未來機載能力環境（FACE）標準跟蹤研究

王博甲 任文明

(中國航空綜合技術研究所 北京市 100028)

2020年，美軍提出了“全域戰”的作戰概念，未來美軍的聯合部隊將深度融合各類作戰能力，使其能夠在陸、海、空、天、網等“全領域”展開新型協同行動。美軍聯合作戰對裝備系統重構能力是一種考驗，其空域作戰要求航空電子系統功能可隨作戰任務擴展和重構。便于更好地滿足機載軟件的功能更新和重構需求，美國海軍于2012年開始，組織開展了未來機載能力環境（FACE）研究，形成了一套基于通用作戰環境（COE）理念的航空電子系統軟件參考架構，為新一代作戰飛機實踐美軍“全領域”作戰概念提供了先進的標準和工具。

1 未來機載能力環境（FACE）介紹

1.1 FACE開發背景

未來機載能力環境（FACE）是美國海軍航空空戰電子計劃辦公室（NAVAIR）提出，美國空軍、洛克希德馬丁、波音、柯林斯航空等贊助，以開放群組協會標準的形式立項，組織各軍兵種、工業界、學術界、標準化組織等利益攸關方作為項目成員共同參與編制的航空電子系統軟件架構標準。FACE 項目解決的是航空電子系統軟件跨平臺移植性和復用性的問題。隨著機載軟件復雜度和規模的不斷增長，帶來的開發和維護工作量顯著增加，同時也加重了裝備研制經費預算的負擔。如何從頂層構建通用性良好的航空電子系統軟件參考架構，使得上層軟件功能模塊可以最大程度地復用，從而降低機載軟件開發成本，并縮短產品研制周期，就顯得十分迫切。

1.2 FACE設計理念

FACE 參考架構采用了分段設計的理念，針對航空電子系統實時性和嵌入式等特點，將航空電子系統中可變元素抽離。在段與段之間，定義了標準化接口，提供段之間的通信和數據傳輸。為保證數據的通用性，FACE 標準構建了共享數據模型，為軟件組件提供了標準的數據“語言”。

1.3 FACE版本變更

2012年1月，FACE 1.0 版發布，首次提出了未來機載能力環境參考架構；2013年10月，FACE 1.1 版發布，新增了關于術語和符合性驗證矩陣的描述。

同年，FACE 更新至2.0 版，增加了數據模型規范、可移植單元、運行時接口等內容，并在附錄中增加了FACE API 通用元素和數據模型語言。2014年5月， FACE 2.1 版發布，改變了部分術語名稱。

2017年11月，FACE 3.0 版發布，標準框架有較大幅度地調整，明確提出了針對架構中各分段、接口的要求，新增了生命周期管理服務接口、FACE 配置接口、可注入接口和程序語言映射支持等附錄內容。2020年7月，FACE 更新至3.1[1]版，發布了開放全域描述語言（Open UDDL）1.0 版，將FACE 數據模型描述語言進行了標準化定義。

2 FACE參考架構

2.1 架構分段

FACE 參考架構將機載軟件分為操作系統段、I/O 服務段、平臺特定服務段、傳輸服務段和可移植組件段（見圖1）。

圖1：FACE 參考架構

2.1.1 操作系統段

操作系統段（OSS）提供基礎系統服務，可供其他段使用，并為供應商產品代碼提供駐留環境。OOS 控制計算平臺訪問權限，提供不同操作系統環境和健康監控接口。

2.1.2 輸入/輸出服務段

輸入/輸出服務段（IOSS）規范接口硬件設備驅動程序。通過使用適配器設計模式與供應商提供的驅動進行通信，將數據轉換到標準化的FACE 接口。該段內的I/O 服務為子系統數據提供接口硬件至平臺特定服務段（PSSS）的橋梁。

2.1.3 平臺特定服務段

平臺特定服務段（PSSS）包含平臺特定設備服務、平臺特定通用服務和平臺特定圖像服務。平臺特定設備服務提供平臺唯一的接口控制文件和FACE 數據模型之間的轉換。平臺特定通用服務由更高等級的服務組成，包括日志服務、中心配置服務、設備協議中介服務（DPMS）、流媒體和系統級健康監控和管理。平臺特定圖像服務提供圖像展現管理。

2.1.4 傳輸服務段

傳輸服務段（TSS）是通信服務駐留地，為可移植組件段或平臺特定服務段的軟件組件提供數據分發、數據傳輸等服務，以及服務質量、數據轉換、模式翻譯和消息關聯等服務，支持數據分發服務（DDS）和通用對象請求代理架構（CORBA）等。

2.1.5 可移植組件段

可移植組件段（PCS）是軟件提供任務級能力或業務邏輯的位置，是用于封裝FACE 可移植單元的結構概念?？梢浦步M件獨立于硬件、傳感器、數據傳輸機制和操作系統，并可跨平臺移植，具備良好的可移植性和互操作性。

2.2 架構接口

FACE 標準定義了三個關鍵接口，包括：

2.2.1 操作系統段接口

操作系統段接口為操作系統內的軟件提供使用服務的標準化方式。這類接口包括ARINC 653、POSIX 和HMFM API。操作系統段接口可提供網絡連接、編程語言運行時環境和組件框架。

2.2.2 I/O 服務接口

I/O服務接口為軟件與接口硬件設備驅動通信提供標準化方式。該接口由輸入/輸出服務段向平臺特定服務段提供。該接口使用經I/O 消息模型格式化后的消息。

2.2.3 傳輸服務接口

傳輸服務接口為軟件使用通信服務提供標準化方式。該接口由傳輸服務段向平臺特定服務段和可移植組件段提供。該接口使用標準化數據格式。FACE 要求可移植組件段和平臺特定服務段所有組件均使用傳輸服務接口來進行數據交互。

除上述三種關鍵接口外，FACE 3.1 還定義了配置接口、生命周期管理服務接口、操作系統段健康監控和管理接口、可注入接口等。

3 FACE數據模型

3.1 數據模型語言

FACE 數據模型語言提供數據模型建模方法，見圖2。

圖2：FACE 數據模型語言

概念數據模型是由實體、表征和關聯組成，對實體、表征、關聯進行建模。

邏輯數據模型是由實現概念數據模型的實體、表征和關聯組成。相較于概念數據模型，邏輯數據模型添加了包括單位度量、坐標系、參考點、值域、約束、度量精度。一個概念數據模型可能由多個邏輯數據模型實現。

平臺數據模型是由實現對應邏輯數據模型的實體、表征和關聯組成。平臺數據模型中會呈現具體的數據類型和精度。一個邏輯數據模型可由多個平臺數據模型實現。

可移植單元數據模型為可移植單元提供標準的消息接口，將該消息接口定義為端口，端口引用平臺數據模型的視圖來規范消息類型?？梢浦矄卧獢祿Ｐ吞峁┟麢C制，允許組件開發者對可移植單元的消息元素進行命名。

綜合模型是由為可移植單元間交換數據提供建模方法的元素組成。綜合模型捕獲數據交換、視圖轉換和可移植單元集成。綜合模型依賴可移植單元數據模型表達互聯性。其關注焦點在于記錄可移植單元數據交互細節。

3.2 語言綁定規范

平臺數據模型映射為程序語言時，需要進行數據模型語言綁定。語言綁定定義了如何獲取平臺數據模型視圖和創建程序類/結構。程序類/結構是通過傳輸服務段傳輸的消息。

數據模型語言綁定分為兩部分映射。第一部分映射是從平臺數據模型到對象管理組（OMG）接口定義語言，第二部分映射是從對象管理組（OMG）接口定義語言到所支持的程序語言。組件開發者也可以從平臺數據模型直接生成數據結構，不采用接口定義語言作為中間格式。數據模型語言綁定見圖3。

圖3：數據模型語言綁定規范

3.3 共享數據模型

共享數據模型（SDM）[2]是構建其他數據模型的核心數據元素，也是軟件供應商和系統集成商交互的主要點。共享數據模型是一組自動生成的數據元素，包括可觀測量、坐標系統、度量系統、度量、單位、值類型、值類型單位對、元素引用。

共享數據模型隨著FACE 標準的應用在不斷迭代和擴展，共享數據模型庫越大，則說明軟件供應商在更大范圍達成了數據模型層面的共識，便于數據傳輸格式的標準化和通用化。

4 FACE符合性政策

4.1 FACE符合性程序關鍵實體

FACE 標準建立了完善的標準符合性驗證、認證和注冊機制[3]，在FACE 符合性項目中起關鍵作用的實體包括以下幾類機構[4]。

4.1.1 認證授權機構

認證授權機構是FACE 指導委員會批準的唯一機構，負責FACE 符合性項目的日常運營，主要職責包括評估提交申請的認證應用、監控協議合法性和發布FACE 符合性認證證書。

4.1.2 驗證授權機構

驗證授權機構負責執行軟件供應商提交的待驗證軟件組件的驗證試驗，并對驗證結果進行評估，形成驗證評估結論。FACE 驗證授權機構也由FACE 指導委員會批準，可成立多個驗證機構承擔標準符合性驗證職責。

4.1.3 軟件供應商

軟件供應商是指生產符合FACE 標準要求的軟件產品供應商，為了使產品符合FACE 標準要求，軟件供應商必須向驗證機構提交FACE 標準符合性驗證申請，產品經驗證通過后，才可申請FACE符合性認證證書。

4.1.4 庫管理機構庫管理機構是管理FACE 注冊庫和授權FACE ID 的唯一實體。

4.2 FACE符合性程序

FACE 建立了完整的符合性程序，包括驗證、認證和注冊[5]。

FACE 驗證是確認符合性單元（UoC）符合FACE 標準要求。FACE 驗證對照符合性驗證矩陣（CVM）開展，驗證方法包括目視檢查和測試等。驗證工作由驗證授權機構執行。

軟件產品通過FACE 驗證后，軟件供應商提交驗證結果申請初始化認證，由認證授權機構執行軟件產品的FACE 符合性認證工作。

軟件產品通過FACE 認證后，申請FACE 注冊。FACE 注冊是將通過FACE 認證的符合性單元列入FACE 注冊庫的流程。注冊庫是所有FACE 認證產品的唯一來源。

5 建議

借鑒FACE 項目的發展歷程，結合我國航空電子系統軟件架構發展現狀，提出以下三點建議：

5.1 軍方主導建立軟件架構標準研制項目管理機構

在FACE 標準項目的推進過程中，軍方始終處于主導地位。軍方主導項目工作可以從頂層確保工作可以有效推進。通過成立專項辦公室負責項目管理，可以確保標準頂層需求的準確性和及時性，也可以有力推動標準的研制。當標準形成草案并逐漸成熟后，可以委托標準化機構推動項目日常工作。

5.2 聯合共建軟件組件通用數據模型

FACE 標準數據模型的標準化為軟件組件的標準化提供了基礎，通過建立通用數據模型和數據模型語言映射標準，確保了FACE 參考架構不同段之間數據傳輸的互通性。在研制相關頂層架構標準時，建議從數據抓起，保證研制方采用同一套數據模型。

5.3 建立標準的驗證、認證和注冊機制

FACE 標準建立了完善的標準符合性驗證、認證和注冊機制，提供了相關政策、程序、方法，確保標準的貫徹實施落到實處。我國在開展相關標準的研制工作時，可探索如何同步建立標準符合性驗證、認證、注冊機制，完善標準的執行監督體系，形成標準制定、實施、監督的長效機制。

6 結束語

本文對未來機載能力環境（FACE）標準進行了詳細描述，闡述了FACE 標準參考架構、數據模型、符合性政策等。FACE 參考架構通過分段和接口標準化，在一定程度上解決了航空電子軟件組件可移植性和可復用性問題，為產品研制節省了經濟和時間成本，從長遠來看有助于裝備能力的拓展。結合我國國情，提出了航空電子系統軟件架構標準發展的三點建議，為軟件架構的研制工作提供了參考。