無人飛行系統(tǒng)（UAS）在情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）任務(wù)方面的應(yīng)用已呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)。隨著無人飛行系統(tǒng)的價(jià)值不斷提升，這一增長(zhǎng)絲毫沒有顯示放緩的跡象。UAS領(lǐng)域在開發(fā)自動(dòng)控制航空器方面必須解決一系列關(guān)鍵技術(shù)和人力難題。來自比亞喬航空公司的工程師面臨著將公司的傳統(tǒng)載人P.180 AvantiII行政噴氣機(jī)改造成UAS的挑戰(zhàn)。該航空器的指揮控制架構(gòu)需通過第一代要求的認(rèn)證，同時(shí)按照設(shè)計(jì)路線圖的要求能夠在將來不斷擴(kuò)充功能，從而為不同配置提供支持。為了限制經(jīng)費(fèi)并在很短的時(shí)間內(nèi)取得成功，這項(xiàng)工作必須由數(shù)量嚴(yán)格受限的工程師來完成。比亞喬的工程師通過使用新的開發(fā)流程實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo)，在該開發(fā)流程中，工程師從頭創(chuàng)建了全新的ANSYS SCADE模型，或在有Matlab/Simulink?模型可用的情況下，使用SCADE Suite Gateway for Simulink?將其轉(zhuǎn)換成ANSYSSCADE模型。

工程師根據(jù)SCADE模型，使用SCADE KCG資格認(rèn)證代碼生成器自動(dòng)生成嵌入式源代碼。然后先后在模型階段、主機(jī)以及目標(biāo)環(huán)境中連續(xù)測(cè)試航空器控制管理系統(tǒng)（VCMS），即執(zhí)行航空器命令和控制的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施，這樣工程團(tuán)隊(duì)就能夠盡早地發(fā)現(xiàn)問題并加以更正。

比亞喬航空工業(yè)公司是一家總部位于意大利熱那亞的跨國(guó)航空航天制造公司。該公司從事航空器、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空器結(jié)構(gòu)組件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、建造和維護(hù)工作。比亞喬最新開發(fā)的P.1HH HammerHead無人機(jī)采用兩臺(tái)普拉特·惠特尼加拿大（Pratt&Whitney Canada）公司生產(chǎn)的PT6-66B渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，能為任何偵察和安保需求提供頂級(jí)對(duì)峙能力（在一定距離上部署）。該VCMS可用于管理飛行控制、推進(jìn)、發(fā)電和配電、起落架、制動(dòng)、結(jié)冰檢測(cè)和防護(hù)、導(dǎo)航和通信系統(tǒng)。使用分區(qū)技術(shù)創(chuàng)建分隔環(huán)境，可讓每種功能的軟件應(yīng)用都在其中運(yùn)行而彼此又不會(huì)產(chǎn)生干擾，進(jìn)而避免造成故障擴(kuò)散。

VCMS架構(gòu)

軟件開發(fā)要求

在項(xiàng)目的開始幾個(gè)月里，團(tuán)隊(duì)先開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行控制規(guī)則；同時(shí)項(xiàng)目組還制定了針對(duì)嵌入式軟件的其它要求。VCMS的高級(jí)要求以多種不同格式提供。系統(tǒng)工程師還以文本方式采集了一些有關(guān)功能、界面和冗余等方面的要求。其它要求則以文本方式從諸如P.180飛行員操作手冊(cè)等操作指南中摘錄。駕駛該飛機(jī)所涉及的控制規(guī)則、算法和方程則在MathWorks?Simulink中完成編寫、仿真和驗(yàn)證。隨后在IBM? Rational?DOORS?要求管理環(huán)境中生成各項(xiàng)要求。此外，測(cè)試案例也在DOORS中完成編寫，并使用SCADE要求管理網(wǎng)關(guān)連接到操作要求。最后針對(duì)每個(gè)測(cè)試案例定義測(cè)試步驟和預(yù)期結(jié)果。

  P.1HH開發(fā)流程

對(duì)該項(xiàng)目而言， 軟件必須符合DO-178B標(biāo)準(zhǔn)，即FAA、EASA和其它認(rèn)證機(jī)構(gòu)用于認(rèn)證所有航空電子軟件的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。由于SCADE能夠從模型自動(dòng)生成源代碼，并最大限度地減少驗(yàn)證對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)模型的源代碼的工作量，因此比喬亞選擇ANSYS SCADE作為VCMS的開發(fā)環(huán)境。ANSYS SCADE KCG代碼生成器是經(jīng)DO-178B認(rèn)證的開發(fā)工具，因此代碼對(duì)應(yīng)輸入模型的一致性非常可靠，無需在編碼階段開展驗(yàn)證工作。SCADE基于模型的方法可幫助系統(tǒng)工程師為每一項(xiàng)功能自動(dòng)建模，并在制作真實(shí)硬件之前在主機(jī)上檢查其性能狀況。

SCADE模型驗(yàn)證流程

創(chuàng)建模型

在有文本文檔的情況下，SCADE 模型是由工程師根據(jù)功能要求徹底從頭創(chuàng)建而成，而在有可用的Simulink模型的情況下，SCADE模型則是通過Simulink Gateway自動(dòng)創(chuàng)建而成。SCADE要求管理網(wǎng)關(guān)可用于連接要求和SCADE模型中的嵌入式系統(tǒng)。工程師采用SCADE語(yǔ)義檢查器來驗(yàn)證模型的語(yǔ)義。問題的發(fā)現(xiàn)和解決均在PC環(huán)境中的主機(jī)上完成，而非在成本和復(fù)雜程度更高的目標(biāo)硬件環(huán)境中進(jìn)行。有一小部分代碼（主要是輸入/輸出等低級(jí)代碼）是使用傳統(tǒng)方式在C語(yǔ)言環(huán)境中完成開發(fā)的。

為確保Simulink模型正確地轉(zhuǎn)換到SCADE環(huán)境中，需要將Simulink測(cè)試矢量轉(zhuǎn)換到SCADE 環(huán)境。測(cè)試案例則被轉(zhuǎn)換到SCADE輸入情景中。隨后在Simulink和SCADE上同時(shí)運(yùn)行測(cè)試矢量，并對(duì)比結(jié)果，以確保轉(zhuǎn)換后的SCADE模型具備與原始Simulink模型相同的功能行為。

軟件驗(yàn)證

DO-178B認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)需要證明，由測(cè)試矢量執(zhí)行的功能測(cè)試可全面覆蓋整個(gè)模型功能。SCADE Model Test Coverage工具可用于檢查模型覆蓋情況并發(fā)現(xiàn)未被覆蓋的區(qū)域。此外工程師還設(shè)計(jì)和開展了更多測(cè)試，以提供所需的覆蓋范圍。

隨著模型數(shù)量及各模型輸入數(shù)量不斷增多，驗(yàn)證工作量也呈指數(shù)增加。在項(xiàng)目初期階段，測(cè)試矢量的生成、驗(yàn)證和配置曾存在問題。SCADELifeCycle資格認(rèn)證測(cè)試環(huán)境（QTE）可在主機(jī)環(huán)境中自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試、比較預(yù)期值的結(jié)果并突出顯示任何誤差，從而解決了上述問題。

工程師在目標(biāo)計(jì)算機(jī)上也執(zhí)行了類似工作，同時(shí)把測(cè)試矢量發(fā)送到模型生成的可執(zhí)行代碼中。比喬亞的工程師編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試應(yīng)用工具，該工具能夠在目標(biāo)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行并發(fā)揮與QTE類似的作用。具體做法是先使用SCADE輸入情景運(yùn)行該應(yīng)用，然后將得到的結(jié)果與在主機(jī)上使用相同應(yīng)用和輸入所生成的輸出進(jìn)行比較。

系統(tǒng)集成

把用于處理VCMS各項(xiàng)不同功能的模型逐步集成到主機(jī)上以構(gòu)建虛擬VCMS，從而在系統(tǒng)集成之前就提前檢查應(yīng)用的互操作性。該驗(yàn)證工作的目的是：在實(shí)際硬件上執(zhí)行系統(tǒng)集成之前發(fā)現(xiàn)并解決大部分集成問題。這樣，在系統(tǒng)集成階段發(fā)現(xiàn)的問題數(shù)量就會(huì)大幅減少，而且其原因?qū)⒅饕怯布?軟件/子系統(tǒng)集成問題，而非設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。當(dāng)系統(tǒng)集成完成，且最終測(cè)試執(zhí)行結(jié)束后，來自實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)將被饋送到測(cè)試矢量中，用于進(jìn)一步驗(yàn)證模型。

整個(gè)項(xiàng)目從系統(tǒng)工程師直接執(zhí)行模型開發(fā)開始，到構(gòu)成VCMS的12.5萬(wàn)行源代碼的編譯、集成和驗(yàn)證完成，總共用時(shí)大約18個(gè)月。工作小組以全職成員計(jì)算，規(guī)模不超過20名工程師（系統(tǒng)和軟件）。為實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目頗具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，他們從設(shè)計(jì)階段初期起就開始緊密協(xié)作，直至最終系統(tǒng)集成成功完成。最終，該VMCS的開發(fā)及驗(yàn)證時(shí)間僅為采用純手動(dòng)編碼所需時(shí)間的三分之一左右。

該無人機(jī)于2013年11月成功完成首次飛行，此時(shí)距項(xiàng)目啟動(dòng)不足兩年時(shí)間。VCMS運(yùn)行得非常成功。P.1HH的配置將隨著后續(xù)補(bǔ)充軟件版本的發(fā)布而不斷豐富，新增功能將使P.1HH具備更多的任務(wù)能力。