未来机载能力环境（FACE）标准跟踪研究

王博甲 任文明

(中国航空综合技术研究所 北京市 100028)

2020年，美军提出了“全域战”的作战概念，未来美军的联合部队将深度融合各类作战能力，使其能够在陆、海、空、天、网等“全领域”展开新型协同行动。美军联合作战对装备系统重构能力是一种考验，其空域作战要求航空电子系统功能可随作战任务扩展和重构。便于更好地满足机载软件的功能更新和重构需求，美国海军于2012年开始，组织开展了未来机载能力环境（FACE）研究，形成了一套基于通用作战环境（COE）理念的航空电子系统软件参考架构，为新一代作战飞机实践美军“全领域”作战概念提供了先进的标准和工具。

1 未来机载能力环境（FACE）介绍

1.1 FACE开发背景

未来机载能力环境（FACE）是美国海军航空空战电子计划办公室（NAVAIR）提出，美国空军、洛克希德马丁、波音、柯林斯航空等赞助，以开放群组协会标准的形式立项，组织各军兵种、工业界、学术界、标准化组织等利益攸关方作为项目成员共同参与编制的航空电子系统软件架构标准。FACE 项目解决的是航空电子系统软件跨平台移植性和复用性的问题。随着机载软件复杂度和规模的不断增长，带来的开发和维护工作量显著增加，同时也加重了装备研制经费预算的负担。如何从顶层构建通用性良好的航空电子系统软件参考架构，使得上层软件功能模块可以最大程度地复用，从而降低机载软件开发成本，并缩短产品研制周期，就显得十分迫切。

1.2 FACE设计理念

FACE 参考架构采用了分段设计的理念，针对航空电子系统实时性和嵌入式等特点，将航空电子系统中可变元素抽离。在段与段之间，定义了标准化接口，提供段之间的通信和数据传输。为保证数据的通用性，FACE 标准构建了共享数据模型，为软件组件提供了标准的数据“语言”。

1.3 FACE版本变更

2012年1月，FACE 1.0 版发布，首次提出了未来机载能力环境参考架构；2013年10月，FACE 1.1 版发布，新增了关于术语和符合性验证矩阵的描述。

同年，FACE 更新至2.0 版，增加了数据模型规范、可移植单元、运行时接口等内容，并在附录中增加了FACE API 通用元素和数据模型语言。2014年5月， FACE 2.1 版发布，改变了部分术语名称。

2017年11月，FACE 3.0 版发布，标准框架有较大幅度地调整，明确提出了针对架构中各分段、接口的要求，新增了生命周期管理服务接口、FACE 配置接口、可注入接口和程序语言映射支持等附录内容。2020年7月，FACE 更新至3.1[1]版，发布了开放全域描述语言（Open UDDL）1.0 版，将FACE 数据模型描述语言进行了标准化定义。

2 FACE参考架构

2.1 架构分段

FACE 参考架构将机载软件分为操作系统段、I/O 服务段、平台特定服务段、传输服务段和可移植组件段（见图1）。

图1：FACE 参考架构

2.1.1 操作系统段

操作系统段（OSS）提供基础系统服务，可供其他段使用，并为供应商产品代码提供驻留环境。OOS 控制计算平台访问权限，提供不同操作系统环境和健康监控接口。

2.1.2 输入/输出服务段

输入/输出服务段（IOSS）规范接口硬件设备驱动程序。通过使用适配器设计模式与供应商提供的驱动进行通信，将数据转换到标准化的FACE 接口。该段内的I/O 服务为子系统数据提供接口硬件至平台特定服务段（PSSS）的桥梁。

2.1.3 平台特定服务段

平台特定服务段（PSSS）包含平台特定设备服务、平台特定通用服务和平台特定图像服务。平台特定设备服务提供平台唯一的接口控制文件和FACE 数据模型之间的转换。平台特定通用服务由更高等级的服务组成，包括日志服务、中心配置服务、设备协议中介服务（DPMS）、流媒体和系统级健康监控和管理。平台特定图像服务提供图像展现管理。

2.1.4 传输服务段

传输服务段（TSS）是通信服务驻留地，为可移植组件段或平台特定服务段的软件组件提供数据分发、数据传输等服务，以及服务质量、数据转换、模式翻译和消息关联等服务，支持数据分发服务（DDS）和通用对象请求代理架构（CORBA）等。

2.1.5 可移植组件段

可移植组件段（PCS）是软件提供任务级能力或业务逻辑的位置，是用于封装FACE 可移植单元的结构概念。可移植组件独立于硬件、传感器、数据传输机制和操作系统，并可跨平台移植，具备良好的可移植性和互操作性。

2.2 架构接口

FACE 标准定义了三个关键接口，包括：

2.2.1 操作系统段接口

操作系统段接口为操作系统内的软件提供使用服务的标准化方式。这类接口包括ARINC 653、POSIX 和HMFM API。操作系统段接口可提供网络连接、编程语言运行时环境和组件框架。

2.2.2 I/O 服务接口

I/O服务接口为软件与接口硬件设备驱动通信提供标准化方式。该接口由输入/输出服务段向平台特定服务段提供。该接口使用经I/O 消息模型格式化后的消息。

2.2.3 传输服务接口

传输服务接口为软件使用通信服务提供标准化方式。该接口由传输服务段向平台特定服务段和可移植组件段提供。该接口使用标准化数据格式。FACE 要求可移植组件段和平台特定服务段所有组件均使用传输服务接口来进行数据交互。

除上述三种关键接口外，FACE 3.1 还定义了配置接口、生命周期管理服务接口、操作系统段健康监控和管理接口、可注入接口等。

3 FACE数据模型

3.1 数据模型语言

FACE 数据模型语言提供数据模型建模方法，见图2。

图2：FACE 数据模型语言

概念数据模型是由实体、表征和关联组成，对实体、表征、关联进行建模。

逻辑数据模型是由实现概念数据模型的实体、表征和关联组成。相较于概念数据模型，逻辑数据模型添加了包括单位度量、坐标系、参考点、值域、约束、度量精度。一个概念数据模型可能由多个逻辑数据模型实现。

平台数据模型是由实现对应逻辑数据模型的实体、表征和关联组成。平台数据模型中会呈现具体的数据类型和精度。一个逻辑数据模型可由多个平台数据模型实现。

可移植单元数据模型为可移植单元提供标准的消息接口，将该消息接口定义为端口，端口引用平台数据模型的视图来规范消息类型。可移植单元数据模型提供命名机制，允许组件开发者对可移植单元的消息元素进行命名。

综合模型是由为可移植单元间交换数据提供建模方法的元素组成。综合模型捕获数据交换、视图转换和可移植单元集成。综合模型依赖可移植单元数据模型表达互联性。其关注焦点在于记录可移植单元数据交互细节。

3.2 语言绑定规范

平台数据模型映射为程序语言时，需要进行数据模型语言绑定。语言绑定定义了如何获取平台数据模型视图和创建程序类/结构。程序类/结构是通过传输服务段传输的消息。

数据模型语言绑定分为两部分映射。第一部分映射是从平台数据模型到对象管理组（OMG）接口定义语言，第二部分映射是从对象管理组（OMG）接口定义语言到所支持的程序语言。组件开发者也可以从平台数据模型直接生成数据结构，不采用接口定义语言作为中间格式。数据模型语言绑定见图3。

图3：数据模型语言绑定规范

3.3 共享数据模型

共享数据模型（SDM）[2]是构建其他数据模型的核心数据元素，也是软件供应商和系统集成商交互的主要点。共享数据模型是一组自动生成的数据元素，包括可观测量、坐标系统、度量系统、度量、单位、值类型、值类型单位对、元素引用。

共享数据模型随着FACE 标准的应用在不断迭代和扩展，共享数据模型库越大，则说明软件供应商在更大范围达成了数据模型层面的共识，便于数据传输格式的标准化和通用化。

4 FACE符合性政策

4.1 FACE符合性程序关键实体

FACE 标准建立了完善的标准符合性验证、认证和注册机制[3]，在FACE 符合性项目中起关键作用的实体包括以下几类机构[4]。

4.1.1 认证授权机构

认证授权机构是FACE 指导委员会批准的唯一机构，负责FACE 符合性项目的日常运营，主要职责包括评估提交申请的认证应用、监控协议合法性和发布FACE 符合性认证证书。

4.1.2 验证授权机构

验证授权机构负责执行软件供应商提交的待验证软件组件的验证试验，并对验证结果进行评估，形成验证评估结论。FACE 验证授权机构也由FACE 指导委员会批准，可成立多个验证机构承担标准符合性验证职责。

4.1.3 软件供应商

软件供应商是指生产符合FACE 标准要求的软件产品供应商，为了使产品符合FACE 标准要求，软件供应商必须向验证机构提交FACE 标准符合性验证申请，产品经验证通过后，才可申请FACE符合性认证证书。

4.1.4 库管理机构库管理机构是管理FACE 注册库和授权FACE ID 的唯一实体。

4.2 FACE符合性程序

FACE 建立了完整的符合性程序，包括验证、认证和注册[5]。

FACE 验证是确认符合性单元（UoC）符合FACE 标准要求。FACE 验证对照符合性验证矩阵（CVM）开展，验证方法包括目视检查和测试等。验证工作由验证授权机构执行。

软件产品通过FACE 验证后，软件供应商提交验证结果申请初始化认证，由认证授权机构执行软件产品的FACE 符合性认证工作。

软件产品通过FACE 认证后，申请FACE 注册。FACE 注册是将通过FACE 认证的符合性单元列入FACE 注册库的流程。注册库是所有FACE 认证产品的唯一来源。

5 建议

借鉴FACE 项目的发展历程，结合我国航空电子系统软件架构发展现状，提出以下三点建议：

5.1 军方主导建立软件架构标准研制项目管理机构

在FACE 标准项目的推进过程中，军方始终处于主导地位。军方主导项目工作可以从顶层确保工作可以有效推进。通过成立专项办公室负责项目管理，可以确保标准顶层需求的准确性和及时性，也可以有力推动标准的研制。当标准形成草案并逐渐成熟后，可以委托标准化机构推动项目日常工作。

5.2 联合共建软件组件通用数据模型

FACE 标准数据模型的标准化为软件组件的标准化提供了基础，通过建立通用数据模型和数据模型语言映射标准，确保了FACE 参考架构不同段之间数据传输的互通性。在研制相关顶层架构标准时，建议从数据抓起，保证研制方采用同一套数据模型。

5.3 建立标准的验证、认证和注册机制

FACE 标准建立了完善的标准符合性验证、认证和注册机制，提供了相关政策、程序、方法，确保标准的贯彻实施落到实处。我国在开展相关标准的研制工作时，可探索如何同步建立标准符合性验证、认证、注册机制，完善标准的执行监督体系，形成标准制定、实施、监督的长效机制。

6 结束语

本文对未来机载能力环境（FACE）标准进行了详细描述，阐述了FACE 标准参考架构、数据模型、符合性政策等。FACE 参考架构通过分段和接口标准化，在一定程度上解决了航空电子软件组件可移植性和可复用性问题，为产品研制节省了经济和时间成本，从长远来看有助于装备能力的拓展。结合我国国情，提出了航空电子系统软件架构标准发展的三点建议，为软件架构的研制工作提供了参考。