机 电综合管理系统半实物仿真测试技术研究

李春雷

中国直升机设计研究所 天津 300000

摘要：机电系统是飞机上保障各项任务功能的系统的总称，典型的机电系统包括电源、燃油、液压、第二动力、机轮刹车、环境控制和生命保障系统。随着电子和信息技术的发展，机电系统的控制管理经历了分立式、联合式到综合式的发展过程，国内外不同型号的新型飞机不同程度上实现了物理综合及功能综合，通过综合控制提高了飞机的性能，同时也带来了系统复杂程度的显著提高，对系统验证提出了更高的要求，本文对机电综合管理系统半实物仿真测试技术的现状和发展方进行了研究。

关键词：机电综合管理系统半实物仿真测试技术

3.1引言

按照一般的定义和功能划分，飞机机电系统(Utility Systems)是指执行飞行保障功能的飞机子系统的总称，包括燃油系统、液压系统、电源及配电系统、刹车系统、环境控制系统及公共设备(Utilities)如起落架、防火、舱门、照明等子系统和设备。它们是飞行控制系统、火控系统、航空电子系统、显示系统和机载武器投放系统的安全保障系统^[1]。

机电系统综合技术将机电子系统视为一个整体，通过物理综合、功能综合、信息融合、能量综合等手段优化飞机的物理特性，提高飞机性能和可靠性、安全性、测试性、维护性水平，减轻飞行员的工作负荷，主要包括飞发综合、综合热管理、电作动、能量综合、综合维护、传感器信息融合等，机电系统的综合化控制管理由机电综合管理系统（Integrated Electromechanical Management System）完成，其替代了原来传统系统中大量的专用控制器。

机电综合管理系统由机电管理系统（Utility Management Systems，国外多称为公共设备管理系统）发展而来，在机电系统状态监测、故障检测和少量控制功能的基础上，通过多余度容错重构、分布式模块化架构、高速高可靠性数据总线、软件分区等技术手段，完成机电系统的综合化控制管理。

随着机电综合管理系统复杂程度的不断提高，必须对系统进行多层次的、全方位的验证工作。在前期进行全面的仿真测试工作能够帮助设计人员尽早找出系统的缺陷，将问题提前解决，避免项目完成之后再有重大的修改，也因此能够帮助合理控制开发周期，降低开发风险。

3.2半实物仿真测试简介

半实物仿真也称硬件在回路仿真（Hardware Loop Simulation），是系统研制过程中必不可少的重要手段之一^［2］。半实物仿真是将部分产品实物引入到仿真回路的一种仿真技术，在半实物仿真过程中，部分数学模型精度较高的部分或者难以用实物代替的部分，用数学模型在计算机运行；部分实物或物理模型直接引入到仿真回路，从而提高仿真的置信水平。半实物仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法，不仅提高仿真的可信性，也解决以往存在于系统中的许多复杂建模难题^[3]。

图1为F-35战斗机飞机管理系统（Vehicle Management System，机电综合管理系统和飞行控制系统集成在VMS中）、航电系统的研制模型，其验证测试过程包括数字仿真、软件测试、集成测试、验证测试、飞行测试等，半实物仿真测试主要应用在集成测试、验证测试过程中，可以在系统软硬件交付后立即进入集成测试阶段而不必等待其他交联设备或系统交付试验室，通过仿真测试系统来模拟交联系统的逻辑和接口，对被测系统进行全方位、多层次的验证，将系统问题尽量在飞行测试前暴露出来，大大降低系统的研制风险和开发成本，并缩短研制周期。

图1 F-35战斗机飞机管理系统、航电系统研制模型

传统的测试系统多为定制化开发，很难既能考虑到测试的高效率同时又兼顾测试的低成本，不具备能够根据被测系统测试需求的变化而对自己本身进行调整的灵活性，且可扩展性差，笔者结合自身工作经历及国内现状对机电综合管理系统半实物仿真测试系统进行需求分析。

3.3需求分析

1. 应用场景

在试验室试验过程中，包含多个阶段的测试试验，包括：软件测试、分系统集成测试、系统集成测试、飞机级集成测试以及外场故障复现等，半实物仿真测试系统需要能够覆盖各测试阶段的试验需求，满足多个应用场景。

2. 测试方法

3.2.1“激励-响应”式测试

所谓“激励-响应”式的测试，是指给待测的设备或系统提供一个激励信号，并触发其内部的一系列运算、状态切换或内部的数据传递，最后对其响应的结果进行采集或测量，并与期望的响应进行比对，以得出测试的结论。由于飞机分系统的行为中有很大一部分都是条件触发式的，所以激励响应测试是飞机分系统的重要测试方法之一。

激励响应测试的用例设计可分为两个部分，即激励信号和期望响应结果。激励的方式可以是飞行员在座舱面板上的一次操作，或是给待测设备的特定信号输入，也可以是在仿真试验环境下对外部环境的改变或对某种故障模式的模拟等。期望的响应结果可能是某特定信号的输出，或是POP画面发生的变化，或是引起的系统中一系列的连锁反应动作。在整个测试过程中，系统的激励响应测试序列会被多次的反复执行：

1. 1. 1. 在全数字仿真阶段，需要通过对全部测试序列的执行，来对仿真模型和测试序列进行确认；

      2. 在分系统测试阶段，需要执行该分系统相关的测试序列；

      3. 在系统测试阶段，需要从头到尾执行系统所有的测试序列，并逐一确认；

      4. 当测试发现问题时，为了进行故障的定位或对故障是否排除进行确认，也需要反复执行相关的测试序列。

2.2.2自动化测试

为了提高测试工作的效率，需要采用自动化测试技术。自动化测试的引擎程序会根据事先编写好的测试序列，逐条触发测试序列，并记录测试结果，与期望结果进行比对。测试序列可以将测试的方法固化下来，并能够反复执行，以便对于试验中发现的问题进行跟踪回归。

按测试结果的类型，可以把测试序列分为两类。一类测试序列的结果是引起显示器上的画面变化，这一类测试很难由计算机自动判断结果的正确性，测试过程需要测试人员的参与，并通过软件界面将结果通知试验系统；另一类测试序列的结果是各分系统间的通讯数据或状态，可以由采集系统直接获得，测试过程可以实现无人值守。

3. 可扩展性

系统需要能够实现对多个型号飞机系统接口、功能的模拟，从而满足多个型号飞机的试验需求，系统的通用性要求如下：

1. 系统可通过软件配置适应不同型号飞机的调试试验；

2. 系统能够提供多个型号飞机的飞行仿真功能；

3. 能够实现对多个型号飞机系统ICD数据的管理，包含常用的总线、非总线等信号类型；

4. 能够实现硬件IO与ICD之间的动态适配，保证硬件IO能够满足对不同型号飞机系统接口的仿真需求；

5. 系统与被测机载设备的对接接口需要采用模块化设计，可根据不同的型号更换适配模块，保证系统的通用性要求；

6. 硬件IO满足多个型号飞机系统的试验需求，且易于扩展。

3.4架构设计

测试系统在高速以太网的基础上构造，采用中间件技术实现仿真数据、试验数据以及控制命令的传输。系统采用上下位机的架构，应用软件和试验设备独立部署，便于试验人员对整个系统和飞机试验的控制操作。系统整体架构如下图所示：

图3-1 系统架构

试系统可分为6个子系统，包括：总控台、分系统试验台、系统交联试验台、电源管理系统、驾驶舱仿真系统以及通讯网络。

⚫ 总控台总控台包含试验管理平台和试验操作平台，提供人机交互平台，承载了系统所有的应用软件，实现对系统的配置管理和试验过程的控制监控。

◼ 试验管理平台试验管理平台用于对试验过程和试验资源进行管理，包含操作平台以及多个

管理软件。

◼ 试验操作平台试验操作平台用于对试验过程进行控制，实现对试验数据的监控以及视景显

示，平台包含操作台以及多个控制监控软件。

⚫ 分系统试验台

包含飞控、航电、机电、液压、起落架、燃油、环控等20个功能系统的试验台，实现对每一个飞机分系统的控制对象仿真、设备激励以及故障注入等功能。

⚫ 系统交联试验台完成飞机系统间的交联测试，能够实现对飞机系统真件/仿真模型的切换，

并能够采集飞机级试验过程中系统之间的试验数据以及系统间信号传输的故障注入。

⚫ 电源管理系统为飞机真件设备和试验系统提供供电和电源保护。

⚫ 驾驶舱仿真系统提供虚拟的驾驶舱，能够模拟驾驶员对飞机系统的操作，显示飞机的状态信

息。

⚫ 通讯网络实现系统内部所有仿真数据、试验数据、控制命令以及状态信息的传输。

3.5展望

[1]罗海明，谢剑斌，陆志肖．机电系统综合化控制和管理[J]．直升机技术，2010(1)

[2]符文星，孙力，于云峰，等．导弹武器系统分布式半实物仿真系统研究［Ｊ］．系统仿真学报，２００９，２１（１９）

[3]郑　国　杨锁昌　张宽桥.半实物仿真技术的研究现状及发展趋势［Ｊ］．舰船电子工程 2016 11(3)