飛行管理系統(tǒng)中基于四變量模型的需求輕量化

劉力

摘 要 本文針對的主要工作是在系統(tǒng)需求層面以及設計層面上基于輕量級形式化方法對飛行管理系統(tǒng)的系統(tǒng)需求進行分析與研究并且建模，研究了一種基于四變量模型的系統(tǒng)需求建模與分析方法，并在工程化的需求形式化建模及其分析去尋找一種有效地途徑。

【關鍵詞】飛行管理系統(tǒng) 系統(tǒng)需求建模與分析 四變量模型 輕量級形式化方法

需求分析是軟件開發(fā)過程中的重要部分。只有通過需求分析，才能將軟件功能和系能的總體概念描述為具體的需求規(guī)范。需求分析具有較強的方向性、策略性和決策性，對軟件開發(fā)過程的整體過程和后續(xù)階段起到?jīng)Q定性的影響。基于模型的系統(tǒng)需求分析建模和分析研究方法在系統(tǒng)工程的安全性領域中體現(xiàn)了其可靠性和實效性的特點。目前狀況下，四變量模型已被成功地運用到了基于軟件控制的嵌入式系統(tǒng)安全性領域中，其核心的觀點是在系統(tǒng)需求方面去分析確定系統(tǒng)行為需求及軟件行為需求。該模型是通過指明系統(tǒng)需求以及與系統(tǒng)輸入輸出相關的硬件接口來對軟件需求進行限制。在利用四變量模型對系統(tǒng)進行需求分析的過程中，結(jié)合SCR（Software Cost Reduction，SCR）需求分析方法對系統(tǒng)進行需求分析，從而保證系統(tǒng)設計流程的完整性和安全性。

1 飛行管理系統(tǒng)概述

本文所研究的飛行管理系統(tǒng)（Flight Management System，F(xiàn)MS）是現(xiàn)代軍用和民用飛機的航空電子設備的基本組成部分，可以實現(xiàn)各種飛行任務的自動化，減少人工工作負載，降低飛行員的駕駛負擔，從而確保高效率地完成飛行任務；FMS主要利用傳輸器輸入的飛機狀態(tài)以及有關導航的數(shù)據(jù)，在導航數(shù)據(jù)庫、性能數(shù)據(jù)庫提供的參考數(shù)據(jù)基礎上，實時進行飛行引導計算，輔助飛行員控制飛行的軌跡，使其按照預先制定的飛行計劃和當前選擇的性能模式進行飛行。

一般軍用或民用飛機上的飛行管理系統(tǒng)（FMS）由一套運行于綜合處理機（IPC）內(nèi)通用處理模塊（CPM）上的應用軟件（FMSA）和為其提供功能支持的其他分系統(tǒng)組成的。FMS以顯示控制分系統(tǒng)（CDS）提供的主飛行顯示（PFD），導航顯示（ND），模擬控制顯示單元（SCDU）、鍵盤和軌跡球等作為主要的人機交互界面；以慣性/衛(wèi)星組合導航設備（INS）、機電管理計算機（EMP）、無線電導航設備和大氣數(shù)據(jù)設備（ADC）作為飛機狀態(tài)傳感器和導航傳感器；以自動飛行控制系統(tǒng)（AFCS）作為主要的飛行執(zhí)行部分。另外，F(xiàn)MSA有配套的加卸載設備來更新數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，包括導航和性能數(shù)據(jù)庫，并且可以卸載飛行員數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。

2 系統(tǒng)需求層面的軟件行為定義

在四變量模型中，系統(tǒng)軟件行為是通過關系REQ、NAT、IN和OUT來進行描述的。具體來說，關系NAT和關系REQ描述的是當受監(jiān)控的變量發(fā)生變化時，受控制的變量應如何相應的發(fā)生變化。NAT描述的是在不考慮系統(tǒng)本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)行為的情況下系統(tǒng)中所存在的環(huán)境行為，而REQ描述的是系統(tǒng)環(huán)境是如何被系統(tǒng)本身所約束的。在四變量模型中用關系IN和關系OUT來描述圍繞在軟件周圍的硬件接口，主要是反應了受監(jiān)控的變量與輸入變量，輸出變量與受控制的變量之間的映射關系，同時也反應出了輸入變量和系統(tǒng)軟件之間的交互過程以及輸出變量與系統(tǒng)軟件之間的交互過程。對關系REQ、NAT、IN和OUT加以規(guī)范化可有效地對軟件行為進行相關約束。

從總體來看，利用四變量模型構(gòu)建的需求模型可以同時描述系統(tǒng)需求及軟件需求。該模型通過關系REQ和NAT定義了系統(tǒng)需求，反應的是受監(jiān)控的變量與受控制的變量之間的約束關系。通過關系IN和OUT定義了軟件需求，分別反應了受監(jiān)控的變量與輸入變量和輸出變量與受控制的變量之間的約束關系。

3 FMS系統(tǒng)需求的四變量模型分析

本節(jié)主要是為FMS系統(tǒng)中導航控制模塊進行輕量化需求分析，分別從CDS指令處理模塊以及傳感器配置模塊這兩個模塊進行詳細介紹。

3.1 CDS指令處理模塊的需求輕量化分析

對CDS指令處理模塊進行構(gòu)建四變量模型，當執(zhí)行調(diào)顯導航狀態(tài)指令時，其四變量模型如圖1所示。其中受監(jiān)控的變量來源有三個：第一個是可以表示當前狀態(tài)的傳感器使用狀態(tài)senor_state，第二個是可以表示當前狀態(tài)的無線電定位模式wire_mode，最后一個是可以表示當前狀態(tài)的導航模式nav_mode；經(jīng)輸入設備后產(chǎn)生的輸入變量是：senor_state'、wire_mode'和nav_mode'。三個輸入變量輸入到CDS指令模塊的線路中，經(jīng)過處理輸出符合系統(tǒng)需求的輸出變量，用nav_state'表示。最后該輸出變量經(jīng)過輸出設備后產(chǎn)生的受控制的變量為導航狀態(tài)nav_state，作用到外部環(huán)境中（輸出到顯示控制分系統(tǒng)中的人機界面）。

3.2 傳感器配置模塊的需求輕量化分析

為飛行管理系統(tǒng)中導航控制模塊的傳感器配置模塊構(gòu)建四變量模型，形式如圖2所示。其中受監(jiān)控的變量是：慣導設備選擇、大氣設備選擇、衛(wèi)星設備選擇、測距設備選擇、VOR設備選擇、TACAN選擇；經(jīng)過輸入設備產(chǎn)生的輸入變量是：ins_device、adc_device、satellite_device、dme_device、vor_device、tacan_device；將這六個輸入變量輸入到傳感器配置模塊的軟件單元進行處理產(chǎn)生符合系統(tǒng)需求的輸出變量是：用senor_state'來表示；最后該輸出變量經(jīng)過輸出設備后產(chǎn)生的受控制的變量為當前傳感器使用狀態(tài)senor _state，作用到外部環(huán)境中，其中監(jiān)控單元主要對命令單元起到監(jiān)控作用，用于監(jiān)控各自對應的命令單元產(chǎn)生的命令是否有效。

4 結(jié)束語

本文針對飛行管理系統(tǒng)的需求分析問題，提出了一種基于四變量方法的輕量化需求分析方法。并結(jié)合飛行管理系統(tǒng)中的導航控制模塊進行了實例研究，給出了具體的四變量模型；本文將提出的基于四變量模型對需求建模與分析研究應用到飛行管理系統(tǒng)的具體系統(tǒng)需求分析中，通過最終的分析結(jié)果來說明了該套方法的實用性和可靠性。

參考文獻

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作者單位

南京航空航天大學 計算機科學與技術(shù)學院 江蘇省南京市 211106