基于模型的航空電子系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法研究

霍萍，趙永庫(kù)，劉斌

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089)

航空電子系統(tǒng)是現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的一個(gè)重要組成部分，其性能和技術(shù)水平的高低直接決定和影響著現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的作戰(zhàn)性能，而且是衡量現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)作戰(zhàn)性能的三大要素之一。航空電子技術(shù)發(fā)展至今，先后經(jīng)歷了分散、聯(lián)合、綜合、高度綜合4個(gè)階段；航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)亦是如此，同樣經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式和高度綜合式4個(gè)階段。從4個(gè)階段的發(fā)展可以看出，飛機(jī)航空電子系統(tǒng)功能變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)綜合化程度的要求也不斷提高，加之來(lái)自外部任務(wù)需求的新特點(diǎn)、研制周期以及功能性能成本等多方面因素的影響，使得飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制變得更加復(fù)雜，為傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，這就需要采用一種科學(xué)高效的基于模型的系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法來(lái)幫助解決當(dāng)前航空電子系統(tǒng)所面臨的復(fù)雜工程問(wèn)題，也是未來(lái)飛機(jī)航空電子系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 基于模型的系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法

基于模型的系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)方法是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制工作中的擴(kuò)展和延伸，其關(guān)注的重點(diǎn)是系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)過(guò)程中信息傳遞的模型化。設(shè)計(jì)方法分析目標(biāo)是將用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)說(shuō)明，即能夠指導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一套統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的解決辦法，基于模型的系統(tǒng)工程是一種應(yīng)用建模方法的規(guī)范方式，用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)，貫穿于系統(tǒng)設(shè)計(jì)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程及后續(xù)過(guò)程的生命周期階段。

2 航電系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)流程

基于模型的航空電子系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱航電系統(tǒng)）正向設(shè)計(jì)方法，即從飛機(jī)任務(wù)需求出發(fā)，自頂而下開(kāi)展飛機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)需求建模分析；接著，開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)功能分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)，形成基于模型的航電系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)多維特性進(jìn)行系統(tǒng)的非功能分析，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，供后續(xù)產(chǎn)品研制與軟件開(kāi)發(fā)使用。同時(shí)，通過(guò)測(cè)試工具完成基于模型的系統(tǒng)集成測(cè)試驗(yàn)證，形成一整套系統(tǒng)化、規(guī)范化的航電系統(tǒng)閉環(huán)正向設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證流程。圖1為航電系統(tǒng)基于模型的正向設(shè)計(jì)流程圖。

圖1 航電系統(tǒng)基于模型的正向設(shè)計(jì)流程圖

2．1 基于模型的需求分析

針對(duì)現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的新特點(diǎn)，開(kāi)展基于DoDAF的需求分析和模型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)向裝備體系結(jié)構(gòu)的指引和映射。DoDAF體系架構(gòu)框架是由美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的用于描述和指導(dǎo)武器裝備架構(gòu)開(kāi)發(fā)的綱領(lǐng)性規(guī)范，是一種用于架構(gòu)開(kāi)發(fā)的跨領(lǐng)域、綜合的框架和概念模型，是組織、表述復(fù)雜組織體系架構(gòu)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)系統(tǒng)需求選取合適的視點(diǎn)和模型開(kāi)展系統(tǒng)需求分析和視圖建模。首先，根據(jù)飛機(jī)級(jí)作戰(zhàn)需求開(kāi)展作戰(zhàn)視點(diǎn)、體系需求等視圖分析；接著，根據(jù)飛機(jī)級(jí)功能需求開(kāi)展飛機(jī)級(jí)服務(wù)視點(diǎn)、功能視圖分析；根據(jù)飛機(jī)級(jí)能力需求開(kāi)展能力視點(diǎn)、飛機(jī)級(jí)能力視圖分析；最后，根據(jù)飛機(jī)級(jí)需求分解出系統(tǒng)級(jí)需求，開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)功能分析和視圖建模，并將分析模型傳遞給系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員。圖2為航電系統(tǒng)通信功能視圖。

圖2 航電系統(tǒng)通信功能視圖

2．2 基于模型的系統(tǒng)功能分析和設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建模語(yǔ)言SysML是一種通用的圖形化標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，用于描述、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證包含硬件、軟件、設(shè)備、人員和信息的復(fù)雜系統(tǒng)。采用SysML語(yǔ)言開(kāi)展基于模型的系統(tǒng)功能分析包括需求分析、功能分析、設(shè)計(jì)綜合、系統(tǒng)驗(yàn)證等部分，實(shí)現(xiàn)將功能需求轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的連貫的功能或者操作的目的。首先，完成對(duì)系統(tǒng)需求的確認(rèn)和管理。根據(jù)上節(jié)分析出的航電系統(tǒng)用戶需求進(jìn)行系統(tǒng)需求的抽象和定義，對(duì)每一條用戶需求進(jìn)行確定性、一致性確認(rèn)，并進(jìn)行唯一可識(shí)別號(hào)碼的編制，完成航電系統(tǒng)需求的導(dǎo)入。接著，開(kāi)展系統(tǒng)功能的建模分析和設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)用例圖分析并明確系統(tǒng)的邊界、功能塊和參與者。在完成系統(tǒng)用例圖后，針對(duì)每一個(gè)用例進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，把系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)黑盒，通過(guò)活動(dòng)圖、時(shí)序圖、端口和接口、狀態(tài)機(jī)圖等多個(gè)視角的建模設(shè)計(jì)來(lái)分析系統(tǒng)，形成一個(gè)反復(fù)迭代、逐步深入的過(guò)程。通過(guò)功能分析，得到外部參與者與系統(tǒng)交互的功能流過(guò)程，將系統(tǒng)的各功能按組分類，劃分系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，構(gòu)建系統(tǒng)的功能架構(gòu)。最后，完成系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)綜合。在完成關(guān)鍵系統(tǒng)功能的定義后，根據(jù)系統(tǒng)的權(quán)衡分析確定合并系統(tǒng)的候選方案，形成系統(tǒng)總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)功能分配到系統(tǒng)的架構(gòu)中，并將設(shè)計(jì)模型傳遞給架構(gòu)分析人員使用。圖3為航電系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)加載活動(dòng)圖。

2．3 基于模型的系統(tǒng)非功能分析和設(shè)計(jì)

SysML語(yǔ)言側(cè)重于系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和邏輯架構(gòu)建模設(shè)計(jì)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)部分關(guān)鍵的非功能特性（如可靠性、可調(diào)度性、實(shí)時(shí)性、安全性等要素）進(jìn)行分析，故需選用AADL對(duì)系統(tǒng)非功能關(guān)鍵特性進(jìn)行分析和物理架構(gòu)建模設(shè)計(jì)。體系架構(gòu)設(shè)計(jì)和分析語(yǔ)言AADL是對(duì)SysML的承接，兩者是互補(bǔ)關(guān)系。首先，開(kāi)展系統(tǒng)物理架構(gòu)的建模設(shè)計(jì)。構(gòu)建航電系統(tǒng)的硬件組件（如設(shè)備、存儲(chǔ)器、處理器、總線等）、系統(tǒng)配置（如軟件組件、執(zhí)行平臺(tái)等）、端口（如數(shù)據(jù)、事件等）、模型組件和各組件間的連接關(guān)系等。接著，開(kāi)展系統(tǒng)的非功能關(guān)鍵特性分析。以構(gòu)建完成的航電系統(tǒng)物理架構(gòu)模型為基礎(chǔ)，加入非功能屬性的約束條件作為分析輸入，通過(guò)可靠性、實(shí)時(shí)性、可調(diào)度性、安全性等多維特性分析，完成航電系統(tǒng)的延遲、可靠度、總線負(fù)載等特性評(píng)估，得到符合約束要求的系統(tǒng)配置模型，傳遞給軟件開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研制人員。

2．4 基于模型的系統(tǒng)集成測(cè)試驗(yàn)證

在完成系統(tǒng)架構(gòu)模型傳遞后，通過(guò)測(cè)試工具完成基于模型的系統(tǒng)單元測(cè)試、部件測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試、產(chǎn)品交付等一系列測(cè)試驗(yàn)證活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于模型的航電系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

圖3 航電系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)加載活動(dòng)圖

3 結(jié)語(yǔ)

航電系統(tǒng)采用基于模型的方式進(jìn)行自頂而下的正向設(shè)計(jì)，通過(guò)基于模型的方式開(kāi)展系統(tǒng)的需求分析、功能分析、非功能分析以及系統(tǒng)集成測(cè)試驗(yàn)證，使模型成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳遞和交流信息的依據(jù)，極大減少文本描述引起的語(yǔ)義偏差，能夠盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，減少系統(tǒng)的更改成本，便于后續(xù)的系統(tǒng)迭代和優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升飛機(jī)航電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)品質(zhì)。