赵旭东

(北京蓝天航空科技股份有限公司，北京 100085)

飞机工程模拟机是飞机设计过程中的必要辅助工具，它更加直观地展现了飞机设计工程师的设计结果，提供飞机各系统沟通、协调的平台，满足飞机设计工程师与飞行员、飞机审定工程师对人机功效、实验验证等活动的沟通和讨论[1]。随着飞机工程模拟机的使用深入，关于飞机工程模拟机的重构理念被陆续提出，波音和空客在737和320系列机型上的升级设计均是在工程模拟机上进行，缩短了研制周期且降低了试飞风险[2]，公司承担了ARJ21飞机和C919飞机工程模拟机的研制和生产，在项目中积累了大量工程重构技术和经验，C919飞机工程模拟机在硬件上采用模块化的重构模式，在软件上采用自行开发系统化的仿真运行平台来支持飞机目前状态，同时预留未来扩展的需要。针对C919飞机工程模拟机的实际需求和验证需要，围绕驾驶舱布局结构重构、操纵组件结构重构、座舱设备匹配重构、仿真软件模型重构4个方面进行研究和应用。工程模拟机的重构技术应用，可以减少飞机制造商的成本支出，充分利用工程模拟机的使用价值，缩短飞机局部更改、升级的论证和研制周期[3]。未来飞机工程模拟机的可重构性能力必然是发展的趋势之一[4]。

1 飞机工程模拟机重构实现方式

将针对某型飞机工程模拟机的具体需求，在驾驶舱布局结构重构、操纵组件结构重构、座舱设备匹配重构和仿真软件模型重构4个方面初步探讨实现的方式。

1.1 驾驶舱布局结构重构实现

工程模拟机驾驶舱布局重构建立在飞机驾驶舱结构的基础上，在一定的范围内实现驾驶舱环境的重构。主要包括主仪表板内容重构、中操台设备重构、顶部控制板重构[5]。以C919飞机工程模拟机为例，主仪表板初始设计为4块15 in液晶显示器为显示单元，提供指示系统的内容信息，为便于后续显示信息和信息组合方式的调整需要，该型模拟机采用2块31 in液晶显示器进行替代，如图1所示。同时，由初始设计的4路图像和信息输入，调整为2路图像和信息输入，同时保证单个显示器中双图像的字符、页面信息、组合方式等内容的快速调整和独立控制。

图1 主仪表板布局图

中央操纵台和顶部控制板的重构主要是设备安装位置变更和设备的扩展。为满足重构需求，中央操纵台的实现由整体骨架生产调整成部组件组合式生产，相关组件预留安装界面，保留部组件调整和更换的能力；顶部控制板整体结构与座舱框架进行交联，保留整体更换的能力，顶部控制板全部采用丝轨和快卸螺钉方式安装，同时预留一定的扩展空间。同时，为了满足试验设备的快速更替，对应的接口系统采用智能的网络化接口，自动识别设备的配置属性，采用虚拟总线的方式，大幅减少设备更换产生的接口及驱动信息的更改。

1.2 操纵组件结构重构实现

民用飞机的操纵组件通常分为侧杆操作和杆盘操作两种方式，为了满足在同一工程模拟机上可以实现两种方式的操纵方式互换，需要在模拟机上同时布置两种机构。在结构实现中，两种实现机构都要安装布局，同时采用便利的方式进行结构拆换和电气与软件切换，结构安装布局如图2、图3所示，侧杆可以在左右侧操纵台进行移除和杆头样式的更换，杆盘结构可以在座舱地板连接处进行快速安装和分离，同时保证结构安装间隙。侧杆和杆盘模式对应的不同操纵控制系统采用独立的两套系统，但都可以和相关的飞机、动力、航电系统无缝对接，且保证版本的自动记录和保存。

图2 驾驶舱平台上安装中央操纵杆(盘)位置示意图

图3 左操纵台上安装侧杆位置示意图

1.3 座舱设备匹配重构

工程模拟机的座舱设备实现通常采用飞机装机件和仿真件两种方式[6]，为实现这两种飞机设备的驱动和功能，需要有效的接口系统予以支撑。接口系统设备及软件要具备自动识别接入设备，自适应数据信号类型进行数据传输的能力，从而实现与设备位置重构、扩展重构的匹配[7]。该项目中采用公司自行开发的iSim和Simio系统化开发和运行平台。

某型飞机工程模拟机采用了仿真接口控制软件Simio和仿真接口控制主机服务软件单元IOServer Unit来实现，接口实现原理如图4所示。Simio软件运行在接口计算机中，主要实现接口板卡通道初始化设置、接口板卡通道读写、与主控计算机上的IOServer Unit软件进行网络数据通信等功能。Simio软件在启动过程中通过加载配置文件Config.xml来确定本次运行所驱动的板卡通道类型和数量，根据配置文件中的设定对接口板卡进行初始化设定，Simio软件与IOServer Unit之间的通信协议是基于以太网UDP协议的可扩展的IO数据包协议，能够自动适应不同板卡通道类型和数量所对应的板卡通道数据的传输。IOServer Unit软件仿真单元运行在主控计算机中，主要实现板卡通道数据与其他各仿真系统软件变量数据之间的对接。IOServer Unit软件在启动的时候加载接口配置文件IoConfig.xml，建立板卡通道数据与SDN变量数据之间的映射关系。一方面对Simio软件发送过来的板卡通道采集数据进行拆分解码，更新到对应SDN变量中输出给其他仿真软件进行计算;另一方面将其他仿真软件计算生成的SDN变量数据按照映射关系进行组码，形成发送给Simio软件的板卡通道控制数据。当板卡通道变化或者映射关系发生变化的时候可以通过在线修改接口配置文件实现重构。

图4 接口系统工作原理

1.4 仿真软件模型重构

工程模拟机的仿真软件模型重构以及驾驶舱布局重构、操纵组件重构、座舱设备匹配重构需要强大的仿真实时管理平台进行支撑和实现，某型飞机工程模拟机采用iSim仿真运行平台进行开发和运行。

工程模拟机仿真软件涉及的飞行系统、动力系统、控制系统等软件的重构基于版本构型管理、算法重构、数据重构的因素实现，要求相关仿真软件均采用统一平台的模型化、数据分离、可配置化的原则进行开发与实现，便于工程模拟机的软件、模型和数据的修改、替换、对比和验证等功能的多次实现。

主仪表板内容重构基于显示系统模块化概念，底层采用2块31 in液晶显示器作为通用硬件平台，执行程序算法及数据接口采用标准化设计，应用层使用VAPS XT软件进行开发，采用“窗体化”的概念开发仿真仪表画面和虚拟驾驶舱框架，通过结构化的窗体部件(widget，同一个widget可应用于不同的层(Layer))，保证了画面窗口尺寸、显示页面线条、颜色变更灵活切换等需求。

2 支撑重构的实时仿真运行平台

工程模拟机可重构技术的实现，必须具备满足不同软件格式的兼容性，与接口软件、飞机供应商软件等的快速匹配性[8]，同时具有人性化的在线修改、替换的人机界面。根据iSim平台软件多年不同型号工程模拟机的研制和使用，在与客户的合作中，持续开发和完善。为满足工程模拟机可重构的这一特殊需求开发的仿真软件平台，服务于仿真系统和仿真软件的代码编写、编译、运行、测试、集成联调和升级维护的全过程。可以在iSim仿真平台上基于相同的平台基础仿真库，采用相同的IDE，运用相同的开发调试工具，各自独立地完成仿真软件的代码编写、编译、运行、测试和调试工作，然后将开发阶段的成果以“零”代码修改或者二进制执行码的方式进入到集成联调。集成联调过程中面对的平台基础仿真库、IDE、调试工具与开发阶段完全一致。

iSim仿真平台基于层次化管理和模型组织管理的共性，主要包括集成式开发环境IDE、仿真运行平台库、仿真执行软件、实时调试监控工具软件、数据库和配置管理工具，主要包括Windows和Linux，并可根据需要扩展到其他操作系统。其中，IDE环境、数据库和配置管理工具都基于开源软件进行构建。iSim平台配备的实时调试监控工具在Windows操作系统上运行，提供调试和监控的手段。仿真运行平台库提供了iSim仿真平台的所有核心组件，是iSim仿真平台的核心，它从仿真模型中抽象了操作系统和实时关键组件，允许在不同的模拟机设备类型之间扩展，对仿真软件在软件结构和数据接口方面强制执行标准。iSim仿真平台库的构成组件包括：操作系统抽象层、仿真内核、仿真单元、共享数据网络和仿真环境接口，如图5所示。

图5 仿真运行平台原理示意图

仿真内核加载创建仿真单元和共享数据网络SDN，并对仿真单元软件的实时周期调用，对SDN进行管理。仿真单元是仿真软件的基本组织单位，也是在iSim平台中的以执行码复用的最小单元。仿真单元框架为所有的仿真软件提供了一个公共的软件组织模型，每个仿真单元都从仿真单元框架或者仿真单元框架的派生类进行派生，具备仿真单元框架中规定的调用接口和特性，使得仿真内核以标准的方式对各个仿真单元进行无差异化的调用和管理。

iSim执行软件基于iSim仿真运行平台库进行开发，是所有仿真单元加载的入口，在启动过程中通过读取仿真软件配置文件读取仿真内核运行配置参数和仿真单元配置参数，动态创建仿真内核和仿真单元，并驱动仿真内核和仿真单元按照配置参数进行调用执行。在这种统一技术架构下，无论是程序训练器还是全动模拟机，不同级别的仿真训练设备的仿真软件都可以直接应用，可以实现最大程度的复用。

SDN共享数据网络是iSim平台的基础，完成仿真单元之间的数据分发管理，如图6所示。SDN将对仿真单元之间的交联数据和请求消息进行统一组织管理，使得交联数据和请求消息从无序变成有序化，并最终成为运行时可定位、可访问的共享数据库；同时使仿真单元之间的交联关系不再依靠全局变量，从实际意义的全局变量转换为逻辑意义上的字符串描述。

图6 共享数据网络原理示意图

仿真单元软件内部不再定义外部变量，而是通过SDN提供的发布和订阅标准接口转为逻辑含义字符串的比较和对接，只有仿真模块名称(字符串)、变量名称(字符串)和单位量纲(字符串)完全一致，订阅和发布关系(输入和输出)才能成立，一旦订阅和发布关系确立，则SDN在订阅和发布方之间建立虚拟连接，自动将发布方的最新数据传输给订阅方。

在进行SDN订阅和发布的时候，允许在运行配置文件中配置重定向信息，将代码中确定的SDN描述(模块名称、变量名称、单位量纲)重新按照配置文件中描述的新定向信息进行对外发布和订阅。这个功能对于仿真单元复用以及现场集成联调十分有用。SDN通过自身的数据分发协议使得SDN具备跨计算机和跨操作系统平台进行自动同步传输的特性，仿真单元面对的唯一数据接口就是SDN的订阅和发布接口，除此之外无需关心其他仿真单元运行的物理位置和软硬件环境。iSim仿真平台的网络系统基于高速以太网技术，目前多采用1000 Mbit/s以太网。SDN协议采用TCP协议作为主要的网络传输协议来保证数据的安全性。

iSim仿真平台为航电系统仿真提供虚拟总线的功能，虚拟总线提供总线数据变量元素的操作功能，同时建立总线节点之间的连接关系，构建从变量端到变量端的透明传输。配合航电总线硬件激励功能，便于切换仿制件和激励的装机航电设备。目前的航电总线包括CSDB总线、ARINC429虚拟总线、ARINC708虚拟总线、STD1553B虚拟总线等协议[9]。

3 结束语

结合近几年来工程模拟机的具体使用需求，提出了工程模拟机重构内容的初步解决方案，同时重点阐述了仿真运行平台对模拟机设备调整、接口通信的快速匹配、软件模型重构的重要支撑作用。随着我国航空产业的快速发展，飞机机型体系化的建设需要更多符合实际需要的辅助工具，工程模拟机是其中不可或缺的设计、验证手段，同时可以节省研制过程中的风险、周期和费用，未来工程模拟机的应用前景会越来越广[10]。