Avionische Systeme und Software

Avionik (Flugzeug-Elektronik) verursacht heute 30% der Entwicklungskosten eines Verkehrsflugzeugs. Ca. 1000 einzelne Funktionen werden als Software umgesetzt, Tendenz steigend. Dabei gehören die Umgebungsbedingungen und Sicherheitsanforderungen zu den anspruchsvollsten überhaupt. Die Avionikgruppe entwickelt Methoden und Werkzeuge zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses moderner Avioniksysteme mit dem Ziel zu ausgereiften und verbesserten Avioniksystemen zu kommen. Der Schwerpunkt ist dabei die Integrierte Modulare Avionik (IMA). Dabei kommen formale Methoden des Model-based und Computer-aided Engineerings (MBSE/CAE) sowie Algorithmen zum Einsatz, aber auch klassische Disziplinen des Software- und Hardwareentwurfs, sowie Tests und Simulation.

Avionik-Architekturentwurf

Vor dem Bau eines Avioniksystems – heute meist auf der Basis von verteilter IMA (Distributed IMA, DIMA) – steht die Wahl der besten Plattform und Architektur. Gerätetypen und -anzahl, sowie Einbau und Funktionsverteilung müssen festgelegt werden. Durch standardisierte Komponenten und parallele Nutzung ist die Zahl der möglichen Architekturen auf eine Größe gewachsen, die manuell kaum beherrschbar ist. Mit optDIMA ist ein Werkzeug entstanden, welches eine formale Modellierung von IMA-Architekturen und Anforderungen erlaubt und damit eine frühzeitige Validierung und Bewertung von Architekturvarianten ermöglicht. Dabei werden sowohl Ressourcenbedarf als auch Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen berücksichtigt. Ergänzend stehen flexible Designautomationsalgorithmen bereit, mit denen Architekturen in Teilaspekten wie Funktionsallokation oder Routing, über Topologieoptimierung und Sizing, bis hin zur vollständigen Architektur optimiert werden können. Mehrere teilweise konkurrierende Kriterien erfordern mehrkriterielle Optimierungen mit der Liste der besten Kompromisse, der sogenannten Pareto-Front, als Lösung. Dabei fließen auch Kriterien, wie Betriebskosten, mit ein, die aufgrund ihrer Komplexität im manuellen Entwurf keine Berücksichtigung finden. Verwendete Methoden und Algorithmen sind so gewählt, dass sie Optimierungen auf Flugzeuglevel ermöglichen. Modell, Methodik und Algorithmen werden stetig weiterentwickelt und kommen mittlerweile auch in anderen verteilten Rechnersystemen zur Anwendung.

IMA-Konfiguration

Systeme und die damit verbundene IMA Software erfordern eine Konfiguration zur Inbetriebnahme auf der Ziel-Hardware. Diese beinhaltet beispielsweise Parameter zur Aufteilung der verfügbaren Hard- und Software-Ressourcen, Schnittstellen und Kommunikationsparameter wie bspw. Port-Belegungen, Speichervolumen, Geräteadressen und andere. Pro System gibt es mehrere Hundert von diesen Parametern. Die zunehmende Anzahl an auf IMA basierenden Systemen erfordert einen Paradigmenwechsel in der Auslegung. Der Entwicklungsprozess von IMA Hard- und Software erfolgt parallel durch unterschiedliche Akteure, wie etwa den Modulherstellern, den System- und Funktionslieferanten oder den Systemintegratoren. Dieser heterogene und verteilte Prozess verschärft die Gefahr von Fehlern in der Konfiguration, welche erst spät im Integrationsprozess erkannt werden und dadurch unnötige Kosten verursachen.

Das am Institut für Flugzeug-Systemtechnik entwickelte Werkzeug für Concurrent Configuration Engineering (CCE) unterstützt den verteilten Entwicklungsprozess indem es eine iterative Entwicklung der Konfigurationsdaten mit geeigneten Methoden bereitstellt. Dazu zählt neben einer Versionsverwaltung auch die kontinuierliche Validierung der Konfiguration auf Flugzeugebene im Hinblick auf Konsistenz und Integrität zwischen verschiedenen IMA-Anwendungen insbesondere bei der Integration. Die Software bietet ja nach Akteur verschiedene Funktionen, um Konfigurationsdaten (automatisiert) aufzubereiten, zu kombinieren und zu integrieren. Die Softwarearchitektur basiert auf einem domänenspezifisches Modell aller Konfigurationsparameter und erlaubt dadurch eine schnelle Anpassung an sich ändernde Anforderungen oder neue IMA Komponenten und der damit verbundenen Parameter. Ein Interface zu bestehenden Parameter-Datenbanken erlaubt den Import und Export in bestimmte Formate, wie sie von anderen Werkzeugen bspw. zur Generierung von Software verwendet werden.

IMA-Simulation / -Test / - Labor

Am Institut für Flugzeug-Systemtechnik wird für Forschung und Lehre ein Avioniklabor aufgebaut. Als Vorbereitung zur Integration realer Hardware entsteht ein generischer Prüfstand bestehend aus aktueller IMA Hardware und virtuellen Komponenten. Dazu zählen bspw. Core Processing Modules (CPMs) und Remote Data Concentrators (RDCs). Die Emulation verschiedener IMA-Komponenten erfolgt auf Basis eines echtzeitfähigem dSPACE SCALEXIO Systems, auf der die komplette Simulation von IMA-Modulen, -systemen und Anwendungen ausgeführt und das Abbilden der realen I/O Schnittstellen ermöglicht wird. Innerhalb dieser Simulationsumgebung kann eine Analyse der ausgeführten IMA-Prozesse durchgeführt und anhand definierter Testfälle bspw. Kontroll- und Monitoring Funktionen validiert werden. Auf diese Weise soll eine Optimierung hinsichtlich der Anwendbarkeit und Auslegung von Systemarchitekturen, AFDX-Netzwerktopologien und IMA-Modulen vorgenommen werden. Im Rahmen von vorlesungsbegleitenden Übungsgruppen haben Studenten die Möglichkeit durch Auslegung und Inbetriebnahme von Applikationen, IMA Hard- und Softwarekomponenten und die damit verbundenen Bussysteme und -protokolle in der Praxis kennenzulernen und zu verstehen. Ziel ist es dabei, die Studenten an das IMA-Konzept heranzuführen.

ULTRA-Avionik

Das Institut für Flugzeug-Systemtechnik betreibt unbemannte Forschungsflugzeuge als flexible Plattform für effiziente Forschung für hochautomatisiertes Fliegen. Bestandteil des Projekts ULTRA (Unmanned Low Cost Testing Research Aircraft) sind skalierte Untersuchung von Konzepten für Avionik und avionikbasierte Systeme. Dazu zählt die Entwicklung von Hardwarekomponenten wie das Design von in die Flugversuchsträger eingebetteter Avionikhardware, wie z.B. Logger und I/O Gateways. Weiterhin entsteht im Rahmen dieses Projektes diverse Avioniksoftware, etwa unter Verwendung eines In-House Echtzeit-Betriebssystems Komponenten für Anzeigen, Built-In-Test-Equipment (BITE) und zur Diagnose von Avionikhardware. Dazu zählen auch Software-Frameworks für Signalverarbeitung, Kommunikation und Analyse und Visualisierung. Diese Komponenten werden in einer Hardware-In-The-Loop (HITL) Simulation und unter realen Bedingungen im Flugversuch erprobt und bewertet.

  

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