設計等方面浪費太多時間，從而提高系統(tǒng)運行效率，合理降低飛機產品開發(fā)成本，盡可能地規(guī)避后期運行風險。

2.1.2 IMA模塊技術

所謂IMA模塊技術，主要是指以ARINC 600標準為基礎的技術。相較于傳統(tǒng)的LRU（外場可更換件），IMA選用的是綜合機箱方式，從而支持系統(tǒng)持續(xù)升級、迭代優(yōu)化。此項技術對系統(tǒng)提出相應的要求，即采用開放式、模塊化體系結構，具有較高的數(shù)據(jù)融合等處理計算能力，采用高度互聯(lián)通信網(wǎng)絡等。新一代航空飛行器為更好地完成信息數(shù)據(jù)、資源的共享與交互，多數(shù)選用高度綜合處理系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的運作下，無論是前端傳感器數(shù)據(jù)處理，還是后端處理結果顯示，整個流程均能實現(xiàn)全行點系統(tǒng)的高度綜合，而該系統(tǒng)結構的主要技術特征是使用核心處理平臺。核心處理平臺將系統(tǒng)綜合控制與管理、數(shù)據(jù)與信號綜合處理、飛機接口控制、戰(zhàn)術任務計算、系統(tǒng)健康管理等功能進行合理綜合，在執(zhí)行相關功能與任務時直接調用模塊即可。

民用飛機綜合航電系統(tǒng)中的IMA模塊應用使共用多個PSU（供電裝置）成為可能。一般情況下，LRU主要負責旅客服務組件、EMI（電磁干擾）屏蔽箱等功能的提供，在其運作過程中，這些功能成本占總成本三成到四成左右。故為有效控制功能成本，合理降低資源、能源投入，多數(shù)LRU采用的PSU為簡化版本。這樣雖然成本得到有效降低，但如果出現(xiàn)故障，簡化后的PSU下的LRU將失去全部功能。而在綜合航電系統(tǒng)中采用IMA技術模塊，則能夠在不增加成本的前提下保證系統(tǒng)的完整功能。以窄體噴氣客機為例，若是在其綜合航電系統(tǒng)中運用IMA技術模塊，能夠較原系統(tǒng)設計方案中飛機的質量減少160 kg。

IMA模塊技術作為民用飛機綜合航電系統(tǒng)中系統(tǒng)綜合及更高級別綜合的基礎，能夠有效地對系統(tǒng)進行整體化調整，使其轉變?yōu)槟K化結構，進而能夠靈活應對突發(fā)性故障。同時，其能夠適應新技術的結合應用，并自動化開展系統(tǒng)重構工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外，IMA模塊技術在民用飛機綜合航電系統(tǒng)中的應用也給子系統(tǒng)帶來較多益處，如無須在外場進行大量可更換組件的部署等，進一步降低了飛機的質量與系統(tǒng)部署的復雜性。

2.1.3 先進總線技術

AFDX總線優(yōu)勢突出，具體有：以IMA結構為基礎，支持多種功能集成應用；100 Mbps的全雙工通信速率；采用以太網(wǎng)協(xié)議；更高容錯度。先進總線技術可以為綜合航電系統(tǒng)提供有關容錯的雙余度，與此同時，通過在操作系統(tǒng)中配置相關表格，先進的總線技術還可以實現(xiàn)傳統(tǒng)架構與當前架構的數(shù)據(jù)傳輸與交換，如傳統(tǒng)架構LRU和IMA架構LRM之間的數(shù)據(jù)交互[4]。

2.2 民用飛機綜合航電系統(tǒng)關鍵技術

2.2.1 軟件綜合集成技術

民用飛機綜合航電系統(tǒng)功能完善。為支撐諸多系統(tǒng)功能，必然會運用到軟件集成技術，且從系統(tǒng)整體結構來看，軟件集成技術屬于關鍵性核心技術。實現(xiàn)軟件集成需對接軟件接口，而民用飛機綜合航電系統(tǒng)具有典型的開放式特征，可良好支撐綜合航電系統(tǒng)軟件集成技術的應用?，F(xiàn)階段，前沿民用飛機綜合航電系統(tǒng)多結合功能需求設置多個硬件模塊，因此，模塊化硬件平臺是民用飛機綜合航電系統(tǒng)的重要組成部分。但當代科技更迭較快，模塊化硬件平臺隨電子技術的進步而更新，而硬件平臺的更新則又促進了綜合航電系統(tǒng)的升級。為全面保障綜合航電系統(tǒng)功能，在硬件平臺更新的同時還需調整軟件系統(tǒng)結構，確保其可良好支撐民用飛機綜合航電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。結合該要求，航電系統(tǒng)需構建具有重塑重構功能的軟件框架，并應用可重復利用的應用程序組件。

綜合航電系統(tǒng)軟件共有三層，即應用層、操作系統(tǒng)層、模塊支持層。不同軟件層之間以標準化接口為紐帶進行交互，標準化接口封裝于下級軟件層內。應用層是民用飛機實現(xiàn)各類功能的軟件層，是軟件集成技術主要應用結構。應用層內集成多種功能軟件，不同功能軟件的應用場景、應用空間、應用時間均存在差異。為避免不同功能軟件之間發(fā)生沖突而影響綜合航電系統(tǒng)的運行，必須借助軟件集成系統(tǒng)加以調節(jié)，使不同功能軟件均可穩(wěn)定運行，杜絕軟件功能喪失等問題。操作系統(tǒng)層是各類功能軟件的運行平臺，是表現(xiàn)軟件集成技術功能效果的主要軟件層。在操作系統(tǒng)層內，可按照綜合航電系統(tǒng)所設定的功能軟件優(yōu)先切換與調度各類運行任務，以此保障重點功能的實現(xiàn)。結合現(xiàn)階段民用飛機綜合航電系統(tǒng)實際情況來看，VXWORKS653、Integrity、AOS是當前普遍應用的操作系統(tǒng)。模塊支持層與民用飛機綜合航電系統(tǒng)硬件直接關聯(lián)，屬于硬件資源訪問接口。其在運行期間主要提供模塊資源服務、自測試服務、時間服務、通信服務、加載服務等，用于完善綜合航電系統(tǒng)功能。

2.2.2 硬件平臺設計技術

（1）遠程接口單元。主要負責采集傳感信號、處理并輸出信號、輸出控制指令等。遠程接口單元支持多個功能模塊，憑借其網(wǎng)絡集成功能能夠實現(xiàn)與計算機處理平臺、網(wǎng)絡交換機的通信。

（2）以LRM為基礎的計算機處理平臺。采用若干個LRM將其組成IMA機柜，用于計算機輸入、電源輸出等，主要構成模塊有電源模塊、輸入/輸出模塊、計算機模塊。計算機模塊負責對系統(tǒng)平臺出現(xiàn)的各項任務進行處理，如處理數(shù)據(jù)、信號，或是提供電源轉換、存儲等功能；電源模塊負責電能供應，通過背板供電，保證IMA機柜的平穩(wěn)運作；輸入/輸出模塊，負責信號輸出、輸入以及信號類型的轉換[5]。

（3）網(wǎng)絡交換機。綜合航電系統(tǒng)采用雙工分組以太網(wǎng)交換機，在該裝置設備的運作下，通過以太網(wǎng)可以實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的快速轉發(fā)，保證目標端全面、準確地接收到相關數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)總線傳輸技術

新時期民用飛機綜合航電系統(tǒng)技術水平不斷提高，作為新一代綜合航電系統(tǒng)的關鍵技術之一，機載高速數(shù)據(jù)總線技術極大地提高了系統(tǒng)整體集成化程度。在將其應用于此類系統(tǒng)時，關鍵點是以實際需求為基礎研制并落實總線橋接器模塊與網(wǎng)關，從而兼容差異化的總線標準與傳輸能力。其中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)前提為通用的數(shù)據(jù)傳輸機制，要求總線具有較高的處理能力與吞吐率。為此，數(shù)據(jù)總線傳輸技術的設計使用要求主要體現(xiàn)在帶寬、實時性和可靠性三個方面。

（1）帶寬。以航電子系統(tǒng)能力、綜合功能水平高低為基礎準確確定帶寬需求，不僅要滿足民用飛機綜合航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求，還應具有一定的可升級余量。

（2）實時性。規(guī)定時間內完成總線數(shù)據(jù)在節(jié)點間的傳輸，以此保證整個網(wǎng)絡傳輸?shù)捻憫俣取?/p>

（3）可靠性。該指標主要指容錯能力，即總線通信不能因數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的某個節(jié)點故障而中斷，還能夠在冗余技術的運用下獲得更強容錯能力。

2.2.4 系統(tǒng)仿真實驗技術

基于計算機軟硬件的系統(tǒng)仿真實驗技術采用相似性原理方法和現(xiàn)代控制論，通過構建系統(tǒng)模型對系統(tǒng)開展解析或仿真試驗研究。對于民用飛機的綜合航電系統(tǒng)而言，其需要支持飛機符合現(xiàn)行飛機安全條例與適航條款要求，所以無論是關鍵技術選用、系統(tǒng)組成部分的設計，或是最終產品研制，均要在各個環(huán)節(jié)開展相應的檢驗工作，從而為滿足適航標準要求提供保證。因此，對于民用飛機綜合航電系統(tǒng)技術而言，需要經過嚴格驗證試驗，滿足飛機設計四性要求，從而確保綜合航電系統(tǒng)滿足適航標準。

3 結束語

綜上所述，民用飛機作為當前交通運輸系統(tǒng)的質要組成部分，其使用的綜合航電系統(tǒng)直接關系到飛機運行的安全可靠性。綜合航電系統(tǒng)能夠將功能、系統(tǒng)技術進行合理整合，從而減少電子設備的重量，便于后期維護與迭代升級，使系統(tǒng)、飛機可靠性均得到有效提高。同時，該系統(tǒng)也降低了飛行員的工作負擔，該系統(tǒng)的綜合已成為民用飛機航空電子的主要發(fā)展趨勢?！?/p>