Обеспечение гарантий качества программного обеспечения современных авиационных комплексов методами виртуального прототипирования

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Обеспечение гарантий качества программного обеспечения современных авиационных комплексов методами виртуального прототипирования

Герасимов Г.И.

Информационно-управляющим центром комплексов бортового оборудования (КБО) современных ЛА, являются специализированные бортовые цифровые вычислительные системы (БЦВС).

Исторически, ФНПЦ ОАО “РПКБ” одним из первых в стране начало разрабатывать КБО ЛА на основе цифровой вычислительной техники [1]. В настоящее время РПКБ разработало и продолжает разрабатывать целую гамму вычислительных и информационных устройств составляющих основу КБО ЛА. Это мощные бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) различной архитектуры, устройства долговременной памяти, преобразовательные устройства различного назначения, многофункциональные индикаторы, многофункциональные пульты управления, интеллектуальные контроллеры и другие вычислительные устройства.

На рис.1 представлены некоторые образцы различных вычислительных и информационных устройств, разработанных ФНПЦ ОАО “РПКБ”.

бортовой виртуальный программный

Рис.1.

В РФ и за рубежом, разработка программного обеспечения (ПО) рассматривается как составная часть процесса разработки КБО в целом. Поэтому проблемы разработки КБО являются во многом проблемами разработки ПО. За рубежом обеспечение соответствующего уровня надежности и качества ПО осуществляется, прежде всего, за счет строгой формализации всех процессов проектирования [2].

Технология проектирования ПО для КБО ЛА, разработанная и применяемая в ФНПЦ “ОАО РПКБ”, имеет функционально-ориентированный характер и основана на соблюдении Российских и международных стандартов [3]. В основу технологии были положены следующие принципы:

программирование на объектно-ориентированном языке высокого уровня С++;

использование коммерческих и/или открытых систем программирования типа Borland C++, Microsoft C++, GNU;

разработка собственной операционной системы с программным интерфейсом совместимым с зарубежными аналогами;

разработка собственных инструментальных средств, включая средства удаленной отладки программ непосредственно на борту летательного аппарата;

широкое использование для тестирования и отработки функциональных программ стендов полунатурного и математического моделирования.

На рис. 2 представлена структурная схема организации ПО БЦВМ, входящей в состав КБО одного из ЛА.

Рис.2.

В целом, по нашему мнению, технологическая система проектирования ПО для КБО в ФНПЦ “ОАО РПКБ” представляет собой то, что общепризнанно характеризуется термином CASE-технологии [3], базируется на известной концепции жизненного цикла ПО и включает в себя пять параллельных интегральных процессов:

управление разработкой и сопровождением;

документирование;

верификация и аттестация;

обеспечение гарантии качества;

управление конфигурацией.

На рис. 3 представлена взаимосвязанная схема типового процесса разработки ПО, базирующаяся на концепции его жизненного цикла.

Рис.3.

На схеме процесс разработки ПО рассматривается как итеративный, каждый

цикл итерации которого состоит из следующих основных этапов:

этап системного анализа требований к КБО;

этап системного проектирования КБО;

этап системного анализа требований к ПО;

этап системного проектирования ПО;

этап программирования программных модулей;

этап сборки и интеграции ПО;

этап интеграции ПО и оборудования;

этап квалификации ПО и оборудования.

Составной частью работ на каждом из этапов являются процессы моделирования и прототипирования ПО [4]. Это, прежде всего:

моделирование физических процессов;

визуально-графическое прототипирование КБО;

моделирование конкретных математических алгоритмов;

визуально-графическое прототипирование структуры ПО;

математическое прототипирование вычислительных процессов;

имитация бортовой вычислительной среды и бортовых каналов информационного обмена;

имитация информационной среды.

На начальных стадиях разработки ПО выполняется автономная отладка отдельных компонент ПО БЦВМ. Главными инструментами здесь являются база данных ПО, система программирования, система автоматизированного тестирования программных модулей, система документирования и специализированный программно-аппаратный отладчик, функционирующие на рабочем месте программиста (РМП) -- инструментальной ЭВМ, подключённой к системной шине БЦВМ через соответствующие адаптеры. Отладка выполняется, в основном, в статическом режиме, на фиксированных наборах входной информации.

На рис. 4 приведена типовая схема рабочего места программиста.

Рис.4.

Типовой состав технологического программного обеспечения РМП:

База данных ПО;

Экспертная система формирования структуры ПО;

Система программирования;

Система автоматизированного тестирования программных модулей;

Система документирования;

Система поддержки интерактивной отладки и тестирования ПО в режиме реального времени.

Информационным ядром технологии разработки ПО является база данных (БД) ПО [5].

На рис. 5 приведена типовая схема организации БД ПО.

Рис.5.

В БД ПО хранятся типовые унифицированные алгоритмы и программы и другие технические и технологические решения по программным модулям в виде различных электронных (компьютерных) документов, унифицированные и типовые технологические процедуры проектирования ПО в виде программных запросов к базе данных, унифицированные и типовые отчеты по проектированию ПО.

Применение технологии БД позволяет в значительной степени автоматизировать процессы разработки ПО на всех этапах и по существу реализовать технологию сборочного проектирования ПО из базовых унифицированных программных модулей [6, 7].

В соответствии с принципами сборочного объектно-ориентированного проектирования основными компонентами становятся программные модули (объекты), информационные модули (связи) и функционально законченные группы программных модулей.

На завершающих этапах основные усилия направляются на исследование и отладку информационных потоков, индикационного обеспечения, процедур взаимодействия экипажа с информационно-управляющим полем кабины (ИУП) в реальном масштабе времени при выполнении пилотажных, навигационных и боевых задач, в том числе в критических и отказных ситуациях, проверка которых в реальных лётных испытаниях слишком дорога или опасна. Стенды полунатурного моделирования - главное оборудование на этом уровне.

На рис. 6 приведена схема относительно простого СПНМ, включающего БЦВС, ряд управляющих устройств, адаптеры интерфейса каналов информационного обмена, несколько моделирующих и графических станций.

Рис.6.

Основная задача СПНМ КБО -- имитировать динамическую информационную среду таким образом, чтобы процессы в БЦВС и каналах информационного обмена, работа индикаторов и органов управления ИУП, другого реального оборудования, установленного на стенде, протекали как в настоящем полёте. В этом случае разработчики или другие эксперты, действуя в роли экипажа ЛА, получают возможность оценить работу КБО в условиях, более или менее приближенных к реальному полёту.

В натурном виде в СПНМ включается оборудование, собственное функционирование которого физически не связано с местоположением, ориентацией и движением ЛА: БЦВС, МФИ или их имитаторы - технологические графические станции (ТГС), блоки преобразования и коммутации информации - адаптеры интерфейса последовательных (АИПС) и мультиплексных (АИМС) сигналов, панель имитации разовых команд (ПИ РК), пульты и т.д.

В виртуальном виде в СПНМ включаются элементы КБО, состояние и выходные данные которых определяются состоянием движущегося ЛА, внешней среды и объектов тактической обстановки. Сюда относятся основные информационно-измерительные системы (инерциальные, спутниковые и радиотехнические навигационные системы, система воздушных сигналов, радиолокационные и оптоэлектронные обзорно-прицельные системы, и т. д.), датчики общесамолётного оборудования (двигателей, шасси, механизации крыла) и другое. Информационной основой работы виртуального оборудования является математическая модель движения ЛА с системой управления и модели внешней среды (состояние атмосферы, подстилающая поверхность с её объектовым составом, подвижные и неподвижные цели, средства ПВО, другие ЛА группы, навигационные и посадочные радиомаяки и др.).

Все модели КБО вырабатывают и потребляют информацию в реальном масштабе времени. Обмен информацией между математическими моделями и реальным оборудованием производится через соответствующие устройства сопряжения по реальным бортовым интерфейсам в полном соответствии со штатными бортовыми протоколами. В результате всё реальное оборудование стенда работает точно так, как на борту настоящего движущегося ЛА.

Степень "натурности" СПНМ варьируется в широких пределах. В простых стендах весь контур управления работает в автоматическом или полуавтоматическом режиме, причем ручки управления ЛА имитируются, например, с помощью игровых манипуляторов-имитаторов, педалей или даже мыши и клавиатуры. Часть индикаторов, пультов и отдельных органов кабины для удешевления стенда также виртуализируется с помощью обычных дисплеев и клавиатуры. Визуальная обратная связь с оператором стенда формируется только за счёт реальных и виртуальных индикаторов.

Этого становится недостаточно при разработке алгоритмов применения авиационных средств поражения (АСП), маловысотного полёта и других режимов полета. Для эффективной оценки индикационного обеспечения и процедур взаимодействия с ИУП кабины в подобных режимах разработчикам необходимо самим ощутить себя на месте экипажа. Это обеспечивается включением в состав СПНМ реалистичного макета кабины с действующим информационно-управляющим полем и системы 3-х мерной визуализации закабинного пространства. Рычаги управления самолётом и двигателем, педали и пилот ЛА включаются в контур управления в "натурном" виде.

На рис. 7 приведена схема более сложного СПНМ КБО с действующей кабиной и системой визуализации закабинного пространства.

Рис.7.

В таком СПНМ с помощью математических моделей имитируются:

динамика пространственного движения самолёта в инерциальном пространстве с учётом действия контуров автоматического и ручного управления полётом, с учётом влияния работы двигательной установки, механизации крыла, шасси, подвесок и других устройств;

пилотажно-навигационный комплекс (инерциальные, аэрометрические и радиотехнические навигационные системы, система воздушных сигналов, САУ и другие системы);

радиолокационный прицельный комплекс и оптиколокационная система;

комплекс радиоэлектронного противодействия;

датчики общесамолётного оборудования (двигателей, шасси, механизации крыла);

система управления оружием;

управляемые и неуправляемые АСП, включая процессы его подготовки;

подвижные и неподвижные цели, средства ПВО, другие ЛА, навигационные и посадочные радиомаяки;

пролетаемая местность, атмосферные явления, небосклон.

Поскольку СПНМ КБО не предназначен для отработки или изучения системы управления летательным аппаратом, к модели динамики ЛА и системе загрузки рычагов управления в СПНМ не предъявляются столь высокие требования, как на пилотажных стендах или тренажёрах. Системы визуализации создают необходимую обратную связь для тестирования алгоритмов применения высокоточных АСП и выполнения маловысотного полёта.

Подобный стенд позволяет разработчикам глубже понять процессы выполнения различных задач ЛА и эффективно вовлечь в процесс разработки лётчиков-испытателей и других заинтересованных специалистов. Это способствует сокращению объёма дорогостоящих лётных испытаний, поскольку многие замечания экспертов могут быть учтены на ранних стадиях разработки.

Список литературы

Джанджгава Г.И., Бражник В.М., Рогалев А.П., Никулин А.С. и др. Построение базовой структуры интегрированных комплексов бортового оборудования летательных аппаратов на основе объектно-ориентированного подхода. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. № 9.

Костогрызов А.И., Липаев В.В., Сертификация качества функционирования автоматизированных информационных систем -М.: 1996.

Никулин А.С., Рогалев А.П., Кофанов Ю.Н. Проектирование программного обеспечения компонентной архитектуры для перспективных авиационных комплексов. // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2002. № 2.

Липаев В.В. Моделирование внешней среды для определения качества и надежности сложных программных средств. // Надежность. 2002. № 3.

Рогалев А.П., Никулин А.С. и др. Инструментальные средства информационной поддержки разработки комплексов бортового оборудования с использованием технологии баз данных и сборочного объектно-ориентированного проектирования. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. № 8.

Липаев В.В., Позин Б.А., Штрик А.А. Технология сборочного программирования. Под ред. В.В. Липаева. -М.: Машиностроение, 1992.

Герасимов Г.И., Лыткин П.Д., Рогалев А.П., Никулин А.С., Сухоруков С.Я. Технология сборочного проектирования программного обеспечения комплексов бортового оборудования летательных аппаратов. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. № 9.

Размещено на Allbest.ru