ГосНИИАС
О координаторе проекта
Итоги
Аналитика
Карта проекта
Русская версия
Домашняя страница
English version
Написать письмо
От модельно-ориентированной разработки систем авионики
к принципу Plug & Fly
Новости/ > 2018/ > От модельно-ориентированной разработки систем авионики к принципу Plug & Fly/
От модельно-ориентированной разработки систем авионики к принципу Plug & Fly
10 октября 2018 Что, если бортовые вычислители можно было бы снять с полки и поставить на самолет, а они бы автоматически себя сконфигурировали? Что, если разработка системных функций могла бы ограничиться чистым функционалом, а безопасность являлась бы автоматическим приложением к нему? Разве это не позволило бы обеспечить передовыми технологиями и комфортом те транспортные средства, где комплексная цифровая безопасность недоступна сегодня, в том числе воздушные суда малой авиации, беспилотники и даже автомобили?

Это перспективное видение исследовательской группы из немецкого Штутгарта, посвященное так называемой Plug & Fly авионике.

Стандартизация авионики снизила стоимость ее разработки, уменьшила вес и объем бортовых блоков. Самым популярным представителем такого оборудования является интегрированная модульная авионика (ИМА). Этот очень успешный класс современных систем, на сегодняшний день ставший стандартом де-факто, имеет некоторые нерешенные проблемы. Очевидно, здесь существует необходимость в упорядочивании конструктивных форм, в усилиях по квалификации и по определению степени интеграции конфигурации.

Можно мечтать о продвинутых автоматизированных системных функциях, которые могут быть весьма многообещающими, свободно предоставляя необходимый уровень безопасности, квалификации, интеграции и конфигурации. Однако неясно, будут ли такие желания когда-либо полностью осуществимы, поэтому и появилась долгосрочная исследовательская тема в штутгартском Институте авиационных систем (Institute of Aircraft Systems, ILS — прим. ред.), названная «Plug & Fly авионика».

На пути к Plug & Fly должны быть решены многие проблемы, касающиеся технологии и квалификации. По некоторым вопросам решения уже были предложены, например, рекомендовалось использовать гибкую платформу авионики, адаптивную платформу авионики или автоматизированную оптимизацию архитектуры авионики. По другим вопросам предложенные концепции оцениваются в настоящее время. >>>
>>> В этой статье кратко изложены современные исследования, проведенные ILS, и их результаты, а также показано, как текущее направление развития бортового оборудования должно привести к Plug & Fly авионике. Промежуточным результатом является модель открытой архитектуры авионики (Open Avionics Architecture Model, OAAM — прим. ред.)

На каких проблемах сфокусированы исследования

Основная мотивация данных исследований заключается в том, что время и деньги, необходимые для разработки критически важных с точки зрения безопасности цифровых систем, часто должны умножаться на 100 по сравнению с аналогичным процессом для некритичной по безопасности функции. Поэтому электродистанционная система управления, которая уже десятилетия используется в гражданской авиации, по-прежнему практически недоступна в авиации общего назначения. В центре исследовательской программы оказался модельно-ориентированный подход к планированию, разработке, интеграции и испытаниям систем авионики, позволяющий сократить прикладываемые усилия и сделать современные цифровые критически важные по безопасности системы доступными там, где они сегодня недоступны.

Автоматизированная оптимизация систем авионики

Современный комплекс авионики гражданского самолета имеет приблизительно 4000 функций, 100 типовых бортовых вычислителей, а также 2000 датчиков и силовых приводов. Эти цифры растут с каждым следующим поколением воздушных судов, поэтому ручное проектирование и оптимизация систем вряд ли возможны. Однако многие проектные задачи при создании систем авионики могут быть сформулированы как вопросы комбинаторной оптимизации. Цель состоит в том, чтобы найти необходимые математические представления, которые позволяют эффективно решать проблемы размера реальных архитектур и объединять множество противоречивых технических требований. Один такой метод был разработан на основе проблемно-ориентированной модели архитектуры авионики и принципа гладкого перехода в задачах многоцелевой оптимизации. Решенными вопросами являются, например, распределение функций, оптимизация топологии сети и определение размеров устройств. Исследования на реальных транспортных средствах показали скрытый потенциал улучшения до 30%. >>>
>>> Автоматизированная модельно-ориентированная реализация критически важных по безопасности систем (гибкая платформа авионики)

Авионика новейших самолетов включает в себя приблизительно 50 систем, для которых требуется резервирование и компенсация возможных отказов с целью обеспечения необходимого уровня безопасности. Однако так называемый компонент управления системой практически не используется повторно. Само управление включает в себя устранение ошибок, обнаружение неисправностей и контроль избыточности. В качестве упрощения этой схемы была разработана гибкая платформа авионики. Она включает в себя симбиоз характерного для данной бортовой системы оборудования, связующего ПО и высокоавтоматизированного модельно-ориентированного процесса разработки. Спецификация системы авионики создается с помощью формальной модели, на базе которой реализация, конфигурация и испытания выполняются путем модельных преобразований. Системные функции задаются без резервирования. Необходимое резервирование, мажоритарная выборка и контроль добавляются автоматически. Это значительно снижает затраты на разработку. Такой гибкий подход позволил оборудовать электродистанционной системой управления два типа самолетов авиации общего назначения. Оба этих типа имеют допуск к полетам. Текущая научно-исследовательская работа направлена на создание автоматизированной генерации тестов и квалификационных документов в рамках так называемого процесса AAA (Advanced Aircraft Analysis, комлексный анализ характеристик воздушного судна — прим. ред.), нацеленного на квалификацию DAL A (Design Assurance Level A, уровень гарантии проектирования A — прим. ред.) всей платформы.

Авионика с автоматическим конфигурированием (адаптивная платформа авионики)

Интеграция системы авионики, состоящей из типовых вычислителей, требует, как правило, установки миллионов параметров конфигурации, которые фиксируют модули и информационные шины на определенных позициях. Определение и подтверждение конфигурационных параметров составляют значительную часть времени и бюджета, выделенных на процесс разработки. Это справедливо не только для ИМА-систем, где у нас есть резервные системные структуры и процесс конфигурирования имеет высокую степень параллелизма, но даже больше для систем салона самолета, где для каждой из них мы имеем большое количество вариантов даже в пределах одного и того же типа воздушного судна. Кроме того, система в салоне подвергается частым изменениям и обновлениям. >>>
>>> Эти проблемы решаются с помощью авионики, обладающей автоматическим изменением конфигурации. Адаптивная платформа авионики состоит из модулей, которые обнаруживают свою топологию соединений и подключенные периферийные устройства, пока активен диспетчер конфигурации. Для работы с информацией модули применяют формальную модель знаний. Используя данные из этой модели, автоматически создаются драйверы, приложения и средства связи. После завершения работы диспетчера конфигурации система авионики ведет себя как статически настроенная, получив некоторую исходную отказоустойчивость. Адаптивная система управления конфигурацией салона (Adaptive Cabin Management System, ACMS — прим. ред.) была создана для обеспечения нормальной работы оборудования примерно через две минуты после запуска процесса автоматического конфигурирования и практически без участия человека.

Будущее: авионика Plug & Fly

Авионика Plug & Fly — это концепция платформы авионики, которая полностью и автоматически настраивается с точки зрения конфигурации, управления отказами и квалификации. Как показано на рисунке справа, такая платформа состоит из модулей, которые динамически определяют топологию подключений, предоставленные возможности и фактическое потребление ресурсов. Руководство осуществляется из общего управляющего центра платформы. Этот управляющий центр самодостаточен в смысле принятия надежных решений по части распределения функций, резервирования и реконфигурации. Чтобы такие решения были приняты, помимо знания топологии необходима информация о надежности аппаратных средств, задержках и синхронизируемости. Функции для Plug & Fly системы должны определяться иначе, нежели это принято делать традиционно. Такая функция должна состоять из блоков, предварительно оцененных на соответствие техническим условиям, и содержать информацию об условиях отказа, максимальной вероятности его возникновения и его распространении. Как и в случае с гибкой платформой авионики, здесь должно быть простое и достаточное определение системной функции, то есть чистой функции без резервирования или управления отказами. Что касается безопасности, то эта роль делегирована самой платформе путем получения соответствующего системного контроля и резервирования. Текущие исследования направлены на формирование технических основ платформы Plug & Fly, то есть принципов обнаружения топологии подключений, алгоритмов автоматической конфигурации и формальных управляющих моделей. Первым результатом будет модель открытой архитектуры авионики (OAAM), разработанная для понимания принципа Plug & Fly вообще и его языка определения функций в частности. >>>
Структура модели открытой архитектуры авионики, состоящая из девяти слоев
>>> Модель открытой архитектуры авионики

Задача заключалась в том, чтобы получить формальную модель, которая в достаточной степени определена для целей компьютерной обработки, но при этом достаточно универсальна с точки зрения описания не только всех современных технологий авионики, но и перспективных технологий, таких как оптическая или беспроводная связь. Решением этой задачи стала модель открытой архитектуры авионики, представленная на рисунке слева. OAAM поддерживает архитектуру авионики по части программного и аппаратного обеспечения, а также физической установки (структуры). Кроме того, она включает в себя всю информацию, необходимую для принятия решения о валидности этой архитектуры, в частности, данные о предоставленных ресурсах и ограничениях с точки зрения безопасности и производительности.

OAAM универсальна, поскольку базовые блоки построения архитектуры определены в модели, то есть ресурсы, возможности и внутренний состав любого оборудования или типа соединения описываются в общем виде. Девять уровней OAAM поддерживают традиционный процесс разработки. Так как они почти независимы, то допускают параллельное моделирование системы авионики. Таким образом, OAAM жизнеспособна не только в качестве онлайнового центра управления Plug & Fly, но и как оффлайновый планировщик и оптимизатор архитектуры бортовых систем. OAAM основана на свободно-распространяемом фреймворке, созданном на базе интегрированной среды разработки Eclipse, и языке метамоделирования ECORE. Используются только те концепции моделирования, которые приводят к детерминированным структурам, допускающим их интеграцию в критичную по безопасности встроенную систему. Модель и OAAM-фреймворк Eclipse (рисунок справа) доступны в качестве открытого ПО по адресу www.oaam.de>>>
>>> Заключение

Модельно-ориентированные подходы могут облегчить процесс разработки критически важных с точки зрения безопасности цифровых систем авионики. Гибкая и адаптивная платформы авионики, а также оптимизация архитектуры позволили достичь значительных упрощений, но конечной целью является авионика Plug & Fly. С помощью OAAM в этом направлении был сделан первый шаг. Тем не менее, ожидается, что пройдет еще более десяти лет, прежде чем мы увидим реализацию принципа Plug & Fly на борту. Одной из самых больших проблем в данной области является безопасная, надежная и квалифицированная работа Plug & Fly систем. Традиционный процесс сертификации здесь может быть применен только на начальном этапе. Для всех дальнейших алгоритмов автоматической конфигурации должны быть разработаны компетентные методы самоконтроля и приемлемые способы их соблюдения.

Более подробную информацию можно получить на сайте:
http://interactive.aviationtoday.com/avionicsmagazine/august-september-2018/
from-model-driven-avionics-system-development-to-plugandfly-avionics/
.

Поиск по проекту
Искать!
© 2018 Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем. Все права защищены. Условия использования информации.