綜合模塊化航空電子（IMA）適航符合性方法研究

黃躍智

【摘 要】綜合模塊化航空電子（IMA）已在一些新研和改進(jìn)的機(jī)型中廣泛運(yùn)用。本文在系統(tǒng)闡述IMA定義和合格審定指導(dǎo)材料的基礎(chǔ)上，全面論述了IMA平臺(tái)開發(fā)過程的設(shè)計(jì)考慮、認(rèn)可時(shí)需滿足的目標(biāo)、認(rèn)可過程中產(chǎn)生的符合性數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】綜合化；模塊化；設(shè)計(jì)考慮；符合性目標(biāo)

【Abstract】The integrated modular avionics（IMA） are being installed on a number of new or modified aircraft. This paper provides a definition of IMA， and overview of the existing IMA development and certification guidance， and then describes the design consideration， objectives， related activities and data of the IMA system.

【Key words】Integrated； Modular； Design consideration； Compliance objectives

0 引言

綜合模塊化航空電子（IMA）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，由具有不同處理能力的硬件模塊、不同應(yīng)用功能的軟件模塊和使其相互聯(lián)系及運(yùn)行的總線組成，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊硬件、軟件的標(biāo)準(zhǔn)化與通用化，實(shí)現(xiàn)資源共享，系統(tǒng)重構(gòu)，減少體積、重量、功耗，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護(hù)成本。然而，IMA的開發(fā)和審定尚沒有一套完整的通用的指導(dǎo)材料。本文主要目的是探索設(shè)計(jì)和審定IMA時(shí)滿足相關(guān)適航要求的方法。

1 綜合模塊化航空電子（IMA）概述

綜合模塊化航空電子（IMA）自誕生以來(lái)，處于不斷的進(jìn)化當(dāng)中，各機(jī)構(gòu)有不同的定義。比較權(quán)威的是，RTCA特別委員會(huì)200（SC 200）和EUROCAE 工作組71（WG-71）做了如下定義[1]：“IMA是一組靈活的、可重用的、可互操作的共享硬件和軟件資源，當(dāng)把這些資源綜合在一起時(shí)可以構(gòu)建一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)按一組確定的安全和性能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，能提供各種服務(wù)，并駐留執(zhí)行飛機(jī)功能的應(yīng)用”。

該定義強(qiáng)調(diào)的是平臺(tái)本身，有些定義則指的是包括駐留應(yīng)用的整個(gè)IMA系統(tǒng)。本文將使用RTCA/EUROCAE的定義范疇，重點(diǎn)討論IMA平臺(tái)本身的適航符合性方法。

2 綜合模塊化航空電子（IMA）指導(dǎo)材料

過去的十幾年間，工業(yè)界和審定機(jī)構(gòu)頒發(fā)了一系列適用于IMA開發(fā)、綜合、確認(rèn)和驗(yàn)證的指導(dǎo)材料。本節(jié)對(duì)主要的幾份材料進(jìn)行簡(jiǎn)要的概述。

（1）RTCA/DO-255。RTCA/DO-255“航電計(jì)算機(jī)資源的需求規(guī)范”[2]頒布于2000年4月份，為適用于多種應(yīng)用或合格審定項(xiàng)目的平臺(tái)提供指南。DO-255提供的指導(dǎo)包括分區(qū)管理、健康監(jiān)控、軟件的現(xiàn)場(chǎng)加載和一些其他的服務(wù)，但由于缺少必要的安裝、綜合、審定等內(nèi)容，該文件并沒有得到FAA的認(rèn)可。

（2）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定C153（TSO-C153）和咨詢通告20-145（AC 20-145）。TSO-C153“綜合模塊化航空電子硬件單元”[3]和AC 20-145“使用TSO-C153硬件單元的IMA指南”[4]是FAA于2002-2003期間頒布的。TSO-C153為IMA“硬件單元”獲取批準(zhǔn)提供了一種路徑，這些“硬件單元”可以是機(jī)柜、或者安裝到機(jī)柜中的硬件模塊。TSO-C153允許硬件模塊開發(fā)者確定硬件模塊的最低性能標(biāo)準(zhǔn)。但TSO-C153沒有為硬件模塊的安裝提供指導(dǎo)。

AC 20-145為使用IMA硬件單元的IMA系統(tǒng)提供綜合、安裝、審定和持續(xù)適航的指導(dǎo)。指導(dǎo)內(nèi)容包括安全性評(píng)估、構(gòu)型管理、軟件分區(qū)和重用、供電、自檢測(cè)、維護(hù)、環(huán)境鑒定和試驗(yàn)實(shí)踐等，并討論了IMA各相關(guān)方的角色和職責(zé)、第三方供應(yīng)商的管控、及IMA系統(tǒng)的持續(xù)適航。

TSO-C153和AC 20-145共同為IMA系統(tǒng)獲取批準(zhǔn)提供了一種路徑，但這種IMA系統(tǒng)并不是開放性的，是有局限的，沒有解決與之有接口關(guān)系的顯示、傳感器等。

（3）RTCA/DO-297。因?yàn)門SO-C153和AC 20-145的局限性，工業(yè)界頒布了DO-297“綜合模塊化航空電子開發(fā)指南與審定考慮”，以便為完整的IMA系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)和審定上的指導(dǎo)。設(shè)計(jì)保證先應(yīng)用于每個(gè)模塊，然后每個(gè)模塊綜合形成IMA平臺(tái)，在IMA平臺(tái)上安裝一些應(yīng)用后，最后綜合到飛機(jī)系統(tǒng)中。DO-297通過定義6個(gè)任務(wù)為IMA平臺(tái)綜合到飛機(jī)提供了一種審定方法：模塊認(rèn)可、應(yīng)用認(rèn)可、IMA系統(tǒng)級(jí)認(rèn)可、IMA系統(tǒng)飛機(jī)級(jí)認(rèn)可、模塊或應(yīng)用的更改、模塊或應(yīng)用的重用。同時(shí)也為IMA的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)，如資源分配、安全性考慮、分區(qū)和資源管理、健康監(jiān)控和故障管理提供指導(dǎo)。

（4）咨詢通告20-170（AC 20-170）。2010年，F(xiàn)AA發(fā)布了AC 20-170，對(duì)采用DO-297和TSO-C153進(jìn)行IMA開發(fā)、驗(yàn)證、集成和批準(zhǔn)進(jìn)行了說明，并認(rèn)可將DO-297作為可接受的符合性方法。

3 綜合模塊化航空電子（IMA）適航符合性方法

如表1所示，在DO- 297標(biāo)準(zhǔn)中，完整的IMA系統(tǒng)的認(rèn)可過程分成以下幾層去實(shí)現(xiàn)。

表1 完整 IMA系統(tǒng)的認(rèn)可過程

在任務(wù)1中，模塊可以是軟件、硬件或是軟硬件的組合。本文所探討的IMA平臺(tái)就是由各組件模塊綜合而成的。下面重點(diǎn)對(duì)IMA平臺(tái)的設(shè)計(jì)考慮、認(rèn)可目標(biāo)以及認(rèn)可過程中產(chǎn)生的符合性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）IMA平臺(tái)的設(shè)計(jì)考慮。IMA的一個(gè)主要目標(biāo)就是開發(fā)出一個(gè)IMA平臺(tái)，這種平臺(tái)能夠與不同駐留應(yīng)用一起重復(fù)地用到不同飛機(jī)上。一種可重用的IMA平臺(tái)開發(fā)過程需考慮：

A.計(jì)劃和定義IMA平臺(tái)。定義IMA的架構(gòu)，說明平臺(tái)中各模塊、資源、部件的類型和功能，以及它們是如何交互的；定義駐留應(yīng)用、軟件和硬件綜合到IMA平臺(tái)的方法；定義IMA平臺(tái)的認(rèn)可方法；定義IMA系統(tǒng)的審定方法，包括支持駐留應(yīng)用和開發(fā)符合性數(shù)據(jù)的各相關(guān)方的角色與責(zé)任；定義能夠提供給駐留應(yīng)用的平臺(tái)服務(wù)；定義飛機(jī)功能可用性與完整性的等級(jí)、平臺(tái)對(duì)其支持的能力，以及支持的方法；定義健康管理和故障管理的方法；定義IMA平臺(tái)和IMA系統(tǒng)構(gòu)型管理的方法。

B.確定IMA平臺(tái)的需求。確定IMA平臺(tái)的安全性、性能、構(gòu)型管理、環(huán)境條件、故障管理與故障報(bào)告的方法和要求以及對(duì)各部分概念定義的詳細(xì)需求。

C.開發(fā)并實(shí)現(xiàn)IMA平臺(tái)的設(shè)計(jì)。軟件和硬件的開發(fā)過程應(yīng)分別按照DO-178和DO-254進(jìn)行，同時(shí)要符合各類補(bǔ)充規(guī)章文件的要求，在相應(yīng)的安全級(jí)別上滿足所需的安全性要求。另外，應(yīng)該進(jìn)行共因分析（CCA），并針對(duì)該平臺(tái)所確定的各種頂層事件進(jìn)行定量的失效分析。

D.驗(yàn)證并確認(rèn)IMA平臺(tái)。針對(duì)特定的環(huán)境條件進(jìn)行環(huán)境鑒定試驗(yàn)；進(jìn)行分區(qū)分析和驗(yàn)證試驗(yàn)；完成共因分析；完成能證明滿足可靠性需求與能力的數(shù)值分析；解決模塊一起共享的環(huán)境和資源問題；

E.采用模塊認(rèn)可的方法來(lái)獲得IMA平臺(tái)的認(rèn)可。完成并提交各模塊的認(rèn)可數(shù)據(jù)；完成IMA平臺(tái)所有需求的確認(rèn)和驗(yàn)證；并對(duì)需求、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證活動(dòng)的追蹤性進(jìn)行維護(hù)。

（2）IMA平臺(tái)認(rèn)可的目標(biāo)。

IMA平臺(tái)認(rèn)可的目的就是要證實(shí)平臺(tái)的特性、性能和接口，以獲得平臺(tái)的增量認(rèn)可。平臺(tái)認(rèn)可過程的目標(biāo)有：

A.制定平臺(tái)認(rèn)可計(jì)劃，以滿足所有適用的審定需求；

B.編制平臺(tái)需求規(guī)范，以確保需求得到記錄；

C.表明資源固有屬性的符合性，如時(shí)間和空間的分區(qū)隔離、故障管理、健康監(jiān)測(cè)、資源管理、資源構(gòu)型以及應(yīng)用參數(shù)等；

D.使用模塊需求規(guī)范中確定的性能、接口、服務(wù)、安全性、故障管理及健壯性等需求驗(yàn)證資源屬性的符合性；

E.開發(fā)平臺(tái)相關(guān)的核心軟件和硬件，并證明其過程符合適用的指南與規(guī)章；

F.編制平臺(tái)認(rèn)可數(shù)據(jù)，并提供給審定機(jī)構(gòu)以供認(rèn)可；

G.為平臺(tái)用戶提供必要的信息，以便能正確地使用和綜合平臺(tái)中的模塊；

H.當(dāng)需要時(shí)，對(duì)開發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)所使用的工具進(jìn)行評(píng)估和鑒定；

I.實(shí)施質(zhì)量保證、構(gòu)型管理、綜合、確認(rèn)、驗(yàn)證以及審定聯(lián)絡(luò)；

J.為用戶提供必要的信息，以便他們能正確管理平臺(tái)的構(gòu)型；

K.當(dāng)需要時(shí)，定義、規(guī)定、評(píng)估并鑒定平臺(tái)的支持工具，以便提供給平臺(tái)的用戶進(jìn)行使用；

L.如果要想重用平臺(tái)開發(fā)的結(jié)果，在平臺(tái)的開發(fā)過程中就要解決重用問題。

（3）IMA平臺(tái)生命周期數(shù)據(jù)。IMA平臺(tái)認(rèn)可過程中產(chǎn)生的生命周期數(shù)據(jù)如表2所示，其中IMA平臺(tái)的模塊認(rèn)可計(jì)劃、軟件合格審定計(jì)劃等是需要提交局方批準(zhǔn)的，質(zhì)量保證記錄、構(gòu)型管理記錄提供給局方審閱即可。

4 結(jié)論

當(dāng)前我國(guó)綜合模塊化航空電子的開發(fā)和適航審定水平還比較落后，在這個(gè)方面還有很長(zhǎng)的路要走。通過研究國(guó)內(nèi)外工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和適航要求，明確綜合模塊化航空電子為滿足適航要求所進(jìn)行的設(shè)計(jì)考慮，符合性活動(dòng)，以規(guī)范綜合模塊化航空電子的適航取證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]RTCA/DO-297， Integrated Modular Avionics（IMA） Development Guidance and Certification Considerations， November 2005[Z].

[2]RTCA/DO-255， Requirements Specification for Avionics Computer Resources （ACR）， June 2000[Z].

[3]FAA Technical Standard Order， TSOC153， Integrated Modular Avionics Hardware Elements， May 2002[Z].

[4]FAA Advisory Circular， AC20-145， Guidance for Integrated Modular Avionics （IMA） That Implement TSO-C153 Authorized Hardware Elements， February 2003[Z].

[責(zé)任編輯：楊玉潔]