论文部分内容阅读
5月10日,波音公司在其位于美国密苏里州圣路易斯市的工厂揭开了一种新型隐身无人驾驶飞机的面纱。这架名为“幻影射线”的无人机,因搭载合成孔径雷达、红外激光雷达监测系统、电子侦听等多种侦察设备而被称为无人间谍机。
波音防务、空间与安全集团(BDS)首席执行官Muilenburg表示,“幻影射线”为波音的客户提供了一个先进的测试平台,包括情报、监视、侦察、压制敌方防空、电子攻击、自主空中加油等技术。
“幻影射线”是波音防务、空间与安全集团下属的幻影工程部门(Phantom Works)历时两年开发出来的。它不仅是美军未来作战系统的重要组成部分,而且体现了波音未来研发的理念。
2008年11月18日～20日,在由美国网络与信息技术研发计划(NITRD)所属委员会、美国军方等举办的“高可信交通信息物理系统:汽车、航空与铁路”论坛上,波音幻影工程部门负责工程与信息技术的副总裁Don Winter在其主题为“信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)——航空工业展望”的演讲中,描绘了CPS在航空工业中的发展前景。
维基百科对CPS的定义十分简单,CPS是计算元素和物理元素紧密结合、相互协调的系统。这个系统可大可小,大则足以涵盖物联网。
人机融合成全CPS
“全球鹰”、“猎食者”等无人驾驶飞机在阿富汗战场上大出风头,标志着作战方式正从敌对双方战斗人员的直接较量,演变为有人系统与无人系统融为一体后的协同作战能力的较量。
经历数十年的发展,特别是近20多年来信息技术的高速发展,航空电子学取得了长足的进步。无论是飞行控制、导航、雷达,还是通信、数据链、武器系统等,各种航电子系统都建立在实时嵌入式系统的基础之上。
但是这些航电子系统大都是各自独立发展起来的。由于相互之间的协同工作能力不强,这些航电子系统很难适应在高度动态的环境中实时地执行特定任务的需要。人机融合的新系统对智能和自主操作提出了更高的要求。多个子系统之间基于网络的协同工作能力成为研发的重点。
传感器特别是无线传感器的广泛使用,在给新系统增添更多感知功能的同时,也增加了系统的复杂性。航电系统工作在苛刻的环境中,所以对无线传感器的功耗、传感器间的高效通信能力、高可靠性、高安全性以及无线通信频谱的兼容性等提出了更高的要求。
“全球鹰”、“猎食者”等无人机涉及到的软件系统相对较少,而在肩负着多种先进技术验证平台使命的“幻影射线”的身上,则凸显了以复杂网络为中心、人机一体的未来战场的作战特征。
美国陆军在2003~2009年实施的未来作战系统(FCS)项目中,通过网络将无人机与传感器等无人值守的设备、各种无人驾驶车辆、各种人员操纵的装甲车辆联系在一起,使得CPS的规模从航空系统内部扩展到整个战场。
软件的复杂性暴增
“在军用和民用航空市场占据重要地位的波音公司,对CPS具有独特的认知。在波音公司,CPS将无处不在。CPS也会在航空工业中得到广泛使用。”Don Winter表示,“CPS对波音的产品来说非常重要。CPS的复杂性正在增加。”
在上个世纪70年代到80年代,运输机研发成本的90%来自于机身结构和航空动力方面,而CPS系统的研发成本不足10%。如今,情况发生了根本性的变化,CPS的设计、开发、测试和评估的成本很快将超过总研发成本的50%。
在过去20年里,航空电子学发生了巨大的变化,嵌入式系统已经占据主导地位,处理器与存储器的性能有了1000倍的提升,商用处理器得到了广泛应用。
软件代码长度呈指数级增加,意味着CPS系统越来越龐大、越来越复杂。
波音747-400是在1989年投入商业运营的。当时,飞机上的CPS相关软件只有10MB大小,相当于100万行源代码。1995年投入运营的波音777上,CPS相关软件已达100MB,相当于1000万行源代码。2009年首飞成功的波音787,其CPS相关软件的代码长度提高了两个甚至更多个数量级。这一现象已在军用机领域得到验证。
因此,软件开发平台,特别是对系统模块间的互操作性进行测试与评估的工具,显得非常重要。没有上述工具,下一代CPS的研发将因开发风险和成本问题而难以进行。
分而治之降低复杂性
系统复杂性的急剧增加,不仅意味着研究难度的增加,而且会造成整个CPS系统的成本居高不下。整个航电系统已经在飞行器成本中占据相当大的比重,因此降低CPS的成本与提高CPS系统的性能和效率同样重要。
采用市售的商用软硬件是降低CPS系统成本的有效途径。但是,很多军用航电子系统有特殊的应用需求,比如在满足多层次安全需求的同时支持联合作战,必须经受住各种各样的网络攻击等。对应用环境的苛刻要求以及相对较小的市场容量,使得CPS很难吸引商用软件开发商的兴趣。
为应对作战系统日益复杂、多变和CPS软件复杂度急剧增加的挑战,作为CPS系统两家总承包商之一的波音公司,在FCS项目实施过程中开发了一系列基于中间件的产品,其核心是多系统通用作战环境系统(System of Systems Common Operating Environment,SOSCOE)。
SOSCOE建立在商用处理器硬件架构和商用实时与非实时操作系统之上,为FCS系统中众多分散的、各自为政的子系统提供了一个公共的软件平台。这种CPS架构在各种航电子系统与商业操作系统和硬件之间提供了一个隔离层,从而确保了航电子系统与商用软硬件平台之间相互独立,使得研发人员可以对特定的航电子系统进行开发或者更新换代,而不会影响整个系统的体系架构。
如今,因独立航电子系统的演进、更多自主和智能的操控以及在未知环境中预测系统行为是否安全可靠而带来的挑战,比以往任何时候都大,而这些挑战在无人机的研发中会变得更大。
波音防务、空间与安全集团(BDS)首席执行官Muilenburg表示,“幻影射线”为波音的客户提供了一个先进的测试平台,包括情报、监视、侦察、压制敌方防空、电子攻击、自主空中加油等技术。
“幻影射线”是波音防务、空间与安全集团下属的幻影工程部门(Phantom Works)历时两年开发出来的。它不仅是美军未来作战系统的重要组成部分,而且体现了波音未来研发的理念。
2008年11月18日～20日,在由美国网络与信息技术研发计划(NITRD)所属委员会、美国军方等举办的“高可信交通信息物理系统:汽车、航空与铁路”论坛上,波音幻影工程部门负责工程与信息技术的副总裁Don Winter在其主题为“信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)——航空工业展望”的演讲中,描绘了CPS在航空工业中的发展前景。
维基百科对CPS的定义十分简单,CPS是计算元素和物理元素紧密结合、相互协调的系统。这个系统可大可小,大则足以涵盖物联网。
人机融合成全CPS
“全球鹰”、“猎食者”等无人驾驶飞机在阿富汗战场上大出风头,标志着作战方式正从敌对双方战斗人员的直接较量,演变为有人系统与无人系统融为一体后的协同作战能力的较量。
经历数十年的发展,特别是近20多年来信息技术的高速发展,航空电子学取得了长足的进步。无论是飞行控制、导航、雷达,还是通信、数据链、武器系统等,各种航电子系统都建立在实时嵌入式系统的基础之上。
但是这些航电子系统大都是各自独立发展起来的。由于相互之间的协同工作能力不强,这些航电子系统很难适应在高度动态的环境中实时地执行特定任务的需要。人机融合的新系统对智能和自主操作提出了更高的要求。多个子系统之间基于网络的协同工作能力成为研发的重点。
传感器特别是无线传感器的广泛使用,在给新系统增添更多感知功能的同时,也增加了系统的复杂性。航电系统工作在苛刻的环境中,所以对无线传感器的功耗、传感器间的高效通信能力、高可靠性、高安全性以及无线通信频谱的兼容性等提出了更高的要求。
“全球鹰”、“猎食者”等无人机涉及到的软件系统相对较少,而在肩负着多种先进技术验证平台使命的“幻影射线”的身上,则凸显了以复杂网络为中心、人机一体的未来战场的作战特征。
美国陆军在2003~2009年实施的未来作战系统(FCS)项目中,通过网络将无人机与传感器等无人值守的设备、各种无人驾驶车辆、各种人员操纵的装甲车辆联系在一起,使得CPS的规模从航空系统内部扩展到整个战场。
软件的复杂性暴增
“在军用和民用航空市场占据重要地位的波音公司,对CPS具有独特的认知。在波音公司,CPS将无处不在。CPS也会在航空工业中得到广泛使用。”Don Winter表示,“CPS对波音的产品来说非常重要。CPS的复杂性正在增加。”
在上个世纪70年代到80年代,运输机研发成本的90%来自于机身结构和航空动力方面,而CPS系统的研发成本不足10%。如今,情况发生了根本性的变化,CPS的设计、开发、测试和评估的成本很快将超过总研发成本的50%。
在过去20年里,航空电子学发生了巨大的变化,嵌入式系统已经占据主导地位,处理器与存储器的性能有了1000倍的提升,商用处理器得到了广泛应用。
软件代码长度呈指数级增加,意味着CPS系统越来越龐大、越来越复杂。
波音747-400是在1989年投入商业运营的。当时,飞机上的CPS相关软件只有10MB大小,相当于100万行源代码。1995年投入运营的波音777上,CPS相关软件已达100MB,相当于1000万行源代码。2009年首飞成功的波音787,其CPS相关软件的代码长度提高了两个甚至更多个数量级。这一现象已在军用机领域得到验证。
因此,软件开发平台,特别是对系统模块间的互操作性进行测试与评估的工具,显得非常重要。没有上述工具,下一代CPS的研发将因开发风险和成本问题而难以进行。
分而治之降低复杂性
系统复杂性的急剧增加,不仅意味着研究难度的增加,而且会造成整个CPS系统的成本居高不下。整个航电系统已经在飞行器成本中占据相当大的比重,因此降低CPS的成本与提高CPS系统的性能和效率同样重要。
采用市售的商用软硬件是降低CPS系统成本的有效途径。但是,很多军用航电子系统有特殊的应用需求,比如在满足多层次安全需求的同时支持联合作战,必须经受住各种各样的网络攻击等。对应用环境的苛刻要求以及相对较小的市场容量,使得CPS很难吸引商用软件开发商的兴趣。
为应对作战系统日益复杂、多变和CPS软件复杂度急剧增加的挑战,作为CPS系统两家总承包商之一的波音公司,在FCS项目实施过程中开发了一系列基于中间件的产品,其核心是多系统通用作战环境系统(System of Systems Common Operating Environment,SOSCOE)。
SOSCOE建立在商用处理器硬件架构和商用实时与非实时操作系统之上,为FCS系统中众多分散的、各自为政的子系统提供了一个公共的软件平台。这种CPS架构在各种航电子系统与商业操作系统和硬件之间提供了一个隔离层,从而确保了航电子系统与商用软硬件平台之间相互独立,使得研发人员可以对特定的航电子系统进行开发或者更新换代,而不会影响整个系统的体系架构。
如今,因独立航电子系统的演进、更多自主和智能的操控以及在未知环境中预测系统行为是否安全可靠而带来的挑战,比以往任何时候都大,而这些挑战在无人机的研发中会变得更大。