摘 要： 随着机载武器数量和种类增加，即插即用武器集成技术成为新一代战机研制的关键技术。总结了通用武器接口（UAI）和模型驱动架构（MDA）两种国外主要即插即用武器集成方法的技术基础，实现原理和应用现状，对两种方法间的关系进行了分析。在此基础上针对国内武器集成的发展现状，给出了我国机载武器集成领域未来发展方向的建议。
关键词： 即插即用武器; 通用武器接口; 模型驱动架构; 开放式航电架构; 悬挂物管理系统;
Abstract： With the increase in the number and types of airborne weapons, plug-and-play weapon integration technology has become a key technology for the development of a new generation of fighters. This article summarizes the technical basis, implementation principles and application status of the two main plug-and-play weapon integration methods in foreign countries, Universal Weapon Interface (UAI) and Model Driven Architecture (MDA), and analyzes the relationship between the two methods. Based on this, according to the current development status of domestic weapon integration, suggestions are given for the future development direction of China's airborne weapon integration field.
Keyword： Plug-and-Play Weapon; Universal Armament Interface; Model Driven Architecture; open system architecture; Stores Management System;
0、 引言
传统的机载武器集成采用面向过程的开发手段，模块化和封装性差，载机所挂的武器型号、数量、挂点等在设计就已确定[1]，加装新武器时需对武器接口、悬挂物管理、攻击流程、人机界面和数据流等进行较大改动，甚至重新设计，致使武器集成过程成本高、时间长，很难在短期内形成战斗力。
随着续航时间和载弹量的增加，飞机需要携带多种类型的武器以应对日趋复杂的战场环境，快速的武器集成能力成为提升飞机战斗力的关键。为此，美欧提出了“即插即用武器”的集成技术，希望在不修改系统软硬件的前提下将新武器集成到任何一架飞机上[2]。本文梳理和对比分析了国外即插即用武器集成技术发展的基础上，针对国内武器集成技术的现状提出了未来的发展方向。
1、 即插即用武器集成技术理念的发展
即插即用武器集成技术的内涵并非是一成不变的，而是随着科学技术的发展大致经历了一个从初期为有效提高飞机/悬挂物兼容性到即插即用，再到即插即战概念的发展历程[3]。
初级阶段，提高兼容性：目的是提高飞机/悬挂物间机械和电气接口的兼容性，技术成熟的标志是MIL-STD-1760C标准的发布，目前已升级至E版。
中级阶段，即插即用理念的出现：2003年后，随着MIL-STD-1760系列标准的补充完善和开放式架构技术的应用，美国开始推广通用武器接口技术，有效提高了飞机和武器间的互用性。该阶段关注点为飞机及其武器系统，因此称为狭义上的即插即用，支持武器系统在不同平台间的快速移植。
高级阶段，即插即战理念的出现：随着近年来网络和信息化技术的发展，飞机成为网络中心战体系下的战斗单元之一，需要根据作战需求灵活变更加载的武器[4]。该阶段利用超系统的概念，着眼于面向服务的作战体系，故称为广义的即插即用，也就是即插即战，不仅支持快速移植其他飞机的武器系统，也提高了本机的新武器集成速度。
2、 国外机载武器集成技术现状
早在1998年，北大西洋公约组织（NATO）就开始让北约工业顾问组织（NIAG）的第二航空小组专门研究解决载机、发射装置与武器间的互用性（ALWI）问题，这项研究包括收集载机武器信息，确认需要协同工作的方面，列出在未来需要增强协同能力的地方等三个ALWI专题研究[5]。
ALWI系列研究确认了航空领域“即插即用”概念和目标的正确性，ALWI-1专题研究提出了关于规范飞机/武器间的通用接口的建议，并由此产生了美国的通用武器接口UAI方法；ALWI-CI专题在此基础上对飞机/悬挂物接口框架进行了研究，提出了基于MDA的武器集成方法。这两种方法分别以飞机/武器电气连接系统技术和开放式系统架构为技术基础，是目前主流的两种即插即用武器集成实现方式，下面将对这两种方法的技术现状进行介绍。
2.1 、通用武器接口方法
通用武器接口（Universal Armament Interface，UAI）目的是通过制定飞机-悬挂物的通用接口标准，为平台、精确打击武器和任务规划提供标准化的软硬件接口，提高飞机和武器间的互用性，从而实现武器即插即用集成。
（1）飞机/武器电气连接系统技术-通用武器接口方法技术基础
图1 MIL-STD-1760标准规范的接口
Fig.1 MIL-STD-1760 standard interface
以MIL-STD-1760标准为代表的飞机/武器电气连接系统技术是武器接口实现的基础[6]。如图1，1760标准对飞机/悬挂物电气接口进行了规范化，提高了现代飞机/悬挂物产品接口的互用性，取得了举世瞩目的成果。美国通过不断地实践总结、升级完善，于2007年发布了相对稳定的1760E版；近几年又补充了小型任务悬挂物接口AS5725、微型弹药接口标准AS5726 及一系列的验证标准[7]，逐步形成以1760为基础的系列化标准体系。
虽然1760有效地减少了接口的类型和数量，提高了现代飞机/悬挂物产品接口的互用性，但仍不能满足机载武器系统快速集成、快速打击能力的需求。具体来说，就是当载机在加装任何一种新型武器时，均需重新签订接口控制文件，并据此对机载武器系统进行重新设计。
（2）实现原理
UAI方法是为了克服MIL-STD-1760不能适应不同飞机结构差异巨大的固有缺点而产生的，该方法主张通过规定标准的飞机/武器间物理、电气和逻辑接口，定义通用飞机/悬挂物接口、通用ICD(接口控制文件)格式、通用控制和显示接口、通用任务数据交换和传输格式、通用允许发射区(LAR)算法/系数五种基本的通用接口和通用配置文件的格式[8]，从而为飞机/武器集成提供了即插即用的、标准化的软硬件接口，缩短新型武器系统的集成时间，降低系统集成的成本。
（3）应用现状
2003年，美国启动了UAI研究计划，于2004年正式开始开发，2006年左右结合JDAM的使用推广而开展验证工作，目前已经在空军和海军的十余种型号的飞机上得到应用(F-16、F-15E、F-35A/C/D、B-2、AV-8B) [9]。
通过多年验证，该方法取得了巨大的成功，实践表明：新型机载武器集成并形成战斗力的时间周期和成本均减少85%以上。目前美军正在全面推行通用武器接口UAI标准，北约组织也在UAI标准的基础上制定并推行“北约组织通用武器标准”（NUAI）[10]，使各成员国军机能够快速和经济地集成本国和盟国的机载武器。
2.2、 模型驱动架构方法
模型驱动架构（(Model Driven Architecture，MDA)）是一种利用模型进行系统设计和开发的方法，目的是提高武器系统的互用性和移植性，利用模型易于改进和重新验证的优点，极大地降低了武器集成的成本。
（1）开放式系统架构技术-模型驱动架构方法技术基础
开放式系统架构是MDA方法实现的技术基础之一。开放式系统是指将符合标准接口规范的不同部件连接在一起而构成的系统，先后出现诸如IMA/DIMA综合模块化电子技术、通用开放体系结构框架（GOA）、ASAAC架构、FACE2.0未来能力环境[11]等多种技术标准。
其中GOA框架是美国在SAE AS4893《通用开放式结构(GOA)框架》中提&，是开放式架构的重要标准。
图2 通用开放式结构(GOA)框架
Fig.2 General Open Architecture framework
GOA框架规定了应用软件层、系统服务层、资源访问服务层和硬件资源层四个系统层次以及如图2所示的9类标准接口[12]，将软件系统划分为一系列具有标准接口的功能模块，每个模块都可独立升级和拓展，极大地提高了系统的开放性和可移植性。
从2015年初到现在，美国诺格公司和洛马公司已在多型军机上开展符合美国空军“开放式任务系统”（OMS）标准要求的开放式架构试飞，这些军机包括诺格公司的RQ-4“全球鹰”高空长航时侦察无人机和B-2A“幽灵”隐身轰炸机，以及洛马公司的U-2“龙女”高空侦察机等[13]。试飞结果表明，开放式系统具有好的互操作性、移植性、扩展性，为“即插即用”武器集成技术的发展铺平了道路，大幅降低了集成成本和时间。
（2）实现原理
MDA方法是北约借鉴了美UAI的成功经验，在开放式架构技术和模型驱动技术的基础上形成的基于通用悬挂物控制服务的“即插即用”方式，发展了“即插即用”的概念，更适合于今后的系统和网络空间战方面的应用服务。
图3 基于MDA的系统开发流程
Fig.3 System development process based on model-driven architecture
如图3，MDA方法是一个基于不同抽象级别的系统框架模型的软件开发方法[14]，该方法摒弃了传统的编码方式，改变了以文件中心的系统开发过程，以模型的定义开发作为软件开发的驱动因素。北约ALWI研究首次提出将MDA方法应用到武器即插即用集成中，该方法主要从以下三个方面入手实现即插即用武器集成：
①将模型应用到具体问题设计过程中，从不同的视角对系统的体系结构进行分析，通过工具完成代码的自动转换；
②采用开放式航电系统架构，开发了通用飞机－悬挂物接口框架架构（GASIF） [15]，提供了合适的接口模型实现飞机/悬挂物间的接口协议。
③设计通用的武器控制接口API[16],通过配置技术实现SMS软件的功能重构，在不修改软件的前提下实现了对不同武器的管理。
(3)应用现状
MDA方法的最终目标是开发人员只需建立平台无关模型，就可由工具完成平台相关模型和代码的自动转换。其中武器集成领域的技术人员负责完成系统的分析和建模，模型和代码的转换工具由软件工具商负责研发和提供。
目前存在的MDA工具是主要针对互联网环境和JAVA语言开发的[17]，转换得到的代码无法满足机载软件高安全性和高可靠性的要求，还需大量的代码修改和测试工作。由于模型转换机制和工具都还不太成熟，MDA方法尚无具体型号应用。
2.3、 UAI方法和MDA方法对比
图4 两种PnPW方法的对比
Fig.4 Comparison of two plug-and-play weapon integration methods
UAI方法和MDA方法同源，都是从北约飞机、发射装置及武器互用性ALWI研究中催生出的概念，这两种方法并非严格对立的两种武器集成方法，而是互为补充，从不同的角度提供了武器即插即用集成的实现思路[18]。
UAI方式是美国投资的，目前经过验证相对成熟的技术，也是美国正在大力推广和实现的技术；MDA方法，是从UAI开发中分离出来的，借鉴了UAI的成熟经验的基础上，允许设计人员从系统体系结构的整体角度分析飞机和悬挂物的互用性问题，因而在能提供更高程度的灵活性。
相比UAI方法，MDA方法的转变主要表现在下面四个方面：
1）由开发平台ICD转变为选择平台所需的功能；
2）由定义作战飞行软件的需求转变为定义配置文件的需求；
3）由开发软件编码转变为研发配置文件；
4）由开发软件编码转变为开发系统模型。
3、 国内武器即插即用集成技术发展的建议
飞机/悬挂物接口标准化研究方面，目内新研和改研的战机，其武器、发射装置及武器管理系统，基本上都已经贯彻或部分贯彻GJB1188A《飞机/武器电气连接系统接口要求》和GJB 1B/C《机载武器和悬挂装置结合部位的通用设计准则》[19]，飞机/悬挂物通用逻辑接口标准的制定也在逐步推行之中。相关标准的制定和贯彻降低了武器集成难度，节约了集成成本，加快了武器集成进度，已经取得了一定程度的成功。
在开放式系统体系结构研究方面，国内还处于理论探索阶段，尚缺乏明确的工程化实现方法，没有在具体型号中的应用。国内飞机仍采用紧耦合的系统设计方式，飞机/悬挂物间的逻辑接口尚未规范[20]，远远无法满足未来面向服务的作战体系需求。
参照国外即插即用武器集成技术的发展历程，国内可以按照以下四个方向展开研究工作：
1)采用开放式体系结构设计方法：参考美国最新推动的FACE架构，采用“应用层 +平台服务层 +系统资源层” 三层结构形式，系统资源层为航电系统上层功能提供硬件环境，平台服务层对应软件能力环境，通过平台服务功能组件化和接口标准化，实现航电任务系统分层解耦，支持功能的组合和配置，通过标准的接口协议，将应用软件与硬件资源、网络通信解耦，使应用功能易于实现、扩展、移植、重构及维护。
2)开展新版飞机/悬挂物电气连接接口标准的制定：随着载机挂载武器数量的增加和传输数据类型的变化以及新型武器的不断出现，GJB1188A已不能满足要求，需对标准进行重新修订，特别是对高速光纤传输技术和高速1553总线技术的研究；
3)开展通用武器接口技术研究：制定飞机/悬挂物逻辑接口标准，并对通用显示控制接口、通用接口控制文件格式、通用任务数据交换及传输格式和通用允许发射区(LAR)算法/系数进行定义，从挂架、悬挂物管理、火控解算、显示控制及数据流传输等各个层面，建立标准的接口和流程，打通武器悬挂、投放、显示控制的各个环节；
4）开展基于MDA的航电系统开发和验证方法的研究。针对机载软件的高可靠性和高安全性要求，一方面要开展基于UML等建模语言的复杂嵌入式系统建模方法，探索可靠性和安全性等非功能行为的形式化描述和验证机制。另一方面要对模型转换规范和算法进行研究及优化，开发专用于机载软件模型转换和代码生成的工具，确保可以通过自动转换得到可用的高质量代码。
4 、结论
即插即用武器集成技术是开发新一代战机的关键技术，美国和北约组织分别从接口的标准化和开放式系统体系结构两种视角出发，制定了互为补充的UAI方法和MDA方法，搭建了即插即用武器集成的理论和标准体系。我国在相关领域的研究还较为缺乏，急需开展相关标准制定和技术研究工作，逐步形成国内的即插即用武器集成方法。
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