CN107358010B - 基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法。设计方法包括系统功能划分、系统层体系结构设计、功能层体系结构设计和执行层体系结构设计。系统功能划分则根据系统内部不同的工作任务，将系统功能划分为构型管理功能、构型控制执行功能和仿真执行功能；系统层体系结构设计采用AADL组件对系统进行抽象。本设计方法是一种基于模型的开发方法，易于编辑和修改，而且使用方便，可以极大的降低开发成本，缩短开发时间。采用本发明所设计的航电仿真构型控制系统体系结构是一种可分析模型，可以通过多种模型分析方法对其功能属性及非功能属性进行验证，可以在系统实现之前提供一种便利且有效的验证途径。

Description

基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法

技术领域

本发明涉及飞机航空电子系统仿真及设计领域，特别涉及一种基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法。

背景技术

半实物仿真技术是广泛应用于航空电子系统设计和加改装过程中，解决其集成验证问题的一种有效方法。航电半实物仿真将实物航电组件和计算机仿真模型同时接入仿真系统，各组件与仿真系统间存在大量的接口和线缆，需要根据所需仿真的飞机航电构型设计方案进行连接。当航电系统的构型设计方案发生改变时，接口和线缆的重新连接将会是一项十分复杂和繁琐的工作。

目前，国内外对于航电仿真构型控制系统的研究仍处于样机设计阶段。作为一种嵌入式软件依赖性系统，如果采用传统的先制造后测试的系统设计方法对其进行设计，无疑是十分费时费力的。因此，在该系统的体系结构设计阶段就需要提前对设计方案的可行性进行验证，包括功能性验证（如正确性、运行性能等）和非功能性验证（如可靠性、信息安全性等）。本发明所涉及的航电仿真构型控制系统就是一种解决上述问题的新型的系统级技术方案。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法，该方法采用AADL（体系结构设计与分析语言）建立体系结构模型来设计航电仿真构型控制系统，目的在于提供一种模型驱动的航电仿真构型控制系统开发方法，从而缩短该系统的开发时间，降低开发成本。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、系统功能划分：根据系统内部不同的工作任务，将航电仿真构型控制系统功能划分为三个部分，分别为构型管理功能、构型控制执行功能和仿真执行功能，所述构型管理功能部分包括1台构型管理计算机，所述构型控制执行功能部分包括1台交换机配置计算机和1台终端配置计算机，所述仿真执行功能部分包括1台ARINC664交换机和多个航电仿真终端。

二、系统层体系结构设计：采用AADL组件对航电仿真构型控制系统进行建模，采用AADL系统组件建模构型管理计算机、交换机配置计算机和终端配置计算机，采用AADL设备组件建模ARINC664交换机和航电仿真终端，AADL组件之间交互通过数据类端口、事件类端口和数据事件类端口实现，数据类端口用于发送数据，事件类端口用于发送事件触发指令，数据事件类端口用于发送含有事件出发指令的数据，此外，AADL组件之间通过总线类端口绑定到相应的总线组件上。

三、功能层体系结构设计：采用AADL处理器组件、AADL存储器组件、AADL设备组件、AADL进程组件和AADL线程组件来建模所述构型管理计算机AADL系统组件，采用AADL处理器组件、AADL存储器组件、AADL设备组件、AADL进程组件、AADL线程组件和AADL数据组件来建模所述交换机配置计算机AADL系统组件，采用AADL处理器组件、AADL存储器组件、AADL设备组件、AADL进程组件、AADL线程组件和AADL数据组件来建模所述终端配置计算机AADL系统组件，并用AADL模式变换的设计方法模拟所述AADL线程组件的不同工作状态，其中功能任务的触发和数据的传输通过各AADL组件间的AADL事件触发端口和数据端口实现。

四、执行层体系结构设计：采用AADL行为附件来建模所述功能层组件间各种任务的具体执行过程，其中的数据发送、接收及事件的触发均以AADL子程序组件实现。

本发明所产生的有益效果在于：

（1）本发明所提出的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法是一种基于模型的开发方法，易于编辑和修改，而且使用方便，可以极大的降低开发成本，缩短开发时间。

（2）采用本发明所设计的航电仿真构型控制系统体系结构是一种可分析模型，可以通过多种模型分析方法对其功能属性及非功能属性进行验证，可以在系统实现之前提供一种便利且有效的验证途径。

附图说明

图1为本发明涉及的航电仿真构型控制系统功能框架示意图；

图2为本发明提出的航电仿真构型控制系统体系结构系统层设计示意图；

图3为本发明提出的系统组件“Config_control_sys”功能层设计示意图；

图4为本发明提出的系统组件“Switch_config_sys”功能层设计示意图；

图5为本发明提出的系统组件“Terminal_config_sys”功能层设计示意图；

图6为本发明提出的航电仿真构型控制系统体系结构执行层设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提出的基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法进行详细说明。

本发明所涉及的航电仿真构型控制系统的功能框架如图1所示。在航电仿真构型发生改变时，为避免十分复杂的重新连接电气线路过程，本发明所提出的航电仿真构型控制系统采用了基于ARINC664标准的仿真数据网络，其中ARINC664标准是为在航空子系统之间数据交换而定义的一种电子特殊协议（IEEE 802.3 和ARINC664 Part7）标准，是基于ARINC429和1553B基础之上的一种总线通信协议规范。将该系统的功能分为三部分：构型管理功能、构型控制执行功能和仿真执行功能。其中，构型管理功能由一台构型管理计算机完成，构型控制执行功能由一台交换机配置计算机和一台终端配置计算机共同完成，仿真执行功能由一台ARINC664交换机和多个航电仿真终端共同完成。构型管理计算机中安装有人机交互界面，可以进行仿真构型的控制和调整；交换机构型控制计算机和终端构型控制计算机分别负责对ARINC664交换机和航电仿真终端的虚拟链路连接进行配置；ARINC664交换机和航电仿真终端通过搭建基于ARINC664标准的虚拟链路为整个航电仿真提供灵活的、易于调整的数据通路。实际仿真过程中所使用的航电仿真终端有两种类型：远程数据集中器（RDC）终端和ARINC664板卡终端。RDC终端支持多种数据类型的航电接口，可以将各种非ARINC664标准的实际航电组件接入仿真网络；ARINC664板卡终端可以将仿真模型计算机接入仿真网络。该系统具有两种工作模式：构型配置工作模式和读取当前构型工作模式。在构型配置工作模式下，操作人员通过该系统的人机交互界面设计仿真构型后，系统自动生成ARINC664交换机和航电仿真终端的虚拟链路网表，并对其进行配置，从而构建相对应的仿真数据通路；在读取当前构型工作模式下，系统从内部存储中取出当前仿真构型，并在人机界面中进行显示。

本发明所提出的基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法分别从系统层、功能层、执行层三个层面设计了该系统的体系结构模型。具体步骤如下：

步骤一、以系统内部不同的工作任务为界限，将航电仿真构型控制系统功能划分为三个部分，分别为构型管理功能、构型控制执行功能和仿真执行功能；构型管理功能部分为1台构型管理计算机；构型控制执行功能部分包括1台交换机配置计算机和1台终端配置计算机；仿真执行功能部分包括1台航空电子全双工交换式以太网（ARINC664）交换机和多个航电仿真终端。

步骤二、从系统层角度设计航电仿真构型控制系统的体系结构顶层框架；体系结构系统层设计用5个AADL组件对航电仿真构型控制系统进行抽象；5个AADL组件包括分别对应于构型管理计算机、交换机配置计算机和终端配置计算机的3个AADL系统组件和分别对应于ARINC664交换机和航电仿真终端的两个AADL设备组件。

步骤三，从功能层面深入设计系统层体系结构各组件的内部工作流程；体系结构功能层设计用AADL进程组件、线程组件和设备组件来抽象航电仿真构型控制系统的各种功能体系结构，并用AADL模式变换的设计方法模拟系统的不同工作状态，其中功能任务的触发和数据的传输通过AADL事件触发端口和数据端口实现。

步骤四、从执行层面进一步深入设计功能层体系结构的具体执行过程；体系结构执行层设计采用AADL行为附件来描述功能层组件间各种任务的具体执行行为。AADL行为附件是对AADL标准语义的扩展，可以通过状态及状态的迁移来描述AADL组件内部的具体行为。

以下对该系统的体系结构模型分别从系统层、功能层、执行层三个层面的设计进行详细说明。

1、系统层

如图2所示，将该系统用5个AADL组件进行抽象：构型管理计算机抽象为AADL系统组件“Config_control_sys”，交换机构型控制计算机抽象为AADL系统组件“Switch_config_sys”，终端构型控制计算机抽象为AADL系统组件“Terminal_config_sys”，ARINC664交换机抽象为AADL设备组件“AFDX_sim_switch”，航电仿真终端抽象为AADL设备组件“Avionics_sim_terminals”。各组件间交互通过图2中标出的数据类端口（<<Data>>）、事件类端口（<<Event>>）和数据事件类端口（<<Data& Event >>）实现，数据类端口用于发送数据，事件类端口用于发送事件触发指令，数据事件类端口用于发送含有事件出发指令的数据。另外，各组件均通过总线类端口（<<BusAccess>>）绑定到相应的总线组件上。

2、功能层

以下对该系统体系结构功能层的设计描述了系统层设计中三个AADL系统组件内部的工作流程。

（1）系统组件“Config_control_sys”功能层设计

如图3所示，系统组件“Config_control_sys”由4个AADL组件构成：1个AADL处理器组件“Control_pr”，表示用于构型管理的硬件和软件；1个AADL内存组件“Memory”，表示用于存储可执行代码和已有构型数据的存储器；1个AADL设备组件“Control_interface”，表示用于输入控制命令的人机交互接口；1个AADL进程组件“Config_manager”，表示用于管理和分发指令和数据的任务进程。其中，进程组件“Config_manager”又含有3个AADL线程组件：“Data_distribute”、“Sw_config”和“Ter_config”。

其中线程组件“Data_distribute”用于在构型配置工作模式下将指令和构型数据分发给线程组件“Sw_config”和线程组件“Ter_config”，或在读取当前构型工作模式下将收集到的当前航电仿真构型汇总并上传给设备组件“Control_interface”。指令发送端口为“sw_read”与“ter_read”（分别用于发送读取交换机配置数据指令和读取仿真终端配置指令）、“sw_set”与“ter_set”（分别用于发送配置交换机构型指令和配置终端构型指令）。数据发送端口为“set_sw_data”与“set_ter_data”（分别用于发送交换机配置数据和仿真终端配置数据）、“current_data”（用于将汇总后的当前航电仿真构型数据上传给“Control_interface”）。数据接收端口“current_sw_data”与“current_ter_data”（分别用于读取当前交换机构型和当前仿真终端构型）。

线程组件“Sw_config”和线程组件“Ter_config”均有3种工作状态，分别为“Idle”（空闲）、“Read”（读取当前仿真构型）和“Set”（配置仿真构型），且会根据接收到的指令进入不同的工作状态。

下面以线程组件“Sw_config”为例说明其任务流程，线程组件“Ter_config”与线程组件“Sw_config”的任务流程基本一致：“Idle”为线程组件“Sw_config”的默认工作状态。在构型配置工作模式下，端口“sw_set”被事件触发，线程组件“Sw_config”进入“Set”工作模式，通过“sw_set_cmd”端口发出交换机配置事件，并通过“sw_config_set”端口发出交换机配置数据。在读取当前构型工作模式下，端口“sw_read”被事件触发，线程组件“Sw_config”进入“Read”工作模式，通过“sw_read_cmd”端口发出读取当前交换机配置事件，通过“sw_config_read”端口读取当前交换机配置数据，并在读取结束后通过“sw_read_finish”端口发出读取结束事件。此外，当交换机的配置工作和读取工作完成后，线程组件“Sw_config”的端口“sw_ready”会被事件触发，使其回归到“Idle”状态。

（2）系统组件“Switch_config_sys”功能层设计

如图4所示，系统组件“Switch _control_sys”由4个AADL组件构成：1个AADL处理器组件“Sw_config_pr”，表示用于交换机构型配置的硬件和软件；1个AADL内存组件“Mem_sw”，表示用于存储可执行代码存储器；1个AADL设备组件“Sw_config”，表示用于交换机配置计算机与交换机间数据通信的接口；1个AADL进程组件“Sw_config_manager”，表示用于配置交换机虚拟链路网表的任务进程。其中，进程组件“Sw_config_manager”又含有1个AADL数据组件：“Sw_config_data”和2个AADL线程组件：“Sw_S/R”和“Sw_config_laws”。

数据组件“Sw_config_data”用于存储当前的交换机配置数据。线程组件“Sw_S/R”用于控制交换机构型的配置和读取过程，其具有3种工作状态：“Idle”（空闲）、“Read”（读取当前交换机构型）和“Set”（配置交换机构型）。其中“Idle”为其默认工作状态，在该状态下，线程组件“Sw_S/R”通过“sw_ready”端口发出触发事件，表示交换机配置计算机处于待机状态。

在构型配置工作模式下，端口“sw_set_cmd”被事件触发，线程组件“Sw_S/R”进入“Set”工作模式，通过“sw_config_set”端口接收交换机配置数据，通过“sw_active”端口发出交换机配置数据转换事件，通过“Store_data”端口将交换机配置数据存入数据组件“Sw_config_data”，并通过“sw_config_data”端口发出交换机配置数据。配置过程结束后，“sw_idle”被事件触发，“Sw_S/R”返回“Idle”工作模式。

在读取当前构型工作模式下，端口“sw_read_cmd”被事件触发，线程组件“Sw_S/R”进入“Read”工作模式，通过“Read_data”端口从数据组件“Sw_config_data”中读取当前交换机配置数据，并通过“sw_config_read”端口将读取到的数据上传。读取过程结束后，端口“sw_read_finish”被事件触发，线程组件“Sw_S/R”返回“Idle”工作模式。

线程组件“Sw_config_laws”用于将交换机构型配置数据转换为交换机虚拟链路网表，其具有2种工作状态：“Idle”（空闲）和“Normal”（数据转换）。其中“Idle”为其默认工作状态，在该状态下，线程组件“Sw_config_laws”通过“sw_idle”端口发出触发事件，表示交换机数据转换处于空闲状态。

在构型配置工作模式下，端口“sw_active”被事件触发，线程组件“Sw_config_laws”进入“Normal”工作模式，通过“sw_config_data”端口接收交换机配置数据，转换为交换机虚拟链路网表后，通过“sw_netlist”端口发出。配置过程结束后，“sw_config_finish”端口被事件触发，线程组件“Sw_config_laws”返回“Idle”工作模式。在读取当前构型工作模式下，线程组件“Sw_config_laws”始终保持“Idle”工作状态。

（3）系统组件“Terminal_config_sys”功能层设计

如图5所示，系统组件“Terminal _control_sys”由4个AADL组件构成：1个AADL处理器组件“Ter_config_pr”，表示用于仿真终端构型配置的硬件和软件；1个AADL内存组件“Mem_ter”，表示用于存储可执行代码存储器；1个AADL设备组件“Ter_config”，表示用于终端配置计算机与仿真终端间数据通信的接口；1个AADL进程组件“Ter_config_manager”，表示用于配置仿真终端虚拟链路网表的任务进程。其中，进程组件“Ter_config_manager”又含有1个AADL数据组件：“Ter_config_data”和两个AADL线程组件：“Ter_S/R”和“Ter_config_laws”。

数据组件“Ter_config_data”用于存储当前的仿真终端配置数据。

线程组件“Ter_S/R”用于控制方针终端构型的配置和读取过程，其具有3种工作状态：“Idle”（空闲）、“Read”（读取当前仿真终端构型）和“Set”（配置仿真终端构型）。其中“Idle”为其默认工作状态，在该状态下，线程组件“Ter_S/R”通过“ter_ready”端口发出触发事件，表示终端配置计算机处于待机状态。

在构型配置工作模式下，端口“ter_set_cmd”被事件触发，线程组件“Ter_S/R”进入“Set”工作模式，通过“ter_config_set”端口接收交换机配置数据，通过“Store_data”端口将交换机配置数据存入数据组件“Ter_config_data”。根据需配置的仿真终端的类型为RDC终端或ARINC664板卡终端，线程组件“Ter_S/R”分别通过“RDC_select”和“card_select”端口发出终端配置数据转换事件，并分别通过“RDC_config_data”端口和“card_config_data”端口发出终端配置数据。配置过程结束后，“ter_idle”端口被事件触发，“Ter_S/R”返回“Idle”工作模式。

在读取当前构型工作模式下，端口“ter_read_cmd”被事件触发，线程组件“Ter_S/R”进入“Read”工作模式，通过“Read_data”端口从数据组件“Ter_config_data”中读取当前交换机配置数据，并通过“ter_config_read”端口将读取到的数据上传。读取过程结束后，端口“ter_read_finish”被事件触发，线程组件“Ter_S/R”返回“Idle”工作模式。

线程组件“Ter_config_laws”用于将仿真终端构型配置数据转换为交换机虚拟链路网表，其具有三种工作状态：“Idle”（空闲）、“RDC_config”（RDC终端配置）和“Card_config”（ARINC664板卡终端配置）。其中“Idle”为其默认工作状态，在该状态下，线程组件“Ter_config_laws”通过“ter_idle”端口发出触发事件，表示方针终端数据转换处于空闲状态。

在构型配置工作模式下，根据需配置的仿真终端的类型为RDC终端或ARINC664板卡终端，端口“RDC_select”和端口“card_select”分别被事件触发，线程组件“Ter_config_laws”分别进入“RDC_config”工作模式和“Card_config”工作模式，通过“RDC_config_data”端口和“card_config_data”端口分别接收仿真终端配置数据，转换为仿真终端虚拟链路网表后，通过“ter_netlist”端口发出。配置过程结束后，“ter_config_finish”端口被事件触发，线程组件“Ter_config_laws”返回“Idle”工作模式。在读取当前构型工作模式下，线程组件“Ter_config_laws”始终保持“Idle”工作状态。

3、执行层

本发明所提出的航电仿真构型控制系统体系结构执行层设计采用了AADL的行为附件（behavior annex），用以描述各AADL组件间各种任务的具体执行行为。下面以RDC终端的配置过程为例说明执行层设计，具体为线程组件“Ter_config_laws”与设备组件“Ter_config”之间的配置数据发送行为，如附图6所示。

当配置RDC终端构型时，线程组件“Ter_config_laws”进入“RDC_config”工作模式，并通过端口“Ter_config”将配置数据发送给相应的RDC终端。

执行层设计中设计并调用了两个AADL子程序实现数据的发送：“send.ID”和“send.data”。“send.ID”用于发送目标RDC终端的编号，“send.data”用于发送相应的配置数据；调用了延时程序“delay（x）”来根据数据传输的时序需求生成相应的发送延迟。此外，还使用了两个整型数据变量“data_num”和“send_num”分别表示需要发送的字节数和已经发送的字节数。

Claims (1)

1.一种基于模型的航电仿真构型控制系统体系结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、系统功能划分：根据系统内部不同的工作任务，将航电仿真构型控制系统功能划分为三个部分，分别为构型管理功能、构型控制执行功能和仿真执行功能，所述构型管理功能部分包括1台构型管理计算机，所述构型控制执行功能部分包括1台交换机配置计算机和1台终端配置计算机，所述仿真执行功能部分包括1台ARINC664交换机和多个航电仿真终端；

二、系统层体系结构设计：采用AADL组件对航电仿真构型控制系统进行建模，采用AADL系统组件建模构型管理计算机、交换机配置计算机和终端配置计算机，采用AADL设备组件建模ARINC664交换机和航电仿真终端，AADL组件之间交互通过数据类端口、事件类端口和数据事件类端口实现，数据类端口用于发送数据，事件类端口用于发送事件触发指令，数据事件类端口用于发送含有事件触 发指令的数据，此外，AADL组件之间通过总线类端口绑定到相应的总线组件上；

三、功能层体系结构设计：采用一个AADL处理器组件、一个AADL存储器组件、一个AADL设备组件、一个AADL进程组件和三个AADL线程组件来建模所述构型管理计算机AADL系统组件，采用一个AADL处理器组件、一个AADL存储器组件、一个AADL设备组件、一个AADL进程组件、两个AADL线程组件和一个AADL数据组件来建模所述交换机配置计算机AADL系统组件，采用一个AADL处理器组件、一个AADL存储器组件、一个AADL设备组件、一个AADL进程组件、两个AADL线程组件和一个AADL数据组件来建模所述终端配置计算机AADL系统组件，并用AADL模式变换的设计方法模拟所述AADL线程组件的不同工作状态，其中功能任务的触发和数据的传输通过各AADL组件间的AADL事件触发端口和数据端口实现；

四、执行层体系结构设计：采用AADL行为附件来建模所述功能层组件间各种任务的具体执行过程，其中的数据发送、接收及事件的触发均以AADL子程序组件实现。