基于元模型的復雜航電系統建模

林 山,李越雷,陳 穎

(1.四川理工學院 計算機學院,四川 自貢 643000;2.中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

在航空電子系統領域,隨著系統向著數字化、模塊化和綜合化的方向發展,航空電子系統已經演變成模塊級高度綜合集成的系統[1]。傳統的獨立電子裝備已經不再存在,取而代之的是將傳統的多個功能的獨立電子裝備作為一個整體進行統一設計,從而在性能、體積、重量、成本等方面具有傳統方式不可比擬的優勢。但隨著系統規模的不斷增大,系統的復雜性也急劇增加,模塊級高度綜合集成的航電系統已經成為了一個高度復雜的系統,對其設計、開發和維護帶來了很大的困難。

構建模型是研究復雜系統的主要方法,由對象管理組織(Object Management Group,OMG)提出的模型驅動架構(Model Driven Architecture,MDA)是以統一建模語言(Unified Modeling Language,UML)為基礎的面向對象建模方法。但基于UML的MDA缺乏對特定領域建模的支持,不同的領域可能需要不同的建模語言,人們通常根據應用系統(領域)的需要建立自己的建模語言[2]。本文通過元模型刻畫出可以被系統開發人員直接使用的航電系統建模語言,搭建出適合人與人之間溝通的圖示化航電系統模型,再利用可擴展標記語言(eXtensible Markup Language,XML)描述適合機器解析的系統模型,從而建立人與人、人與機器之間的溝通方法。

2 系統層次模型

航空電子系統是高度綜合化復雜系統,對其不能像其它簡單系統一樣直接進行建模工作,應先將復雜系統按功能劃分為若干個子系統,分別建立各子系統模型,然后建立子系統之間的關聯模型,最后通過關聯模型將各子系統模型集成起來,構成系統的總體模型[3]。對復雜系統分塊之后,出現許多較小的建模對象,降低了系統建模復雜度。航電系統按功能可劃分成通信導航與識別系統、雷達系統、電子戰系統、光電系統、飛行器管理系統、顯示器和武器系統[4],子系統之間相互作用,從而生成總的系統功能。

從航電系統劃分出的子系統的復雜度依然很高,對其從不同層次加以描述,建立起不同層次的模型,可以進一步降低系統的復雜度。通過對系統的分層處理,把復雜系統劃分為若干層次,各層次由不同的實體構成,實體完成特定的行為功能并具備接口定義,層與層之間、實體與實體之間通過一定的關聯關系關聯,實體內部高內聚,實體之間松耦合。經過復雜系統分層邏輯模型處理后,實體、實體的屬性、實體之間的互連關系構成了系統的3個要素。

典型的航空電子系統分層模型如圖1所示,系統分為應用層、組件層及平臺層。應用層包含若干個應用功能線程,它們之間有一定的關聯關系;每個應用功能線程的具體實現由組件層的若干組件組合完成,組件與組件之間有一定的關聯關系;組件部署在平臺層上,平臺層由具體的功能單元(處理器)組成,功能單元與功能單元之間有一定的關聯關系。

圖1 復雜系統分層模型Fig.1 Multi-level model of complex system

系統可以用構成系統的元素及元素與元素之間關聯關系的集合進行描述。參考圖1復雜系統分層模型,在數學上,對于分層后的復雜系統Y可描述為

式中,S表示系統分層集合,si表示第i層;Rs表示層與層之間的關聯關系集合,Rs,(i-1),i表示第(i-1)層與第i層之間的關聯關系集合。

針對模塊級高度綜合集成的復雜航電系統,通過合理劃分和描述構成系統的各部分和各層次以及其相互關系,可以清晰地表征復雜系統整體結構,大大降低了系統的建模技術難度。

3 基于元模型的系統建模

UML作為一種通用建模語言而顯得過于通用和復雜,對于特定領域的建模效率不高。在不同的領域需要不同的建模語言及其建模工具,人們通常根據應用系統的需要建立自己的建模語言及其建模環境,元建模技術的出現解決了這個問題。元建模是指由領域專家對特定領域進行分析和抽象,得到該領域的共性和變化特征,通過UML類圖和對象約束語言(Object Constraint Language,OCL)定義該領域建模語言特有的語法和語義,建立該領域的元模型[5]。元模型建模技術不是對系統直接進行建模,而是先建立用于刻畫某個領域建模語言的元模型,然后通過該領域建模語言對某一特定應用搭建系統模型。

3.1 元模型

元模型是陳述建模的模型。元模型用抽象的方式定義了一種建模語言的構件及它們之間的關系,還有約束和建模規則。元模型是對模型更高一級的抽象,是關于模型的模型,對如何建模、模型定義、模型間集成和互操作等信息作出了描述[6]。元模型和模型之間是一種類和實例的關系,每個模型都是元模型的一個實例,如圖2所示。

圖2 現實、模型和元模型之間的關系Fig.2 Relationship between reality,model and metamodel

定義一個元模型需要一種元建模語言,而且該語言是通過元元模型描述的。基于UML類圖的元元模型因為采用面向對象技術而顯得自然和直觀,易于學習,并且可以使用現成的UML建模工具來建立元模型,已經成為主流。

3.2 航電系統元模型構建

綜合模塊化航空電子系統硬件資源通常包括天線接口單元(AIU)組件、射頻接收激勵組件(RF)、信號預處理組件(SPM)、數據復用組件(DX)、射頻前端接口控制組件(RCM)和通用I/O接口組件(GPIO),可以實現話音、數據傳輸、導航、識別等功能。

前面已經將模塊化航空電子系統劃分為平臺層、組件層和應用層3個層次。在平臺層有各種不同端口和處理單元,將這些端口和單元分別抽象為端口類和單元類。端口類是對物理端口的抽象,這些端口用于信號和數據的傳輸,包括RF端口、LVDS端口、RapidIO端口和CAN端口等。單元類是對構成組件的具體硬件實體的抽象,通常用來執行具體的計算,比如PowerPC芯片和DSP芯片等。端口和處理單元都不能再劃分,所以每個種類的處理單元或端口就是一個元模型。類可以包含若干屬性,對象可以繼承類的屬性,對端口類屬性的描述如圖3所示。這里定義的端口屬性包括端口號、端口狀態、端口所屬處理單元,端口所屬處理單元的類型可以根據需要添加其它的端口屬性。

圖3 端口屬性定義Fig.3 Attribute of port

組件類是對組件層中組件的抽象,它是對具有某項特有功能的實體的抽象,包含端口和處理單元。如SPM組件由若干個LVDS端口、RapidIO端口和DSP處理單元組成,所以SPM元模型包含LVDS元模型、RapidIO元模型和DSP元模型,并繼承組件類的屬性,如圖4所示。

圖4 SPM元模型定義Fig.4 Metamodel of SPM

在應用層,每個應用功能用一個集合描述。應用功能是物理資源上連貫的,是對執行某項特定功能而定義的邏輯實體。集合描述的是應用功能與物理資源之間的映射關系,這種映射關系不是固定的。考慮到物理資源可能出現故障的情況,同一應用功能必須可以映射到多種物理資源配置,以實現對故障資源的屏蔽[7]。任務階段和系統狀態的變化也可能導致同一物理資源在不同時間運行不同應用功能。所以應用功能與物理資源配置之間是多對多的映射,系統可以對資源的分配進行調整,因此集合記錄了應用功能和資源之間當前的配對狀態。集合應包含所有的組件資源,如圖5所示。

圖5 應用功能集合定義Fig.5 Set of application

利用面向對象的集成和協調技術將元類和元實體組成拼合模型,若干個下層模型又可合成上層模型,直到形成整個系統元模型。對綜合模塊化航空電子系統元模型搭建如圖6所示。系統模型包含了應用功能線程集合、組件類、單元類和端口類。組件類包含了構成子系統的各種組件,不同的組件又包含了不同類型的處理器模塊和端口。單元類是對處理器單元的抽象,包含PowerPC處理器和DSP處理器。端口類是對物理端口的抽象,不同的端口類型用于不同的信號和數據的傳輸。應用功能線程集合則包含各種組件。

4 航電系統模型示例

4.1 模塊模型建立

元模型定義了該領域的語法和語義,針對系統的元模型搭建完成后,在工具環境中解釋并注冊,就形成了航電領域建模語言。以SPM為例,建立模塊的域模型。每個SPM模塊含2個DSP處理器,每個DSP處理器對應3個LVDS端口和2個RapidIO端口,所有這些約束關系及屬性定義都是在SPM元模型中實現。SPM模型如圖7所示。

圖7 SPM模型Fig.7 Model of SPM

SPM模型內部結構如圖8所示,采用這種層次化的方式來組織特征,各層特征之間以整體-部分的關系構成,可清楚地描述系統。

圖8 SPM內部模型Fig.8 Internal model of SPM

4.2 系統模型建立

根據系統的特點和要求,采用類似“電路圖”的方式,通過對模型和元素的拖放連接,可以建立具體的子系統模型。由于整個系統模型過大,所以只給出部分模型,如圖9所示。利用這種建模方式,可以根據具體情況動態地對系統進行配置,能夠快速地響應需求的變化,提高開發效率,減少錯誤率。

圖9 某IMA系統部分模型Fig.9 Partial model of an IMA system

通過圖形化建模可以建立復雜系統的高度抽象模型,表征復雜系統整體結構、各分層結構、層與層之間的關聯關系等,從而使得人們對復雜系統的內部實體、實體屬性、實體之間的關聯關系,以及演變過程更加清晰,同時也為項目團隊之間建立了統一的復雜系統溝通方式。

4.3 基于XML的模型描述

對于構建好的復雜系統圖示化模型,需轉化為易于機器解讀的系統模型描述文件。考慮到系統的擴展性、易用性和程序處理的方便性,采用XML描述復雜系統的系統模型,并傳遞系統資源數據,實現數據的交互與共享[8]。應用XML的目的是希望用一種標準的數據組織形式來傳遞數據,增強系統內外部的交互能力。可以將XML作為一個中間件,以統一的模式進行數據交換。

在基于元模型進行復雜系統建模的基礎上,可以利用XMI(XML Metadata Interchange)規范生成使用XML語言描述的復雜系統的系統模型。生成的系統模型XML描述文件部分如下所示:

對組件的描述在之間,描述了組件的名字、組件的各種屬性,接著描述了組件包含的各種端口,對各種端口的描述也包括了端口名稱和屬性。組件和端口包含的屬性信息是在構建組件元模型時定義,而組件包含哪些端口是在構建具體應用模型時根據具體需求定義。

系統模型轉化為易于機器解讀的模型XML表征,模型XML表征文件由XML解析器解析,形成系統的核心框架,通過框架完成平臺硬件注冊、應用構件注冊、硬件之間、構件之間關聯關系的連接,完成整個系統應用部署過程(靜態部署),并根據系統的備案策略,完成系統在不同工作模式下的智能管理及功能重構功能(動態部署)。

5 結束語

在電子信息系統領域,隨著系統規模的不斷增大,系統的復雜性也在急劇增加,這一點在模塊級高度綜合集成的航空電子系統中尤為突出。本文簡述了基于元模型的系統建模方法,并通過XML進行航電系統的知識表達。首先針對航電系統復雜性的特點,將系統劃分為若干層次,從而大大降低了復雜性;其次在系統分層的基礎上,根據元模型建模技術構建系統的元模型,再根據具體應用設計搭建出系統模型;最后將系統模型轉化為易于機器解讀的XML格式,完成整個系統應用部署過程。工程實踐表明,這種高度抽象的系統集成設計方法顯著提高了航電系統開發的進度與質量。

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