(一)技术领域
[0001] 针对电传飞行控制系统的研制活动，本
发明涉及一种支持电传飞行控制系统设计、验证与确认的开放平台(本文称之为“软
铁鸟”)，属于系统工程技术领域。(二)背景技术
[0002] 现代飞机已经广泛采用了电传飞行控制系统，如美国的F-16和F-18战机、俄罗斯的Su-27和Su-30战机，以及我国的歼10战机等。电传飞控系统是指利用电气
信号形式，通过电线(
电缆)而不是机械杆系实现驾驶员对飞机运动进行操纵的控制系统。为了确保电传飞机的研制成功，新机研制必须建立一个系统综合与试验环境，以全面检查和验证电传飞行控制系统的各项性能指标，这个环境称为铁鸟台试验环境。型号(如F-16和歼10战机)研制经验表明：铁鸟台试验的确能有效减轻空中飞行试验的压
力，是电传飞行控制系统地面试验中不可代替的一环。
[0003] 目前电传飞行控制系统的研制遵循“设计-开发(制造)-验证-更改设计”的
迭代式流程(如图1.1所示)，其主导思想是设计的逐步求精。然而，目前技术手段中的设计环境，、开发/制造环境与综合验证环境之间存在明显不一致性，如飞行控制律的设计环境Matlab(Matlab是一种功能强大的数值计算
软件，是国际控制界公认的标准计算软件，在数值计算方面用的最为广泛。它带有的Simulink
软件包是一个支持交互式操作的控制系统建模、仿真、分析集成环境，能够强有力支持控制系统的建模、仿真和性能检验。2002年夏天推出的6.5版，其最大特点是采用了
加速器技术，使Matlab的运算速度有了很大提高。该软件完全胜任支持本发明技术方案中的系统建模、仿真和验证等工作)、飞行控制律软件开发环境VisualC++6.0集成环境、铁鸟台综合试验环境这三者之间存在明显差异。这种差异与先实现(开发或制造)后验证的研制思路，共同导致飞机型号研制周期长(例如，歼10战机的研制花费了20年)、代价高、
风险大(若干型号研制失败，如歼9战机)。
[0004] 而且，与早期电传飞行控制系统(如F-15战机的飞行控制系统)相比，新一代电传飞控系统(以F-22战机和波音787客机的飞控系统为代表)具有三个显著的特征：1)系统愈加复杂；2)机载软件的作用更加突出；3)系统的非功能(安全性、可靠性和自主性等)需求更加严格。这种背景下，针对电传飞行控制系统的设计，若继续沿用先实现(开发或制造)后验证的研制思路和现有的系统设计、开发与验证环境，则型号研制周期长、成本高、风险大的问题也会更加突出。
[0005] 这种背景下，针对电传飞行控制系统的研制活动，本发明给出一种支持电传飞行控制系统设计、验证与确认活动的开放平台，即软铁鸟。借助于软铁鸟可以在统一环境中，进行电传飞行控制系统的设计、验证与确认活动，并贯彻先验证后求精的研制思路。因而，可以有效缩短电传飞行控制系统设计更改的周期，降低设计更改的成本和设计风险。(三)发明内容
[0006] 1、目的：本发明的目的是：针对电传飞行控制系统的研制活动，提供一种支持电传飞行控制系统设计、验证与确认的开放平台(其本身是复杂的软件系统)，它可辅助飞行控制系统工程师进行电传飞行控制系统的需求分析与确认、系统整体设计与设计方案的验证、系统
硬件设计、
系统软件工程化研制和系统级全数字化、全任务仿真测试和验证(图1.2结合现代电传飞行控制系统的研制流程，描述了软铁鸟的功能)，以克服现有研制环境带来的研制周期长、成本高、风险大等问题。借助于该平台研制飞行控制系统，可以贯彻“先验证后求精”(而不是逐步求精)的研制思路；可以依次对系统需求，系统设计和飞行控制软件进行充分的数字环境下的仿真验证和确认(这些验证在铁鸟台试验前，如图1.2所示)。借助于软铁鸟研制电传飞行控制系统，能够有效缩小系统设计/开发环境和验证环境的差异，进而缩短研制周期，减小设计更改引起的开销和设计风险，并保证研制
质量。
[0007] 2、技术方案：本发明一种支持电传飞行控制系统设计、验证与确认的开放平台，是由五个功能模
块组成，它们是：1)电传飞行控制系统需求分析、验证与求精的环境模块；2)电传飞行控制系统设计、验证与确认环境模块；3)电传飞行控制系统硬件设计环境模块；4)飞行控制
软件工程化研制环境模块；5)电传飞行控制系统系统级全数字化、全任务仿真测试和验证环境模块。
[0008] 所述电传飞行控制系统需求分析、验证与求精的环境模块，是提供飞控系统需求
知识库，需求验证环境和需求细化工具，以支持飞控系统需求定义活动；
[0009] 所述电传飞行控制系统设计、验证与确认环境模块，是支持现代飞控系统多模态控制律设计、可靠性/余度设计、飞行控制计算机、组合伺服
舵机、
传感器、控制显示在装置、机内自检测模块、
接口控制等组件的设计，并提供设计方案的全数字化仿真与验证环境，以检验当前设计是否满足要求；
[0010] 所述电传飞行控制系统硬件设计环境模块，是利用硬件描述语言(VHDL)来描述飞控计算机硬件和SLTCC(系统级的计时、控制和配制)模型，以支持飞控系统硬件设计；
[0011] 所述飞行控制软件工程化研制环境模块，是为软铁鸟提供飞控软件工程化研制环境，功能涵盖飞控软件的需求分析，软件设计，开发、测试、综合与验证确认等活动；
[0012] 所述电传飞行控制系统系统级全数字化、全任务仿真测试和验证环境模块，是可以对飞控系统进行全任务、全系统仿真测试的模块，利用该模块可以发现设计的
缺陷和不足。
[0013] 软件体系结构(software architecture，SA)为复杂软件系统的设计和开发提供了很好的理论和方法支持，它已经被广泛应用于实际的大型复杂软件系统，并取得了良好的效果。软铁鸟本身的设计和研制应当遵循先进的软件设计和开发思想：基于软件体系结构理论，设计软铁鸟的体系结构，建立特征模型；针对主要的开发/验证活动设计软铁鸟相应构件的体系结构。考虑到软铁鸟的主要功能和其领域特定体系结构，我们这里用概念视图、执行视图(软件体系结构常见的视图形式)这两种不同的视图来刻画软铁鸟的体系结构。概念视图用来
指定软铁鸟整体的概念构件和连接子，用飞控领域的术语来描述软铁鸟要解决的问题以及涉及的领域特定软硬件。执行视图(典型的执行视图如图3所示)则负责描述软铁鸟各模块之间的控制流，以及每个模块之间的依赖和调用关系。下面将简述这两种视图，以描述所述软铁鸟系统各个模块之间的
位置关系和数据流向关系。
[0014] 图2给出了软铁鸟的概念体系结构视图，其中系统需求分析、验证与求精环境，系统设计、验证与确认环境，硬件设计环境，软件工程化研制环境，系统全任务、全数字化的仿真测试和验证环境这五个主要功能映射为
数据中心、
专家系统(知识库)、飞控系统设计环境、验证仿真模块、模型验证仿真通用计算引擎及
数据总线等六个功能构件和相应的连接子。这些功能构件要解决的问题分别是：
[0015] 数据中心主要提供三类
数据库的存储和查询功能：需求/设计模板数据库、飞机参数数据库、用户数据库。其中需求/设计模板数据库存储着飞控系统从需求分析、系统设计、系统研制等活动中各种对象的元模型模板；飞机参数数据库主要存放仿真验证所需的飞机参数和大气等环境参数；用户数据库则存储所有由用户设计实现的需求、模型、设计方案、代码以及验证确认活动的结果等信息。
[0016] 专家系统存储着各种现有的飞控系统需求分析和设计、验证过程的相关专家知识，即设计准则等规则信息。通过和数据中心的模板数据进行融合计算，可以分别为飞控系统设计环境提供需求分析、系统设计、软件研制、硬件设计等方面的专家知识支持。
[0017] 飞控系统设计环境是一个集成了现有飞控系统需求分析工具、需求细化工具、各子系统设计工具(如多模态控制律子系统的设计工具Matlab/Simulink)、飞控系统现有软硬件设计环境的综合平台。该平台贯彻先需求验证后需求求精，先方案验证后方案求精的设计理念，各个设计环节的最终输出都基于专家系统和数据中心联合给出的需求/设计/研
制模板，通过模型转换统一转换为可验证构件，可以单独进行验证或者加入子系统进行集成验证，而不需要等到最终的铁鸟台试验阶段才进行整体验证。因此，缩短了“设计-验证-更改设计”的周期，提前消除潜在的设计缺陷，从而提高了需求分析及设计活动的效率。
[0018] 验证仿真和确认模块集成了飞控系统需求分析、系统设计、子系统研制、总体验证等各个阶段的验证和确认模块，为各个阶段的先验证后求精活动提供
支撑。其核心的验证和确认功能由模型仿真验证通用计算引擎实现，后者是软铁鸟整个系统的底层构件，承担着各种需求、设计、代码的模型转换、模型验证、系统仿真的计算工作。验证和确认模块最大的特点是开放性，即各种验证活动都是在一个统一的
框架下进行的，用户只需要提供相应阶段验证活动的被验对象及验证需求，即可在各层次设计阶段使用统一的验证平台对其被验证对象的各种特性和需求实现情况进行验证。借助硬件在环仿真接口和全数字系统仿真技术，验证仿真模块在飞控系统总体验证阶段，提供了一种集成化的全系统、全任务、全数字的验证与确认环境，以弥补铁鸟台试验环境的不足，减小铁鸟台试验的压力。另一方面，由于验证仿真模块具有相当好的开放性，通过验证平台的二次开发，可以实现对实时性、安全性等非功能需求的验证。
[0019] 图3描述了软铁鸟各模块之间的控制流，以及每个模块之间的依赖和调用关系，具体解释如下：
[0020] 所述系统的需求分析、求精与验证功能模块接受来自四个数据库(也称为资源容器)的设计数据。这四个数据库分别是：1)对象需求模板数据库及专家系统数据库中的需求模板和设计准则，2)飞机参数数据库，3)模块参数数据库，4)设计设计数据库。该模块通过调用计算引擎，来实现对需求的仿真与验证功能，其输出信息(确认的需求)是下述系统设计功能模块的输入数据之一。
[0021] 所述系统的设计、验证与确认模块，它包括系统设计和系统设计方案全数字化验证与确认这两个子模块(这两个模块在图3中单独表述出来)。系统设计子模块调用的数据(输入数据)包括来自五个数据库的数据和需求分析模块的输出数据。这五个数据库分别是：1)飞机参数数据库，2)模块参数数据库，3)设计数据库，4)对象概要设计模板数据库及专家系统，5)对象详细设计模板数据库及专家系统。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现迭代设计中的验证功能。
[0022] 系统设计模块的输出数据(设计结果)是系统设计方案全数字化验证与确认模块的输入数据之一。
[0023] 系统设计方案全数字化验证与确认子模块的输入数据来自两个方面：设计数据库的数据和设计子模块的输出数据。另一方面，系统设计方案全数字化验证与确认子模块通过调用计算引擎，来实现其对设计方案的仿真验证功能；而该模块的输出数据是下述软铁鸟硬件设计模块和飞行控制软件工程研制模块的输入数据之一。
[0024] 所述系统的硬件设计模块调用的数据(输入数据)包括来自五个数据库的数据和系统设计、验证与确认模块的输出数据，这五个数据库分别是：1)设计数据库，2)实现数据库，3)实物、半实物资源库，4)对象硬件接口模板数据库及专家系统，5)验证及测试信息数据库(用于记录验证数据，以保证测试与验证效率)。该模块的输出数据(设计结果)是下述系统级全数字化全任务仿真测试和验证模块的输入数据之一。
[0025] 所述系统的软件工程化研制模块调用的数据(输入数据)包括来自三个数据库的数据和系统设计、验证与确认模块的输出数据，这三个数据库分别是：1)设计数据库，2)对象代码接口模板数据库及专家系统，3)验证及测试信息数据库(用于记录飞行控制软件的验证数据，以保证其测试与验证效率)。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现其对软件设计方案的验证和对
软件代码的测试与验证功能。该模块的输出数据(设计结果)是下述系统级全数字化全任务仿真测试和验证模块的输入数据之一。
[0026] 所述系统的系统级全数字化、全任务仿真测试和验证模块调用的数据(输入数据)包括来自两个数据库的数据、硬件设计模块的数据、软件工程化研制模块的数据，这两个数据库分别是：1)实现数据库，2)
半实物仿真连接子相关数据。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现其对电传飞行控制系统的综合仿真验证。该模块的输出数据(设计结果)将写入验证及测试信息数据库(用于记录验证数据，以保证测试与验证效率)。
[0027] 3、优点及功效：采用软铁鸟进行飞行控制系统的研制，具有五个方面的优点：
[0028] (1)研制过程中，可以贯彻先验证后求精的研制思路。具体包括先需求验证后需求求精，先方案验证后方案求精的设计理念。与逐步求精的理念相比，先验证后求精的研制思路可以有效降低系统研制风险。
[0029] (2)借助于软铁鸟提供的各层次仿真验证功能模块，可以加强对新一代飞行控制系统的验证力度，从而有效保证系统的设计指标(包括功能上的指标和非功能上的指标)。仿真验证功能模块具体包括需求分析阶段的需求验证、系统设计阶段的方案验证、软件工程化研制流程中的单元级、组件级和软件系统的各项验证、全系统的仿真测试和验证。利用软铁鸟进行飞行控制系统的研制，可以实现从飞行控制
算法到飞控软件的无缝连接，也可以更好地解决飞行控制系统机载软件本身的设计、开发和验证问题(这是新一代飞机飞控系统研制中需要重点解决的问题)。
[0030] (3)提供一种集成化的全系统、全任务、全数字的验证与确认环境。借助于该环境，可以保证飞控系统进入铁鸟台试验的条件，弥补铁鸟台环境的不足，减小铁鸟台综合试验和飞行试验的压力。
[0031] (4)与硬件试验环境(如铁鸟台试验环境)相比，软铁鸟作为一种软件平台可以具备良好的开放性。
[0032] (5)借助于
中间件技术，软铁鸟作为一种软件平台可以具备良好的可移植性。(四)
附图说明
[0033] 图1-1：电传飞行控制系统目前技术手段下的研制流程示意图
[0034] 图1-2：电传飞行控制系统基于软铁鸟的研制流程示意图
[0035] 图2：本发明软铁鸟的概念体系结构示意图
[0036] 图3：本发明软铁鸟典型的运行流程示意图(一个执行视图)(五)具体实施方式
[0037] 本发明一种支持电传飞行控制系统设计、验证与确认活动的开放平台，是由五个功能模块组成，它们是：1)电传飞行控制系统需求分析、验证与求精的环境模块；2)电传飞行控制系统设计、验证与确认环境模块；3)电传飞行控制系统硬件设计环境模块；4)飞行控制软件工程化研制环境模块；5)电传飞行控制系统系统级全数字化、全任务仿真测试和验证环境模块。这里通过介绍软铁鸟的一个任务剖面(图3所示)，来介绍软铁鸟各模块之间的数据传输关系和软铁鸟的功能。
[0038] 功能1：支持电传飞行控制系统的需求分析与确认
[0039] 支撑模块：系统需求分析、求精与验证功能模块。
[0040] 该模块的输入数据来自四个数据库(也称为资源容器)：1)对象需求模板数据库及专家系统数据库中的需求模板和设计准则，2)飞机参数数据库，3)模块参数数据库，4)设计设计数据库。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现对需求的仿真与验证功能。
[0041] 该模块的输出信息(确认的需求)作为系统设计功能模块的输入之一。
[0042] 功能2：支持电传飞行控制系统的设计、验证与确认
[0043] 支撑模块：系统设计、验证与确认模块，它包括系统设计和系统设计方案全数字化验证与确认这两个子模块(在图3中，把这两个子模块分开了)。
[0044] 系统设计子模块调用的数据(输入数据)包括来自五个数据库的数据和需求分析模块的输出数据。这五个数据库分别是：1)飞机参数数据库，2)模块参数数据库，3)设计数据库，4)对象概要设计模板数据库及专家系统，5)对象详细设计模板数据库及专家系统。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现迭代设计中的验证功能。
[0045] 系统设计模块的输出数据(设计结果)是系统设计方案全数字化验证与确认模块的输入数据之一。
[0046] 系统设计方案全数字化验证与确认子模块的输入数据来自两个方面：设计数据库的数据和设计子模块的输出数据。另一方面，系统设计方案全数字化验证与确认子模块通过调用计算引擎，来实现其对设计方案的仿真验证功能；而该模块的输出数据是软铁鸟硬件设计模块和飞行控制软件工程研制模块的输入数据之一。
[0047] 功能3：支持电传飞行控制系统硬件的设计
[0048] 支撑模块：电传飞行控制系统硬件设计模块。
[0049] 该模块调用的数据(输入数据)包括来自五个数据库的数据和系统设计、验证与确认模块的输出数据，这五个数据库分别是：1)设计数据库，2)实现数据库，3)实物、半实物资源库，4)对象硬件接口模板数据库及专家系统，5)验证及测试信息数据库(用于记录验证数据，以保证测试与验证效率)。
[0050] 该模块的输出数据(设计结果)是系统级全数字化、全任务仿真测试和验证模块的输入数据之一。
[0051] 功能4：支持飞行控制软件工程化研制过程
[0052] 支撑模块：软件工程化研制模块
[0053] 该模块调用的数据(输入数据)包括来自三个数据库的数据和系统设计、验证与确认模块的输出数据，这三个数据库分别是：1)设计数据库，2)对象代码接口模板数据库及专家系统，3)验证及测试信息数据库(用于记录飞行控制软件的验证数据，以保证其测试与验证效率)。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现其对软件设计方案的验证和对软件代码的测试与验证功能；其输出数据(设计结果)是系统级全数字化全任务仿真测试和验证模块的输入数据之一。
[0054] 功能5：支持电传飞行控制系统全数字化、全任务的系统级仿真验证[0055] 支撑模块：系统级全数字化、全任务仿真测试和验证模块
[0056] 该模块调用的数据(输入数据)包括来自两个数据库的数据、硬件设计模块的数据、软件工程化研制模块的数据，这两个数据库分别是：1)实现数据库，2)半实物仿真连接子相关数据。另一方面，该模块通过调用计算引擎，来实现其对电传飞行控制系统的综合仿真验证，其输出数据(设计结果)将写入验证及测试信息数据库(用于记录验证数据，以保证测试与验证效率)。
[0057] 基于该模块的活动完成后，进行电传飞行控制系统的铁鸟台综合试验。
[0058] 图1-1是电传飞行控制系统目前技术手段下的研制流程示意图。
[0059] 图1-2是结合现代电传飞行控制系统的研制流程示意图，它描述了软铁鸟的功能。
[0060] 图2是软铁鸟的概念体系结构视图，其中电传飞行控制系统需求分析、验证与求精的环境模块、电传飞行控制系统设计、验证与确认环境模块、电传飞行控制系统硬件设计环境模块、飞行控制软件工程化研制环境模块、电传飞行控制系统系统级全数字化、全任务仿真测试和验证环境模块这五个主要功能映射为数据中心、专家系统(知识库)、飞控系统设计环境、验证仿真模块、模型验证仿真通用计算引擎及数据总线等六个功能构件和相应的连接子。
[0061] 图3是软铁鸟典型的运行
流程图，它描述了软铁鸟各模块之间的控制流，以及每个模块之间的依赖和调用关系。
