飞控系统数字化设计研发探索与实践
摘要 针对飞控系统复杂性涌现和系统快速演进的挑战，面向飞控系统设计研发全流程，从需求、架构、系统到代码各层级工作，围绕如何实现飞控系统设计研发单位长期的知识和经验的积累和传递、支持原有模型的复用和迁移，探讨在国产工具链中完成系统设计、仿真、测试验证的方法和技术。
针对飞控系统复杂性涌现和系统快速演进的挑战，面向飞控系统设计研发全流程，从需求、架构、系统到代码各层级工作，围绕如何实现飞控系统设计研发单位长期的知识和经验的积累和传递、支持原有模型的复用和迁移，探讨在国产工具链中完成系统设计、仿真、测试验证的方法和技术。
飞控系统作为航空器中最复杂、最关键的系统之一，起到保证飞行器操纵性和稳定性、提高任务完成能力与飞行品质、增强飞行安全和减轻驾驶员负担的作用，是整个飞行器的“大脑”。
飞控系统设计面临的挑战
从最早期的机械手动控制，到后来的电传操纵系统，再到如今更为智能化的自主飞行系统，飞控系统在迅速发展的同时，其研发设计也遇到了严峻挑战。
（1)飞控系统设计复杂度呈几何级数增长。以 F-35 为代表的 5 代机的飞控系统软件代码规模巨大，已达到 800 万行级别，对需求分析和管理、架构设计及信息传递和回溯、系统建模和仿真、软件开发和代码生成、基于模型的测试验证等方面提出了更高要求。传统的开发方法在应对贯穿全流程的设计仿真、测试验证、持续集成和测试、系统管理和维护等方面变得尤为困难，需要基于模型的系统工程（MBSE）的支持。
（2）主要研发设计工具以国外软件为主，在一些场景中难以满足国内用户需求。比如从早期的控制律开发到后期的集成仿真测试，主要大量采用以 Simulink 为核心的工具链，并基于 Simulink 开发大量模型。按照当下复杂装备数字化研发体系框架，在从任务到需求、再到架构和系统以及基于系统模型生成代码的流程中，采用传统模式基于 Simulink 模型生成的代码，具有代码与模型一致性不好、部分代码解释性差等问题，越来越难以满足航空飞控系统快速、高质量研发需求。
解决方案
针对以上问题，急需一款有效工具，将源自任务产生的需求以及由此确定的架构信息，完整准确地引入飞控系统设计，使其既可以方便地实现系统建模仿真，并基于模型自动生成高质量代码；同时又可以将历史上采用 Simulink 构建的模型迁移到新工具中，避免模型的重构和重建，最大限度地利用设计单位积累的数字资产。在此基础上，基于该工具形成一套自主、高效便捷的流程，在大飞管专业内实现控制律、软件、仿真、执行机构各专业设计及测试验证的协同，提升设计效率和质量。
在具体实践和应用中，某主机所按照基于模型的系统工程（MBSE）方法论流程，采用世冠科技的国产软件工具链GCKontrol-GCAir 进行飞控系统软件开发，探索出一套基于国产工具链的飞控系统研发解决方案。
控制系统构建及测试
特点
该方案可以支持飞控系统建模、多源异构模型集成以及从全虚拟仿真到半实物仿真的一键切换，能够在同一平台上完成模型在环、软件在环、硬件在环仿真及测试，具备连续综合集成测试验证的能力，覆盖飞控系统研发设计全流程，实现了基于模型的系统设计、仿真及测试验证，并可支持数字孪生体的构建与应用。
构建了基于模型的软件开发工具链
基 于 典 型 的“V”开 发 流 程， 采 用Sysml 建模语言完成飞控系统的需求分析、系统架构搭建；采用 MBD 工具实现从飞控软件到装机代码的开发。打通了从 Sysml 建模工具到图形化建模、代码生成平台之间的接口，构建了从需求到代码的完整工具链条，并可以继续支持后续的模拟器开发等工作。
确保了全流程代码自动生成
突破从系统架构工具到图形化系统建模仿真工具之间的需求和架构信息继承传递、从系统仿真模型到产品级代码的自动生成等关键技术，保证了基于模型的从需求、功能、架构、系统到飞控代码的自动生成。
形成了 MBSE 模型向软件模型传递规范
通过对飞管飞控功能逻辑模型进行分析，确认现有模型的架构、颗粒度、层级、输入输出、模型层级划分的合理性，功能逻辑模型与软件工程模型的区别及关联，并对关联部分进行分析研究，形成了MBSE 功能逻辑模型向软件工程传递的方法和规范。
开发了基于模型的软件开发示例
按照规范，开发整理了 10 余种飞控控制逻辑自动生成飞控代码示例作为基准范例，基于基准示例进一步开展复杂控制逻辑的自动代码生成实践，并对代码生成规范进行完善。
GCKontrol在模拟器领域的应用场景
该方案在某主机所得到成功验证，发现同一数学模型、同样的计算方法，GCKontrol 与 Simulink 的仿真结果一致并在仿真速度上优于 Simulink。目前，该方案已陆续在不同的主机厂 / 所开展应用实践，得到客户的一致认可与好评。
过去，由于国外商业软件的推广策略和国内自身的特殊要求，飞控系统设计研发主要依赖于国外商业软件，无法形成基于国产软件的自主解决方案，甚至不得不采用传统的手写 C 代码方式来进行飞控软件开发，不仅成本高、效率低，而且很难采用 MBSE 来应对复杂性涌现带来的挑战。现在，随着国产工业软件的崛起，飞控系统开发软件既能够解决基于统一架构支持 DevOps 问题，同时也能够有效帮助研发单位实现 MBSE 落地，打通从需求到代码的全流程。相信在未来，基于高水平国产工业软件的飞控系统解决方案将更广泛地应用于航空工业各主机厂 / 所、专业配套单位，在更多的场景，更好地助力飞控系统设计研发，为航空工业的数字化转型提供有力支持。
