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5月10日出版的《中國航空報》以《鑄造航空裝備的“中國魂”——“天脈”操作系統科研攻關(guān)報道》為題，首次報道了中航工業(yè)計算機所開(kāi)發(fā)的我國國產(chǎn)機載操作系統“天脈”。 機載操作系統作為一款嵌入式操作系統，追求的是實(shí)時(shí)性、穩定性、安全性。以美國風(fēng)河公司的VxWorks系統為代表廣泛運用在通信、軍事、航空航天領(lǐng)域，其在F-16、F-18、B-2等有人作戰飛機，X-47無(wú)人機以及各種導彈、太空探測器上都有應用。然而，外國產(chǎn)品的安全性對中國軍工來(lái)說(shuō)是極其脆弱的。為了提升我國航空主戰裝備的自主化，中航工業(yè)計算機所發(fā)揮獨立自主精神，攻關(guān)國產(chǎn)機載操作系統“天脈”。 天脈操作系統的研制成功，打破了國外對同類(lèi)產(chǎn)品的封鎖，提升了我國航空武器裝備的自主化水平，是我國在基礎軟件研制方面所取得的巨大成就。除此之外，天脈操作系統還具備對VxWorks系統的兼容能力，可移植VxWorks系統上的應用軟件，這使得天脈操作系統的應用更加廣泛。 操作系統是現代航空裝備的核心 在現代信息社會(huì )中，操作系統是現代信息系統的基礎和核心軟件，與國家信息安全以及國民經(jīng)濟的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)展息息相關(guān)。作為管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，操作系統是直接運行在“裸機”上的最基本軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行。操作系統的主要功能包括管理計算機系統的硬件、軟件及數據資源，控制程序運行，讓計算機系統所有資源最大限度地發(fā)揮作用，為其他信息應用提供支持。目前，操作系統主要分為桌面操作系統（如Windows等）、智能移動(dòng)操作系統（如安卓Android）和嵌入式操作系統（如飛機、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制設備操作系統等）等種類(lèi)。 嵌入式系統通常是指一種專(zhuān)用的計算機系統，用來(lái)對諸如工業(yè)控制、國防裝備等領(lǐng)域的裝置或設備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、運行監視。嵌入式操作系統運行在嵌入式設備之上，用戶(hù)一般無(wú)法直觀(guān)感知其存在，也不需要直接進(jìn)行安裝和維護，只能靠設備運行時(shí)的外部表征來(lái)間接感覺(jué)它的存在。事實(shí)上，嵌入式操作系統是社會(huì )生活中應用最為廣泛的操作系統，幾乎所有帶有數字接口和程序控制的設備，如衛星、火箭、飛機、火車(chē)、汽車(chē)、通訊基站、交換機、智能電視、機頂盒、數碼相機中的計算機設備都屬于嵌入式設備，都使用嵌入式操作系統，嵌入式操作系統在信息安全中具有極端的重要性。 長(cháng)期以來(lái)，我國的基礎軟件產(chǎn)品都一直依賴(lài)于西方發(fā)達國家，操作系統也掌握在少數幾個(gè)西方公司手中。大量事實(shí)證明，國外操作系統中存在“缺陷”和“后門(mén)”，例如在2011年3月11日和4月26日，美國人Shaun Waterman在華盛頓時(shí)報上的報道：中國的“例如水壩、油氣管道、工廠(chǎng)和其他計算機控制的基礎設施，對于黑客來(lái)說(shuō)更加脆弱”，“外國黑客僅僅使用了20分鐘就竊取了位于北京的外國專(zhuān)家局的一萬(wàn)一千個(gè)專(zhuān)家的個(gè)人敏感信息，而這套路由器系統使用了稱(chēng)為VxWorks的脆弱的嵌入式操作系統軟件�！� 飛機使用的機載操作系統作為機載電子設備的核心和基礎，是關(guān)系到飛行安全的關(guān)鍵產(chǎn)品，技術(shù)指標要求和技術(shù)門(mén)檻都非常高。因而，能否實(shí)現機載操作系統系統的完全自主化，也常常被看作航空主戰裝備能否實(shí)現自主化的標準之一。如果說(shuō)機載計算機硬件系統是飛機的大腦，那么機載操作系統就是飛機的“靈魂”。計算所研制的“天脈”操作系統就是一種機載嵌入式操作系統，從某種意義上來(lái)說(shuō)，他們就是在為航空主戰裝備“鑄魂”。 高瞻遠矚 造就專(zhuān)業(yè)技術(shù)團隊 上世紀90年代之前，機載電子設備功能相對單一、軟件規模不大，應用軟件直接管理了單一功能的系統、小規模的軟件和簡(jiǎn)單的硬件。到21世紀初，機載設備復雜度提高，開(kāi)始嘗試使用操作系統。但由于各種原因，基礎軟件研究?jì)H限于教學(xué)研究、研究所探索，機載設備不得不使用國外商用操作系統。在這個(gè)過(guò)程中，國外軟件賺取了巨額利潤，而應用開(kāi)發(fā)的售后服務(wù)卻由國內人員負責，更嚴重的是使用過(guò)程中發(fā)現的商用產(chǎn)品問(wèn)題得不到更改、裝備擴展的功能更是無(wú)法實(shí)現，更有甚者國外商用產(chǎn)品出現沒(méi)有預見(jiàn)的停產(chǎn)，對裝備安全和發(fā)展帶來(lái)一系列嚴重風(fēng)險： 安全隱患。由于我們無(wú)法掌握國外基礎軟件產(chǎn)品的代碼、技術(shù)和架構，難以確保其絕對沒(méi)有邏輯“炸彈”或“后門(mén)”，也難以保證是否會(huì )發(fā)生非法入侵、通信數據泄漏等現象。 受制于人。國外對面向航空裝備的產(chǎn)品實(shí)行禁運，而且往往以各種借口回避解決操作系統應用中的問(wèn)題，花費了國家大量經(jīng)費，但是在版本升級、服務(wù)保障等方面仍然受制于人。 不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展。依賴(lài)進(jìn)口嚴重制約了我國操作系統及其相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，也不利于裝備的持續發(fā)展。 作為我國唯一從事機載計算機系統的專(zhuān)業(yè)科研機構，計算所在機載基礎軟硬件研制方面一直處于領(lǐng)先地位。從20世紀90年代中期開(kāi)始，計算所在為航空裝備研制各類(lèi)計算機、為各個(gè)機載單位配備操作系統的過(guò)程，累積了大量研制和使用經(jīng)驗，也對“核心技術(shù)不掌握、軟件安全不可控”造成的受制于人的被動(dòng)局面刻骨銘心。面對嚴峻的形勢，計算所陷入了思考，并下定決心開(kāi)展國產(chǎn)機載操作系統軟件的研制。 自主研制是一條正確之路 不時(shí)爆出的各種軟件漏洞和“后門(mén)”事件，使得航空軟件安全風(fēng)險隱患逐漸暴露，信息安全等一些重大問(wèn)題也開(kāi)始引起國家、軍方的重視，軍方也迫切期望能夠使用國產(chǎn)操作系統替代國外產(chǎn)品。計算所堅信自主研制是一條必然之路，這與當時(shí)軍方的想法不謀而合。 要使目標成為現實(shí)，離不開(kāi)人力、物力、財力及技術(shù)的支撐。對于計算所來(lái)講要研制機載操作系統，當時(shí)的情形用“困難重重”來(lái)概括一點(diǎn)都不為過(guò)。一方面是缺乏資金，研制一個(gè)安全操作系統其資金需求當以“億”計，當時(shí)軍工企業(yè)普遍經(jīng)營(yíng)困難，維持生存尚且不易，要拿出大量的資金研制軟件系統對于計算所來(lái)說(shuō)更屬不易；另一方面，當時(shí)國內基礎軟件的發(fā)展一直得不到重視，盡管各個(gè)行業(yè)都意識到了基礎軟件的重要，但是在實(shí)際應用中都更傾向于采購國外的成熟產(chǎn)品。盡管當時(shí)幾個(gè)行業(yè)都在自主研制操作系統，但是產(chǎn)品由于無(wú)法投入實(shí)際應用，導致項目下馬或夭折。 雖然困難重重，但對于計算所而言，他們還有一件寶貴的財富，那就是在長(cháng)期以來(lái)在工程實(shí)踐中培養和造就了一支專(zhuān)業(yè)化的團隊。這支團隊有著(zhù)扎實(shí)的計算機研制的專(zhuān)業(yè)能力，以及對發(fā)展機載軟件系統的深刻認識，更有著(zhù)在艱難困苦中敢于直面挑戰、頑強拼搏的精神。在長(cháng)期的工作中，他們不但錘煉了科研能力和業(yè)務(wù)水平，認準了機載操作系統的發(fā)展趨勢，并堅定地要走一條獨立研制之路。 2002年，由計算所發(fā)起，由空軍總體論證單位需求牽引，計算所決定自籌資金，抽調精兵強將，組成團隊進(jìn)行操作系統研制；在研制模式上，與長(cháng)期進(jìn)行操作系統專(zhuān)業(yè)研究的北京科銀京成公司強強聯(lián)合，借助已有內核技術(shù)為基礎進(jìn)行操作系統的研制。 在此后兩年多的時(shí)間里，聯(lián)合研制團隊在已有基本內核基礎上，在歸納需求、搭建架構、優(yōu)化內核等方面進(jìn)行探索和攻關(guān)，以韓煒、葉宏等專(zhuān)家為代表的機載操作系統研制團隊在計算所初具規模。2004年，計算所的多名專(zhuān)家聯(lián)合向所領(lǐng)導提出建議，要求加大對研制操作系統的支持力度，時(shí)任所長(cháng)羅秋生果斷決定對研究室的業(yè)務(wù)進(jìn)行了調整，將“賺錢(qián)”的任務(wù)從操作系統研究室剝離，全身心做“軟件工匠”，有力地保證了研制團隊可以集中全力、精益求精開(kāi)展研制。 從2002年到2006年，在沒(méi)有任何外來(lái)資金支持和項目牽引的情況下，計算所科研團隊在突破了操作系統內核關(guān)鍵技術(shù)的基礎上，以滿(mǎn)足綜合模塊化航電系統（IMA）的需求為目標，成功突破了時(shí)間、空間的分區化隔離和健康監控技術(shù)，完成了分區操作系統架構等相關(guān)技術(shù)研究，形成了天脈原型——ACoreOS產(chǎn)品——并進(jìn)行了裝機驗證，結果證明軟件產(chǎn)品的基本可用性。但對于如此關(guān)鍵、核心、基礎軟件，有人贊賞這種膽識和熱情，但很少有人會(huì )相信產(chǎn)品可信性，致使產(chǎn)品在裝備上并沒(méi)有得到有效使用。 力擔我國首個(gè)獨立立項的軟件項目 天脈操作系統原型的研制成功，證明了我國獨立研制自主版權的機載嵌入式操作系統是完全可行的，同時(shí)也證明計算所當初堅持是有效的，道路是正確的，團隊搭建是成功的。 機遇總是青睞有準備的人。團隊迎來(lái)了國家信息系統自主可控大發(fā)展的歷史性機遇，2006年國務(wù)院發(fā)布了《國家中長(cháng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃綱要（2006-2020年）》，“核心器件、高端芯片和基礎軟件”與大型飛機、載人航天等一起被列為國家重大專(zhuān)項，國產(chǎn)基礎軟件的研發(fā)被提至國家戰略高度。在空裝機關(guān)的帶領(lǐng)下，計算所研制團隊經(jīng)過(guò)兩年的不懈努力，通過(guò)各種形式展示了決心、信心和能力，展示了高安全機載操作系統的緊迫性，展示了行業(yè)電子研制通用基礎軟件的雄心壯志，展示了團隊已經(jīng)具備的強大基礎。2008年，機載操作系統正式獲得國家立項，這也意味著(zhù)團隊前面六年的工作得到了國家承認，計算所也正式進(jìn)入基礎軟件產(chǎn)品研發(fā)國家隊。 在研制團隊的心里，既然入選了國家隊，那就是代表著(zhù)國家，他們對自己提出了更高的要求：以在裝備上安全使用為出發(fā)點(diǎn)、以研制精品為目標，全面取代國外相關(guān)產(chǎn)品。 按照裝備主管機關(guān)提出的“一套指標體系、一套管理體系、一套標準規范、一套驗證方法”的總體要求，計算所作為研制總師單位，在空軍總體論證所的指導下，與科銀京成、中航工業(yè)成都所等4家單位組成項目團隊，全面開(kāi)展研制工作。 產(chǎn)品取名“天脈”。根據需求，天脈系列產(chǎn)品分為天脈1和天脈2。天脈1操作系統為基本平板管理模式，響應能力強、結構簡(jiǎn)潔、高效，在單個(gè)應用的電子設備中廣泛應用，國內也有多家單位在進(jìn)行研究。而當時(shí)國內急需具有新一代綜合化模塊化航空電子系統（IMA）特征、滿(mǎn)足ARINC 653標準的“時(shí)間”“空間”健壯分區保護的操作系統產(chǎn)品。這種產(chǎn)品除了實(shí)現基本任務(wù)調度、設備管理等功能外，還需要實(shí)現時(shí)間分區管理、空間分區管理、健康監控、分區間通信等功能，而這些課題當時(shí)在國內研究?jì)H僅是初步的。而且除ARINC 653標準之外，還需要實(shí)現藍圖配置、容錯、重構等系統管理等ASSAC所定義的策略，滿(mǎn)足IMA分布式系統管理框架的需要，當時(shí)在國內這更是研究的空白地帶。但是實(shí)現具有IMA特征的機載電子設備是我們裝備發(fā)展的必由之路，國外IMA所使用的Integrity/178B分區操作系統對我實(shí)行嚴格禁運。 如果說(shuō)ARINC 653或ASSAC（法、德、英和美政府建立的聯(lián)合標準化航空電子系統架構委員會(huì )）通過(guò)技術(shù)攻關(guān)可以突破的話(huà)，而實(shí)現高安全、高可靠的軟件工程方法、過(guò)程和工具，更需要長(cháng)期的磨煉、歷練，逐步積累和完善。研制團隊清醒地認識到“天脈”操作系統獲得國家立項僅僅是萬(wàn)里長(cháng)征走完的第一步，接下來(lái)面臨的重大問(wèn)題就是探索采用什么樣的軟件工程方法、過(guò)程和工具實(shí)現具有IMA分布式系統管理框架，這也直接關(guān)系著(zhù)項目的成敗。 作為我國首個(gè)獨立立項研制的核心、通用的基礎軟件產(chǎn)品，研制團隊經(jīng)過(guò)對比國內外、軍內外軟件領(lǐng)域標準和規定，在滿(mǎn)足軍用軟件研制規范的同時(shí)，通過(guò)全面論證，確定了發(fā)展路線(xiàn)、戰技指標、技術(shù)標準等重大難點(diǎn)問(wèn)題。團隊大膽引入了國外民機成熟、國內鮮有實(shí)踐的民用飛機軟件的國際適航標準——DO-178B《機載系統和設備合格審定中的軟件考慮》。研制團隊針對基礎軟件的特點(diǎn)，自加壓力、將天脈操作系統產(chǎn)品的安全等級定位為最高的A級，并在研制團隊內部全面自主實(shí)踐DO-178B的驗證工作，并據此制定相應的研制原則和方針。事實(shí)證明在研發(fā)階段引入適航理念，制定滿(mǎn)足DO-178B對A級軟件66個(gè)目標的計劃，而在論證和評估階段按照國軍標嚴格執行，這些都對于保證天脈操作系統的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現高安全、高可靠的目標起到了決定性的作用。 在此后的研制過(guò)程中，項目技術(shù)團隊精誠合作，集智攻關(guān)。在技術(shù)上，先后突破了安全操作系統架構、分區化的故障隔離、時(shí)間/空間隔離和配置等問(wèn)題；突破了服務(wù)功能、資源配置和運行狀態(tài)的兼容性問(wèn)題，使軟件具有良好的兼容能力，應用軟件可方便移植。 在軟件工程上，項目團隊堅持DO-178B的思想不偏離，持續優(yōu)化項目的過(guò)程管理，定義了A級軟件研制流程，加強可靠性設計、安全設計、魯棒性設計和危害性分析等工作；強化驗證方法，實(shí)現了基于需求的需求、語(yǔ)句、分支、MC/DC、OCA等各項指標的100%驗證。 但是，團隊第一次實(shí)踐DO-178B方法、第一次研制軟件型號，由于沒(méi)有經(jīng)驗、沒(méi)有借鑒，還是不可避免地遭遇了困難和挫折，實(shí)際花費的時(shí)間是預計的三倍，經(jīng)費更是超出了預算，更艱難的是過(guò)程中不斷有人懷疑國人是否可以嚴格實(shí)踐軟件適航、是否有能力自主研制高安全的操作系統產(chǎn)品。但是團隊憑著(zhù)堅韌不拔的毅力、百折不撓的干勁，以航空報國的信念和必勝的信心，又經(jīng)過(guò)六年的艱苦拼搏，完整地、自主地實(shí)踐了DO-178B的軟件適航理念，完成了操作系統的研制工作。 產(chǎn)品定型 圓滿(mǎn)完成國家使命 軟件產(chǎn)品按照DO-178B完成內部獨立測試后，交付空軍軟件測評中心，按照總裝備部批復的研制總要求，由航空產(chǎn)品定型委員會(huì )組織完成一系列產(chǎn)品的評價(jià)工作，包括軟件測評、地面臺架測試、機上測試、試飛測試和軟件試用測試等五項考核內容。這是國家對于軟件型號產(chǎn)品嚴格的過(guò)程要求，100%通過(guò)考核的軟件產(chǎn)品才能正式投入裝備使用。 如果是一般的機載應用軟件研制，這些考核是隨著(zhù)系統進(jìn)行，不會(huì )引起大家的重視。應用軟件考核一般都是確定場(chǎng)景，事先可以進(jìn)行“預習”，非軟件型號項目也不需要進(jìn)行如此復雜的測試驗證。此次考核由于是操作系統，沒(méi)有應用系統，只能按照等級最高的系統進(jìn)行考核：沒(méi)有確定場(chǎng)景，只能使用最復雜、最苛刻、最容易使系統“崩潰”的場(chǎng)景進(jìn)行模擬運行；由于是航空型號項目，所以必須在實(shí)際的大型裝備上進(jìn)行全面的模擬空戰考核。 在所有這些嚴格考核中，計算所團隊一直在自加壓力，為了更安全、更可靠的軟件產(chǎn)品，他們卯足一股勁，決心用滿(mǎn)分通過(guò)國家嚴格考核： 2010年10月，天脈1通過(guò)了空軍軟件測評中心的定型測評； 2010年11月，天脈1通過(guò)了中航工業(yè)成都所的地面綜合試驗； 2011年12月，天脈1完成了中國試飛院的某飛機地面及飛行試驗； 2011年12月，天脈1通過(guò)了國家組織的鑒定，開(kāi)始推廣使用。 2013年1月，天脈2完成了空軍軟件測評中心的設計定型測評； 2013年1月，天脈2完成了中航工業(yè)成都所的地面綜合試驗； 2013年3月，天脈2完成了中國試飛院的某飛機地面及飛行試驗； 2014年6月，天脈產(chǎn)品完成了數個(gè)軍工單位的試用； 2014年7月，完成了天脈1和天脈2的國家定型。 2014年7月，中國航空軍工產(chǎn)品定型委員會(huì )在西安召開(kāi)了設計定型審查會(huì )，經(jīng)過(guò)嚴格的審查，團隊實(shí)現了自己莊嚴的承諾，給黨和國家交上了一份滿(mǎn)意的答卷，也實(shí)現了計算所人的“操作系統自主研制、自主發(fā)展”的夢(mèng)想。 天脈機載操作系統的研制成功，打破了國外對同類(lèi)產(chǎn)品的封鎖，提升了我國航空武器裝備的自主保障能力，為國防武器裝備的信息安全提供了有力保證，為我國基礎軟件的自主保障、自主發(fā)展奠定了基礎。天脈機載操作系統的研制成功，是我國在基礎軟件研制方面所取得的巨大成就，也使中航工業(yè)計算所一躍成為國內知名的基礎軟件研制企業(yè)，成為嵌入式操作系統研制的主力軍。 自2011年底鑒定以來(lái)，天脈操作系統已推廣至39家單位，已培訓近500名嵌入式開(kāi)發(fā)人員，已交付用戶(hù)近千套，已廣泛應用于各種航空或非航空電子設備，涉及軍事裝備、民用飛機、機車(chē)、工業(yè)控制、智能交通等嵌入式信息化電子設備，已展示出了廣闊的運用前景。特別是天脈2作為目前國內唯一的分區操作系統產(chǎn)品，在航空內外的新一代綜合電子領(lǐng)域已經(jīng)得到有效應用。 “天脈”，一個(gè)響亮的名字�！疤臁笔翘炜�，那里不但是鳥(niǎo)兒自由飛翔的空間，也是航空人馳騁的疆場(chǎng)�！懊}”是脈絡(luò )，也是經(jīng)絡(luò )，是人體功能的調控系統，它使人體各器官聯(lián)接成為一個(gè)有機整體。機載操作系統，它沒(méi)有機體之偉岸，也不像電子元器件那樣小巧，它像經(jīng)絡(luò )一樣看不見(jiàn)、摸不著(zhù)，但卻是飛機設備上信息流動(dòng)的平臺，在飛機中卻起著(zhù)中樞神經(jīng)的作用。 “士不可以不弘毅，任重而道遠�！笔嗄陙�(lái)，伴隨著(zhù)機載操作系統的研制歷程，計算所也成長(cháng)起了一支優(yōu)秀的機載操作系統研制團隊，誕生了中航工業(yè)唯一的1名軟件首席專(zhuān)家、3名軟件特級專(zhuān)家、1名軟件一級專(zhuān)家�！疤烀}”團隊是一支有夢(mèng)想的團隊、一支有使命感的團隊、一支敢打硬仗的團隊、一支朝氣蓬勃的團隊。有這樣的團隊做保障，我們有理由相信，天脈系列產(chǎn)品將作為國之重器，為國家信息安全、裝備建設、國民經(jīng)濟做出更大的貢獻。 |
