ARINC661標準在直升機座艙顯示系統設計的應用研究

陳斌

（中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333000）

0 引言

航空電子系統（Avionics，簡稱航電系統）是指飛機上所有電子系統的綜合，主要包括了通信、導航和顯示管理等多個系統[1]，屬于當前飛機系統內部較為關鍵的一部分。自上世紀40年代產生以及應用以來，航電系統的體系結構的發展主要有四個階段依次為：立式航電體系、聯合式航電體系、綜合式航電體系和先進的綜合航電體。

1 概述

1.1 研究背景及意義

對于座艙顯示系統（Cockpit Display System，簡稱CDS）來講其通常情況下指的是飛機座艙內部全部的軟硬件設備的統稱，并且對于現代航電系統的發展與應用具有著重要的影響。近些年來航電系統的發展相對較快，從而使得大量的電子設備有效地應用至了飛機座艙內。然而，現階段飛機座艙內部接口未能夠形成較為統一的標準，不同類型的電子設備間接口方面存在相對較大的差異，未能夠實現軟件的再次利用以及有效移植，由于該種情況的存在從而造成了座艙顯示系統的成本方面相對較高同時對于系統的要求也相應的增加了。通過有效引入接口設計還有模塊標準化當面的理念，從而進行了對飛機座艙顯示系統設計接口進行了有效地統一并且也對所有的模塊功能進行了有效地規范，從而有效處理成本方面的問題以及難度相對較高方面的困難并且針對該方面有效提出了ARINC 661的規范。

ARINC 661規范主要是由ARINC企業在2001年針對座艙顯示系統所提出的的新的標準，全程為“座艙顯示系統與用戶系統規范（Cockpit Display System Interface To User Systems）”。此規范于CDS還有用戶應用（User Application，簡稱UA）間進行了一套接口的有效定義，同時還進行了對其通信方面的相關數據的格式予以有效規范處理[2]。從宏觀上定義了整體的結構框架，協調多個子系統組件以創建交互式的顯示系統。第一個子系統組件即座艙顯示系統，通過繪制引擎來呈現圖像信息。另外，顯示系統需要與另一個獨立系統：用戶應用程序之間建立邏輯連接關系。兩個系統之間的連接便是ARINC 661的運行協議（ARINC 661 Runtime Protocol）。這個協議用來承載用戶與UA系統間的交互事件，并將此需求發送給顯示系統以更新顯示數據。最終，所顯示的內容，包含各個圖形元素，將從被叫做窗體庫（Widget library）的組件里調用。國內對該規范的研究工作尚處于剛剛起步狀態，在國內軍用、民用直升機型號設計過程中，還沒有采用ARINC 661標準進行座艙顯示系統開發的案例。

近年來隨著信息科學技術的發展，從而有效地提高了軟件開發技術以及促進了電子技術的進一步發展，同時也在有效地促進了座艙顯示系統信息化以及智能化深化發展，也朝著高度數字化、綜合化和智能化的方向發展，對于新一代的座艙顯示向著多功能化以及更為良好的人機交互的方向發展快速。ARINC 661規范的提出還有在實踐中的具體應用從而有效實現了新一代座艙顯示系統開發，因此表明了 ARINC 661規范能夠滿足新一代座艙顯示系統的實際開發的具體需求。

近些年來航電系統的發展相對較快，從而使得大量的電子設備有效地應用至了飛機座艙內。然而，現階段飛機座艙內部接口未能夠形成較為統一的標準，不同類型的電子設備間接口方面存在相對較大的差異，從而造成了 CDS 的設計方向存在相對較大的難度，以至于實現 CDS 的更新需要投入相對較多的資源。而且，在直升機鑒定、定性階段，根據軟件的重要程度，需要對軟件開展不同層級的三方測試。為 CDS 引入標準化接口設計的概念，不但可以大大降低了 CDS系統設計的成本，提高了軟件的可移植性和可操作性，還能在后續的三方軟件測試階段，大大降低軟件測試的復雜度。因此，基于ARINC 661 標準的直升機座艙顯示系統CDS設計開發平臺研究與實現對國內直升機座艙設計具有非常重要的意義。

1.2 國內外發展現狀

ARINC 661旨在規范化座艙顯示系統的定義，使得座艙顯示系統和用戶之間用于管理航空電子設備通信的標準化，其主要目的是為了規范CDS和UA之間的接口。圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）完全由二進制DF文件定義，而座艙顯示軟件管理實際呈現窗口構建，以及通過顯示系統輸入設備來監控飛行員與飛機的互動。

ARINC 661規范自2001年問世以來，經過不斷發展與修訂，目前已經發布了6個版本。隨著座艙顯示系統的不斷程度其功能方面得到有效拓展，從而使得ARINC 661規范逐漸趨于完善。在此規范的所有的后續版本內，Widget的每次增加均表示座艙顯示系統功能完善程度的增加。在社會不斷發展過程中以及科學技術的進一步發展，ARINC 661規范也逐漸向著更加完善的方向發展。

在ARINC 661規范中主要進行了基本圖形用戶界面集合的有效引入。結合座艙顯示系統實際的設計方面的要求，進行了對一系列的窗體部件庫進行了科學合理的定義同時還針對各個窗體部件的組織結構還有其屬性方面進行了較為詳細的定義。在功能方面與Windows界面開發工具具有一定程度的相似性，對于ARINC 661所定義的窗體部件庫來講其中與Windows開發工具一樣具有相應的菜單以及工具條還有相關的按鈕等具有較強的交互性的控件，同時還具有幾何圖形方面的控件與Panel等容器控件。ARINC 661規范同時還進行了對定義文件（Define File，簡稱DF）的有效引入，并且還針對定義文件的具體格式展開了相對較為詳細的規范處理。對于座艙顯示系統方面的設計主要是通過定義文件進行了有效地體現，定義文件中涵蓋了圖形用戶界面顯示所需要的所有類型的相關數據信息。通過定義文件，能夠在各種符合ARINC 661規范的CDS中進行對圖形用戶界面設計的有效重現。通過定義文件的引入從而有效地將CDS與UA予以有效分離，CDS在功能方面主要承擔著圖形界面顯示的作用，UA起到的是邏輯處理方面的作用。ARINC 661進行了對CDS和UA間的相關數據通信格式的科學合理的定義以及予以了有效地規范，并且通過設計人員的有效設計從而實現具體的UA的設計。通過該種手段從而使得CDS的設計轉變成為了開放型的模式，同時令邏輯方面的設計與界面方面的設計進行了有效地分離，一定程度上使得設計效率得到了有效地提升。

因為指定ARINC 661的委員會的相關成員是處于飛機制造領域以及航空電子系統軟件開發的領先地位的企業，從而一定程度上令ARINC 661規范的靈活性以及市場化程度得到了有效地提升，在商業化領域中具有良好的發展前景。所以，ARINC 661規范的提出受到了航空領域關注度相對較高，并且隨著科技水平的進一步發展，ARINC 661規范已在民用類型以及軍用類型的飛機CDS的設計開發得到了有效地應用。其中主要涉及到空客A380、空客A400M和波音787等。國際方面已完成了多款符合ARINC 661規范效果相對良好的座艙顯示系統開發工具，如VAPS XT ARINC 661 Module、GLStudio ARINC 661工具包、SCADE ARINC 661軟件等。

國內針對ARINC 661的研究在近年來也有較大的發展，在實現方式上進行探索和嘗試。上海飛機設計研究院在2015年對ARINC 661機載顯示軟件中的DF文件的原理和驗證機理進行了分析，并提出了一種新型的DF驗證方法[3]。該方法基于自動化分析技術，能夠提供基于數據的驗證結果，為機載顯示軟件研制人員提供了一種客觀、高效的DF驗證方法。南京航空航天大學在2015年基于ARINC 661規范，結合顯示屏觸摸功能，研究設計了一套用于飛機座艙的觸控屏顯控系統，提出了一種局部畫面區域隨屏幕出現實時移動的設計與實現方法[4]。利用ARINC 661規范中定義的窗體控件，通過UA和CDS內核間指令交互，在觸摸敏感的顯示器上實現局部畫面區域跟隨觸摸點實時移動的功能，使飛行員對座艙顯示畫面的控制更加方便高效。

2 ARINC 661標準解析及開發過程研究

2.1 ARINC 661標準解析

傳統上的座艙顯示軟件都是由廠家自己進行編寫，包含基于內部規則及邏輯的，能將信息呈現的可執行程序。而ARINC 661則將圖形繪制代碼及邏輯管理代碼區分開，定位及描述所有的虛擬元素。這個兩個組件即座艙顯示系統（CDS）和用戶應用程序（UA）。在按照功能將這兩個應用組件劃分后，下一步是定義消息交換的標準，即ARINC 661的實時運行協議。在用戶進行交互操作時，通過使用ARINC 661的實時運行協議。消息在CDS及一個或多個UA間被交換。一旦操作被處理，UA端將發回信息給CDS以更新顯示。

ARINC661規范主要從兩方面對CDS接口進行規范化定義：首先為CDS的顯示界面定義格式，引入圖形定義文件的概念來為座艙顯示系統定義界面；其次為CDS和UA之間通信定義規范化的通信協議，包括各類交互事件、傳輸消息格式等。

圖1 基于ARINC 661的飛行器顯示系統結構關系

定義文件（DF）是處于CDS內的的可裝入標準格式文件，從根本上來講其屬于圖形用戶接口方面的文件[17]。由定義的角度進行分析，定義文件主要是進行了對CDS界面的總體布局還有初始化CDS需要的相關信息進行了相對較為詳細的描述，通常情況下進行對座艙顯示系統初始化設置，從而把初始的界面窗口部件放置于CDS內部，此類型的文件僅僅只需CDS啟動時加載一次。ARINC 661通過將定義文件方面的相關概念進行了有效引入，從而為CDS還有UA建立良好的聯系，科學合理地將CDS設計還有UA邏輯設計相予以了合理分離，從而一定程度上提高了設計效率，大幅度降低了系統開發的時間同時也提高了CDS設計的可移植性。如圖2所示。

圖2 DF文件功能示意圖

ARINC 661規范規定，完成新的座艙顯示系統的有效開發，不僅需要展開對窗體部件方面的合理設計，還應當進行對相關圖片還有符號方面的有效設計。在進行對符號與圖片的設計過程中需要結合飛機的具體情況展開科學合理地設計，提前進行對圖片庫還有符號庫進行合理地定義，并且同界面定義的窗體部件共同在CDS中進行存儲，圖片和符號主要是通過特定的窗體部件結合設計圖片或者符號時的ID號予以有效地調用以及進行實例化顯示。在具體實踐過程中，因為不同機型CDS的設計關于圖片庫還有符號庫方面的要求存在一定程度的差異，提前所定義的圖片庫還有符號庫存在一定的局限性經常無法滿足實踐需求。所以，ARINC 661規范規定定義文件內需要具有針對性的圖片定義塊還有符號定義塊[5]。

因為圖片還有符號顯示需要通過特定的窗體部件根據ID標識進行實例化調用，所以在進行對窗體部件塊的定義之前需要進行對圖片塊和符號塊的定義。如上圖所示為定義文件結構示意圖，由圖2.3能夠了解到，ARINC 661規范的定義文件主要涉及到五部分數據塊。各個定義文件涵蓋了來自一個應用程序（UA）的多個應用程序層（UALD）定義，零個或者若干個符號定義，零個或者若干個圖片定義。因為定義文件涵蓋了許多CDS設計描述方面的相關信息，所以其結構化的設計能過實現信息存取方面的速度得以有效提高。

圖3 DF文件結構示意圖

對于定義文件的引入來講其主要三個優勢[18]：第一，ARINC661通過定義文件對CDS的顯示接口進行了科學合理的定義規范，所有符合ARINC661技術規范的CDS均可以進行對符合ARINC661規范的圖形界面定義文件的加載并顯示，從而使得CDS設計具有較高的移植性，第二，采用定義文件，能夠令系統的界面設計還有實踐應用進行有效地分離，同一CDS內核，能夠展開對不同圖形界面定義文件的有效設計，從而實現其功能與顯示效果的有效提升，使得座艙顯示系統的開發效率得到極大程度的提升。第三，定義文件的應用從而有效提高了CDS和UA間的通信的便捷性。可以將UA到CDS間的指令簡單視為窗體部件屬性值的設置和更新。UA到CDS間的指令傳遞能夠簡化成窗體部件屬性值的傳輸，CDS畫面的動態顯示能夠簡化為窗體部件結構和屬性值的改變。

基于ARINC 661標準的座艙顯示系統的設計原理是將“畫面顯示與業務邏輯”兩部分進行分離，分別對應與座艙顯示系統內核還有用戶系統兩大塊。CDS內核的主要作用是畫面顯示，而UA主要作用是邏輯處理，二者之間的關系如圖4所示。

圖4 ARINC 661標準CDS工作原理圖

座艙顯示系統的整個設計流程需要經過開發、定義和運行等三個階段[19]，如圖5所示。

圖5 ARINC 661標準CDS設計流程

一旦CDS結束加載DF步驟，所有窗體屬性的改變將由用戶應用程序進行控制，控制通過ARINC 661的實時指令完成，在執行過程中，CDS響應來自于鼠標、觸摸屏、鍵盤或其他輸入設備的用戶操作事件。這些交互操作將對窗體顯示產生作用（如：當鼠標停留在按鍵上時，按鍵將會高亮顯示），或者生成新的事件。而UA只接受這些事件消息，不用知道用戶交互的具體細節。

這樣的實時交互機制具備很多好處。首先是僅僅需要編寫CDS代碼，然后編譯、測試、驗證一次。在注釋完成后，CDS將加載一個新創建的定義文件來更新及改變顯示。同樣的好處在于改變應用邏輯流程的時候，僅僅需要修改UA的設置。

獨立的組件設計將任務劃分為圖形顯示和邏輯管理，使得開發工作更加簡便。

2.2 CDS開發過程解析

ARINC 661定義了一個可用于所有類型的飛機駕駛艙顯示的標準界面。ARINC 661正常化了座艙顯示系統（CDS）的定義；顯示和管理航空電子功能的用戶應用程序（UA）之間的溝通。

VAPS XT ARINC 661 Module是VAPS XT的一個插件模塊，可以方便快速地創建任何符合ARINC 661標準的CDS系統。VAPS XT ARINC 661 Module提供了以下的功能：①具有高度的靈活性和可擴展性，可用于開發用戶定制的對象或控件；②具有一個簡單易用的圖形化編輯界面，加快ARICN 661顯示設計與開發；③強大的基于對象模型的架構；④顯示布局文件可以存儲為可讀的XML文件；⑤提供大量ARINC 661控件。

2.3 UA開發過程解析

就像在之前所提到的，ARINC 661結構將邏輯與圖形分隔開。用戶應用程序（UA）是負責提供更新座艙顯示系統（CDS）顯示內容的數據，這些數據基于飛行數據及用戶交互顯示的數據。

ARINC 661標準并沒有對用戶應用程序的結構進行過多細節描述。第一份聲明中定義用戶應用程序能夠連接到一個或多個座艙顯示系統加載的層級。這個標準也規范了保持座艙顯示系統和用戶應用程序之間通信的ARINC 661運行協議。按照這兩點聲明，可以使用任意語言或設計方法來創建用戶應用程序。

將圖形及邏輯分隔開的好處是修改邏輯將不會影響到座艙顯示系統的定義。這樣的方法也有利于采取多團隊分布式創建座艙顯示及仿真和測試顯示。

通過商用軟件UA Emulator和UA Squared等提供UA顯示邏輯運行時仿真功能，對應用場景進行建模、測試；使得在項目論證前期即可通過軟件對UA的行為進行建模，提高軟件的開發效率。

3 結論

隨著航電設備的應用要求不斷發展和提高，對座艙顯示系統的要求顯示也越來越綜合化。ARINC 661規范作為座艙顯示系統畫面顯示的設計規范，對其主要畫面構建窗體部件進行定義。靜態定義文件對所有窗體部件進行預定義設計，CDS顯示設備負責各類部件的顯示管理，用戶UA發送動態指令信息更改窗體部件顯示效果，實現畫面動態顯示控制。在本文研究內容的基礎上，后續的工作可從進一步完善窗體部件庫和如何提高設計效率兩個方面開展研究。