0 引言

民用飞机MBD软件指的是应用了基于模型开发技术的机载软件。MBD技术在民用航空领域的应用,给机载安全关键设备供应商在嵌入式软件开发和验证工作上带来了巨大便利。图形化的建模和仿真、自动化的代码生成技术,无论从时间成本,还是人力投入方面来看,都能够为设备供应商大幅节约开支。在民用飞机机载软件适航符合性验证方面,美国航空无线电委员会(Radio Technical Commission for Aeronautics,简称RTCA)于2010年发布了DO-178C^[1],作为指导机载系统嵌入式软件生命周期过程的指南性文件。在2011年又发布了DO-331《基于模型的开发和验证(对于DO-178C和DO-278A的补充)》^[2],进一步细化了对应用MBD技术开发的机载软件的目标要求。美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,简称FAA)在2013年通过发布咨询通告的形式,中国民用航空管理局(简称CAAC)通过发布问题纪要的形式,先后认可了DO-178C和DO-331作为局方可接受的机载软件对适航审定基础的符合性方法。MBD技术在国外已发展多年,已经在该技术的应用和支持工具的开发方面积累了较丰富的经验。而国内的MBD技术尚处在起步阶段,目前只有为数不多的研究所做了初步尝试,在适航符合性验证方面的经验欠缺。

1 MBD软件开发技术概述

民用飞机机载系统中,嵌入式机载软件的占比正稳步提高并日趋复杂。软件开发的成本既包括设计和编码的成本,也包括验证的成本。传统方式设计的商用软件中每百万行代码中约有100个缺陷,通常缺陷中的20%是验证等级的,1%是灾难等级的。相对于商用软件,安全关键系统的软件缺陷可能会少一个数量级,即每百万行代码中约有20个,因此,在安全关键系统的软件中,每百万行代码中平均每5个缺陷中就至少有1个是严重的。由于安全关键系统的生命周期可能会持续几十年,考虑到后期的维护、改造和升级费用,传统方式设计的软件成本几乎不可控。MBD技术既能够保证系统安全性,又能适当降低设计的复杂度,并在项目早期发现软件缺陷,从而降低开发成本。

2 机载软件适航符合性过程和工程监控过程

2.1 机载软件适航符合性过程

目前国内外主流的民用飞机研发模式采用“主制造商供应商”的模式,即由供应商提供机体结构和机载设备/系统,主制造商负责集成。

大型民用飞机的审定基础为CCAR 25部,其中机载软件作为机载设备产品的一部分,相关的适航条款为CCAR25.1301和CCAR25.1309。2013年,FAA发布咨询通告AC20-115C,认可DO-178C及其补充标准作为相关适航规章的符合性方法。CAAC目前虽然尚未认可DO-178C作为符合性方法,但DO-178C及其补充标准中的部分要求以问题纪要的形式在某型客机项目上提出,并在机载软件研制过程中贯彻^[3,5]。

为了评估机载软件研制过程对DO-178C及其补充标准、适用的问题纪要的符合性,审查方通常要对机载软件研制过程进行阶段适航符合性评审。FAA Order 8110.49Chg1^[6]将适航符合性评审分为以下四个阶段:

1) 软件计划评审(SOI#1):软件计划评审的目的是评估软件的计划和标准是否满足DO-178C的要求并且按照研制过程的要求进行了内部评审和构型管理,以及质量保证人员对软件计划过程的监控。软件计划评审中,审查方还需评估当软件研制过程遵循软件计划和标准时,是否能满足DO-178C及其他适航要求;

2)软件开发评审(SOI#2):软件开发过程包括软件需求、设计、编码和集成过程以及对应的软件验证、构型管理、质量保证和适航联络等整体过程。软件开发评审的目的是评审上述过程的输出,以评估软件计划和标准在开发过程中的贯彻程度,以及输出对DO-178C及其他适航要求的符合性;

3)软件验证评审(SOI#3):软件验证过程包括评审、分析、测试等活动以及对应的软件验证、构型管理、质量保证和适航联络等整体过程。软件验证评审的目的是评估上述过程的输出,以评估软件计划和标准在验证过程中的贯彻程度,确保软件的需求、设计、编码进行了充分的验证,测试结果进行了评审和分析;

4)软件最终评审(SOI#4):软件最终评审是针对用于系统/设备审定的软件构型,确保软件生命周期过程完整,遵循了被批准的软件计划和标准,符合DO-178C及其他适航要求。同时,还要对SCI、SAS以及质量符合性评审记录进行评审。

2.2 机载软件工程监控过程

根据适航审定当局制定的适航符合性介入审查要求,民机主制造商应定义相应的工程监控过程,以国内某型飞机研制为例,可在软件生命周期过程中划分4次~5次工程监控活动,由主制造商检查供应商的软件研发过程、活动和输出物是否符合适航要求。工程监控活动包括计划阶段评审、设计开发阶段评审、测试阶段评审和最终阶段评审,其中设计开发阶段可分为初步设计评审和详细设计评审两个阶段,分别检查软件的高级别需求和低级别需求。

3 主制造商对传统机载软件供应商工程监控

民用飞机机载软件采用RTCA/DO-178C作为符合性方法,主制造商可对供应商的软件研制过程进行一系列的工程评审,以监控供应商的软件研制过程对RTCA/DO-178C中目标的符合性。这些工程评审活动可包含软件计划阶段评审(Planning Process Review)、软件初步设计评审(Preliminary Design Review)、软件详细设计评审(Critical Design Review)、软件测试就绪评审(Test Readiness Review)和软件符合性评审(Software Conformity Review,简称SCR)等。设计评审的介入由主制造商来决定,可以定义比上述评审活动更多的介入点,也可以定义更少的介入点,主要根据项目特点和工程监控的程度决定。主制造商对机载软件供应商的工程监控活动,不是适航符合性规章的要求,而是主制造商为控制项目风险对供应商进行的技术监控^[7]。

4 主制造商对MBD软件供应商的工程监控

4.1 计划过程

MBD软件除满足RTCA/DO-178C计划阶段要求外,还应满足DO-331中的目标A1.5要求(见表1),需要编制软件模型标准,规范机载软件建模准则、方法、工具、流程等^[4,8]。软件计划阶段还应该满足下列要求:

1)在软件计划文件中清晰地描述了哪些软件模块采用基于模型开发和验证技术;

2)采用哪种模型(规范模型或设计模型)以及在什么需求层级上应用;

3)与传统开发的软件模块如何集成、接口如何验证;

4)采用哪些模型开发和验证工具,是否需要鉴定以及获得的适航置信度;

5)对问题纪要或其它审定要求的符合性计划。

4.2 开发过程

MBD软件应满足DO-178C开发阶段要求外,还应满足目标A2.MB8、A2.MB9和A2.MB10要求(见表2)。软件开发阶段还应该满足下列要求:

1)按照软件计划文件中描述开发软件;

2)软件模型经过评审并正式受控;

3)软件模型符合软件建模标准;

4)软件模型和上层需求建立双向追溯关系;

5)识别衍生模型(即无法与上层需求建立追溯关系);

6)软件模型是否按照自动生成代码工具生成源代码;

7)自动生成代码和手写代码是否完成集成活动;

8)模型开发工具鉴定活动是否已经完成。

4.3 验证过程

在MBD软件的验证过程中,除需满足DO-178C验证阶段要求外,还应满足DO-331中的目标A3.MB8、A3.MB9、A3.MB10、A4.MB14、A4.MB15、A4.MB16、A7.MB10、A7.MB11和A7.MB12要求(见表3)。软件验证阶段还应该满足下列要求:

1)按照软件计划文件中的描述验证软件;

2)软件模型、测试用例/程序、测试结果建立了双向追溯关系;

3)验证了衍生模型;

4)模型仿真活动及仿真结果,模型覆盖率分析结果;

5)完成了模型验证工具鉴定活动。

4.4 构型管理和质量保证过程

MBD软件构型管理、质量保证和审定联络过程与DO-178C要求一致,没有额外目标^[9]。

软件构型管理过程贯穿整个软件生命周期,主要目的是对软件构型项进行标识和控制。软件构型管理过程的主要活动包括构型标识、基线和追溯性、问题报告/更改控制/更改评审、构型纪实、归档/检索/发布、软件生命周期环境控制等几个方面。软件构型管理过程的输出主要是构型管理记录。

软件质量保证过程贯穿整个软件生命周期,主要目的是通过质量保证人员的评审、审核、目击、检查等方法确保软件的实际研制过程遵循被批准的软件计划和标准^[10]。软件质量保证过程的输出是质量保证记录。

5 结论

对于使用了MBD技术开发机载软件的供应商,主制造商应以DO-178C为基础,综合考虑对DO-178C和DO-331中目标的符合性。本文以民用飞机适航符合性过程为出发点,通过机载软件适航符合性验证过程引出主制造商对供应商软件的工程监控,并基于MBD软件相较于传统机载软件的特殊性,导入了对MBD软件的工程监控过程要求。本文总结的主制造商对MBD软件供应商的工程监控过程要求,对国内民机主制造商在处理使用MBD技术开发机载设备/系统的嵌入式软件的适航符合性验证活动时具有参考价值。

参考文献