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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”操作系統科研攻關報道》為題，首次報道了中航工業計算機所開發的我國國產機載操作系統“天脈”。 機載操作系統作為一款嵌入式操作系統，追求的是實時性、穩定性、安全性。以美國風河公司的VxWorks系統為代表廣泛運用在通信、軍事、航空航天領域，其在F-16、F-18、B-2等有人作戰飛機，X-47無人機以及各種導彈、太空探測器上都有應用。然而，外國產品的安全性對中國軍工來說是極其脆弱的。為了提升我國航空主戰裝備的自主化，中航工業計算機所發揮獨立自主精神，攻關國產機載操作系統“天脈”。 天脈操作系統的研制成功，打破了國外對同類產品的封鎖，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濟的各個領域發展息息相關。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）、智能移動操作系統（如安卓Android）和嵌入式操作系統（如飛機、汽車發動機控制設備操作系統等）等種類。 嵌入式系統通常是指一種專用的計算機系統，用來對諸如工業控制、國防裝備等領域的裝置或設備進行實時控制、運行監視。嵌入式操作系統運行在嵌入式設備之上，用戶一般無法直觀感知其存在，也不需要直接進行安裝和維護，只能靠設備運行時的外部表征來間接感覺它的存在。事實上，嵌入式操作系統是社會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、汽車、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。 長期以來，我國的基礎軟件產品都一直依賴于西方發達國家，操作系統也掌握在少數幾個西方公司手中。大量事實證明，國外操作系統中存在“缺陷”和“后門”，例如在2011年3月11日和4月26日，美國人Shaun Waterman在華盛頓時報上的報道：中國的“例如水壩、油氣管道、工廠和其他計算機控制的基礎設施，對于黑客來說更加脆弱”，“外國黑客僅僅使用了20分鐘就竊取了位于北京的外國專家局的一萬一千個專家的個人敏感信息，而這套路由器系統使用了稱為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，是關系到飛行安全的關鍵產品，技術指標要求和技術門檻都非常高。因而，能否實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現自主化的標準之一。如果說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，從某種意義上來說，他們就是在為航空主戰裝備“鑄魂”。 高瞻遠矚 造就專業技術團隊 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、小規模的軟件和簡單的硬件。到21世紀初，機載設備復雜度提高，開始嘗試使用操作系統。但由于各種原因，基礎軟件研究僅限于教學研究、研究所探索，機載設備不得不使用國外商用操作系統。在這個過程中，國外軟件賺取了巨額利潤，而應用開發的售后服務卻由國內人員負責，更嚴重的是使用過程中發現的商用產品問題得不到更改、裝備擴展的功能更是無法實現，更有甚者國外商用產品出現沒有預見的停產，對裝備安全和發展帶來一系列嚴重風險： 安全隱患。由于我們無法掌握國外基礎軟件產品的代碼、技術和架構，難以確保其絕對沒有邏輯“炸彈”或“后門”，也難以保證是否會發生非法入侵、通信數據泄漏等現象。 受制于人。國外對面向航空裝備的產品實行禁運，而且往往以各種借口回避解決操作系統應用中的問題，花費了國家大量經費，但是在版本升級、服務保障等方面仍然受制于人。 不利于產業發展。依賴進口嚴重制約了我國操作系統及其相關技術、產品、產業的健康發展，也不利于裝備的持續發展。 作為我國唯一從事機載計算機系統的專業科研機構，計算所在機載基礎軟硬件研制方面一直處于領先地位。從20世紀90年代中期開始，計算所在為航空裝備研制各類計算機、為各個機載單位配備操作系統的過程，累積了大量研制和使用經驗，也對“核心技術不掌握、軟件安全不可控”造成的受制于人的被動局面刻骨銘心。面對嚴峻的形勢，計算所陷入了思考，并下定決心開展國產機載操作系統軟件的研制。 自主研制是一條正確之路 不時爆出的各種軟件漏洞和“后門”事件，使得航空軟件安全風險隱患逐漸暴露，信息安全等一些重大問題也開始引起國家、軍方的重視，軍方也迫切期望能夠使用國產操作系統替代國外產品。計算所堅信自主研制是一條必然之路，這與當時軍方的想法不謀而合。 要使目標成為現實，離不開人力、物力、財力及技術的支撐。對于計算所來講要研制機載操作系統，當時的情形用“困難重重”來概括一點都不為過。一方面是缺乏資金，研制一個安全操作系統其資金需求當以“億”計，當時軍工企業普遍經營困難，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說更屬不易；另一方面，當時國內基礎軟件的發展一直得不到重視，盡管各個行業都意識到了基礎軟件的重要，但是在實際應用中都更傾向于采購國外的成熟產品。盡管當時幾個行業都在自主研制操作系統，但是產品由于無法投入實際應用，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，那就是在長期以來在工程實踐中培養和造就了一支專業化的團隊。這支團隊有著扎實的計算機研制的專業能力，以及對發展機載軟件系統的深刻認識，更有著在艱難困苦中敢于直面挑戰、頑強拼搏的精神。在長期的工作中，他們不但錘煉了科研能力和業務水平，認準了機載操作系統的發展趨勢，并堅定地要走一條獨立研制之路。 2002年，由計算所發起，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，組成團隊進行操作系統研制；在研制模式上，與長期進行操作系統專業研究的北京科銀京成公司強強聯合，借助已有內核技術為基礎進行操作系統的研制。 在此后兩年多的時間里，聯合研制團隊在已有基本內核基礎上，在歸納需求、搭建架構、優化內核等方面進行探索和攻關，以韓煒、葉宏等專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，計算所的多名專家聯合向所領導提出建議，要求加大對研制操作系統的支持力度，時任所長羅秋生果斷決定對研究室的業務進行了調整，將“賺錢”的任務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、精益求精開展研制。 從2002年到2006年，在沒有任何外來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鍵技術的基礎上，以滿足綜合模塊化航電系統（IMA）的需求為目標，成功突破了時間、空間的分區化隔離和健康監控技術，完成了分區操作系統架構等相關技術研究，形成了天脈原型——ACoreOS產品——并進行了裝機驗證，結果證明軟件產品的基本可用性。但對于如此關鍵、核心、基礎軟件，有人贊賞這種膽識和熱情，但很少有人會相信產品可信性，致使產品在裝備上并沒有得到有效使用。 力擔我國首個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。團隊迎來了國家信息系統自主可控大發展的歷史性機遇，2006年國務院發布了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（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項，國產基礎軟件的研發被提至國家戰略高度。在空裝機關的帶領下，計算所研制團隊經過兩年的不懈努力，通過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，展示了行業電子研制通用基礎軟件的雄心壯志，展示了團隊已經具備的強大基礎。2008年，機載操作系統正式獲得國家立項，這也意味著團隊前面六年的工作得到了國家承認，計算所也正式進入基礎軟件產品研發國家隊。 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點、以研制精品為目標，全面取代國外相關產品。 按照裝備主管機關提出的“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、中航工業成都所等4家單位組成項目團隊，全面開展研制工作。 產品取名“天脈”。根據需求，天脈系列產品分為天脈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、結構簡潔、高效，在單個應用的電子設備中廣泛應用，國內也有多家單位在進行研究。而當時國內急需具有新一代綜合化模塊化航空電子系統（IMA）特征、滿足ARINC 653標準的“時間”“空間”健壯分區保護的操作系統產品。這種產品除了實現基本任務調度、設備管理等功能外，還需要實現時間分區管理、空間分區管理、健康監控、分區間通信等功能，而這些課題當時在國內研究僅僅是初步的。而且除ARINC 653標準之外，還需要實現藍圖配置、容錯、重構等系統管理等ASSAC所定義的策略，滿足IMA分布式系統管理框架的需要，當時在國內這更是研究的空白地帶。但是實現具有IMA特征的機載電子設備是我們裝備發展的必由之路，國外IMA所使用的Integrity/178B分區操作系統對我實行嚴格禁運。 如果說ARINC 653或ASSAC（法、德、英和美政府建立的聯合標準化航空電子系統架構委員會）通過技術攻關可以突破的話，而實現高安全、高可靠的軟件工程方法、過程和工具，更需要長期的磨煉、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里長征走完的第一步，接下來面臨的重大問題就是探索采用什么樣的軟件工程方法、過程和工具實現具有IMA分布式系統管理框架，這也直接關系著項目的成敗。 作為我國首個獨立立項研制的核心、通用的基礎軟件產品，研制團隊經過對比國內外、軍內外軟件領域標準和規定，在滿足軍用軟件研制規范的同時，通過全面論證，確定了發展路線、戰技指標、技術標準等重大難點問題。團隊大膽引入了國外民機成熟、國內鮮有實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，自加壓力、將天脈操作系統產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。事實證明在研發階段引入適航理念，制定滿足DO-178B對A級軟件66個目標的計劃，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品質量，實現高安全、高可靠的目標起到了決定性的作用。 在此后的研制過程中，項目技術團隊精誠合作，集智攻關。在技術上，先后突破了安全操作系統架構、分區化的故障隔離、時間/空間隔離和配置等問題；突破了服務功能、資源配置和運行狀態的兼容性問題，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，持續優化項目的過程管理，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，實現了基于需求的需求、語句、分支、MC/DC、OCA等各項指標的100%驗證。 但是，團隊第一次實踐DO-178B方法、第一次研制軟件型號，由于沒有經驗、沒有借鑒，還是不可避免地遭遇了困難和挫折，實際花費的時間是預計的三倍，經費更是超出了預算，更艱難的是過程中不斷有人懷疑國人是否可以嚴格實踐軟件適航、是否有能力自主研制高安全的操作系統產品。但是團隊憑著堅韌不拔的毅力、百折不撓的干勁，以航空報國的信念和必勝的信心，又經過六年的艱苦拼搏，完整地、自主地實踐了DO-178B的軟件適航理念，完成了操作系統的研制工作。 產品定型 圓滿完成國家使命 軟件產品按照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，由航空產品定型委員會組織完成一系列產品的評價工作，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品嚴格的過程要求，100%通過考核的軟件產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，這些考核是隨著系統進行，不會引起大家的重視。應用軟件考核一般都是確定場景，事先可以進行“預習”，非軟件型號項目也不需要進行如此復雜的測試驗證。此次考核由于是操作系統，沒有應用系統，只能按照等級最高的系統進行考核：沒有確定場景，只能使用最復雜、最苛刻、最容易使系統“崩潰”的場景進行模擬運行；由于是航空型號項目，所以必須在實際的大型裝備上進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、更可靠的軟件產品，他們卯足一股勁，決心用滿分通過國家嚴格考核： 2010年10月，天脈1通過了空軍軟件測評中心的定型測評； 2010年11月，天脈1通過了中航工業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通過了國家組織的鑒定，開始推廣使用。 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，天脈產品完成了數個軍工單位的試用； 2014年7月，完成了天脈1和天脈2的國家定型。 2014年7月，中國航空軍工產品定型委員會在西安召開了設計定型審查會，經過嚴格的審查，團隊實現了自己莊嚴的承諾，給黨和國家交上了一份滿意的答卷，也實現了計算所人的“操作系統自主研制、自主發展”的夢想。 天脈機載操作系統的研制成功，打破了國外對同類產品的封鎖，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，也使中航工業計算所一躍成為國內知名的基礎軟件研制企業，成為嵌入式操作系統研制的主力軍。 自2011年底鑒定以來，天脈操作系統已推廣至39家單位，已培訓近500名嵌入式開發人員，已交付用戶近千套，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、工業控制、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品，在航空內外的新一代綜合電子領域已經得到有效應用。 “天脈”，一個響亮的名字。“天”是天空，那里不但是鳥兒自由飛翔的空間，也是航空人馳騁的疆場。“脈”是脈絡，也是經絡，是人體功能的調控系統，它使人體各器官聯接成為一個有機整體。機載操作系統，它沒有機體之偉岸，也不像電子元器件那樣小巧，它像經絡一樣看不見、摸不著，但卻是飛機設備上信息流動的平臺，在飛機中卻起著中樞神經的作用。 “士不可以不弘毅，任重而道遠。”十多年來，伴隨著機載操作系統的研制歷程，計算所也成長起了一支優秀的機載操作系統研制團隊，誕生了中航工業唯一的1名軟件首席專家、3名軟件特級專家、1名軟件一級專家。“天脈”團隊是一支有夢想的團隊、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，天脈系列產品將作為國之重器，為國家信息安全、裝備建設、國民經濟做出更大的貢獻。 |
