民機RDCU安全關鍵配置數據生成技術研究

王佳明　陳福　吳云

【摘要】 ? ?在民機綜合模塊化航電系統（IMA）中，遠程數據轉換單元（RDCU）為航電平臺提供I/O處理與數據整合功能。針對RDCU需滿足靈活配置、可互換的需求，提出一種符合D0-297標準的RDCU安全關鍵配置數據生成方法，結合DO-178C工具鑒定準則設計并實現基于多線程的配置數據生成工具，為國產民機IMA系統研制提供技術支撐。

【關鍵詞】 ? ?安全關鍵配置數據 ? ?多線程 ? ?DO-297 ? ? DO-178C

引言：

隨著民機航電系統架構演化，綜合模塊化航電（IMA）系統以平臺通用性和強大配置能力成為主流，遠程數據轉換單元（RDCU）作為IMA平臺重要組合部分，主要實現飛機航電系統與非航電系統間數據轉換及數據網關功能。

DO-297[1]定義，配置數據可用來定義IMA系統配置、激活或解除資源及功能、確定資源分配、激活軟件組件、為應用提供數據等。RDCU使用高度靈活的軟件架構，結合通用軟件功能和應用程序特定配置數據，軟件安全運行高度依賴配置表。

本文針對某大型民機綜合航電核心處理平臺遠程數據轉換單元需滿足可配置、可互換等特性，提出一種符合D0-297標準的RDCU安全關鍵配置數據生成方法，結合DO-178C工具鑒定準則設計并實現基于多線程的配置數據生成工具，目前已完成應用驗證。

一、綜合航電處理平臺概述

綜合航電處理平臺是以航電綜合核心處理機（ACP）、遠程交換單元（RSU）、遠程數據轉換單元（RDCU）為核心，以AFDX雙余度網絡為主干通信網絡，開放式綜合模塊化機載電子系統[2]。圖1是典型綜合航電處理平臺，由2臺ACP、4臺RSU、16臺RDCU構成，為飛機系統提供數據計算、通信網絡、IO接口等資源。

為實現航電平臺16臺RDCU互換互用、靈活配置，RDCU采用相同軟件共享配置文件，RDCU運行過程中根據自身位置，從配置文件中解析相應配置數據。

二、RDCU配置數據生成工具設計

2.1工具功能設計

根據IMA系統與RDCU駐留軟件需求， RDCU配置數據生成工具需支持以下功能：

1.能夠對輸入模擬IO、數字IO、網關以及端系統的XML配置文件進行正確性與完整性檢查，支持輸入文件錯誤位置追蹤;

2.能夠將輸入文件轉化為可加載二進制文件;

3.提供對生成配置數據的一致性校驗;

4.提供日志記錄功能，記錄工具運行過程中狀態信息、異常錯誤;

5.工具通過命令行形式調用與運行。

2.2工具鑒定考慮

DO-178C[3]定義，當使用工具減少、消除或自動化軟件生命周期過程時，且輸出未經驗證，工具需進行鑒定。

工具鑒定等級（TQL）基于工具對軟件生命周期影響和使用工具的軟件等級。DO-178C定義以下工具影響評估準則：

準則1：工具輸出是機載軟件的一部分，因此可能會引入錯誤;

準則2：工具使驗證過程自動化，因此，可能導致錯誤漏檢，工具輸出被用于證明省略或裁減下列過程的合理性：

1.被工具自動化所替代的其他驗證過程;

2.對機載軟件產生影響的開發過程。

準則3：工具在預期使用范圍內可能存在漏檢錯誤情況。

確定工具鑒定等級如表1所示。工具等級分為5個層級，TQL-1最嚴，TQL-5最低。

2.3工具架構設計

對工具功能、工具在軟件生命周期的用途以及工具鑒定等級進行分析，若不對工具功能進行分解，工具需進行TQL-1級鑒定。因此基于對工具鑒定成本的考量，將RDCU配置數據生成工具劃分為兩個子功能模塊，配置數據生成模塊和配置數據驗證模塊，如圖2所示。

配置數據生成模塊完成基于Schema的輸入文件校驗、錯誤定位、屬性提取以及二進制文件生成功能。

配置數據驗證模塊以XML配置文件和配置數據生成模塊輸出為輸入，驗證生成二進制配置數據與輸入文件的一致性。

基于以上功能劃分，配置數據生成模塊輸出被機載軟件應用，且其輸出被配置驗證模塊所驗證，該功能模塊無需進行工具鑒定。配置數據驗證模塊，根據工具影響評估準則2和工具鑒定等級確定表，其可按照TQL-4等級進行鑒定。功能的合理分解有效降低工具鑒定等級，減少資源投入和成本消耗。

三、關鍵技術

3.1基于多線程的文件解析與二進制生成技術

XML文件具有文檔和結構分離、互操作強、可擴展性好等特點[4]，由于RDCU支持A664與非A664數據轉換、數據網關、嵌入式計算等功能，其配置文件數據種類復雜、結構多層嵌套，解析過程相對復雜。

為實現輸入文件快速解析，提高配置數據生成效率，采用并行XML解析方法，將XML文件劃分為多個數據塊，通過多核處理器同時對多個數據塊并行解析處理，計算二進制字段，生成二進制數據塊，完成數據塊整合。實現過程如圖 3。

3.2基于Schema的XML文件校驗技術

XML Schema可用于設計、約束和驗證XML文件，XSD詳細定義XML文件中元素的描述規則，包括元素名稱、屬性、次序、數據類型父元素等[5]，因此可利用XSD文件實現對XML文件的校驗。

首先根據XML文件中元素類型、屬性以及元素丟失、異常對軟件運行影響程度定義錯誤類型、錯誤等級。XML校驗過程若出現錯誤，工具自動定位相關位置，根據元素類型、屬性以及影響域，確定錯誤類型與等級，將錯誤類型、等級、錯誤位置等信息，記錄到工具運行日志，以供后期進行維護驗證。XML文件校驗算法如圖 5。

四、結束語

本文針對航電平臺RDCU需滿足可配置、可互換等特性，提出一種符合D0-297標準的RDCU安全關鍵配置數據生成方法，結合DO-178C工具鑒定準則設計并實現基于多線程的配置數據生成工具，為國產大型民用客機綜合模塊化航電系統研制提供了技術支撐。

參考文獻

[1]RTCA：DO-297，Integrated modular avionics development guidance and certification considerations[S]. USA：RTCA，2006.

[2]陳福，王佳明，雷煜靚，張彤. 民機航電系統綜合核心處理機平臺軟件技術研究[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2021，21（3）：18-23.

[3]RTCA/DO-178C Software considerations in airborne systems and equipment certification[S].USA：RTCA， 2011.

[4] 方躍堅。XML解析中數據塊劃分方法和XML解析方法：中國，CN103020176A，G06F17/30.

[5] W3C.W3C XML Schema definition language （XSD） 1.1 [EB/OL].[2012-04-05].

王佳明（1992-），男，陜西咸陽人，助理工程師，碩士，主要研究方向IMA系統工具鏈。