CN110717268A - 一种基于face架构的可移植组件单元封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于航电领域近年来新兴的未来机载能力环境(FACE)技术标准，具体提出了一种针对FACE系统可移植组件段中可移植组件单元的适配封装方法。主要组成包括：基于FACE数据体系结构的数据建模、基于共享数据模型的通用数据语义环境搭建、可移植组件接口封装架构设计以及基于接口封装架构的适配封装方案。本发明有利于实现航电系统中软件组件的可移植性与可重用性，以此来减少组件的开发成本，缩短开发周期，进一步提高航电系统的开发效率。

Description

一种基于FACE架构的可移植组件单元封装方法

技术领域

本发明属于航空电子技术领域，具体设计了一种开放式航电系统中可移植组件单元的适配封装方法。

背景技术

传统的航电系统开发是一种软件密集型开发过程，这样的开发过程可移植性较差，特别是定制化的平台设计限制了这些平台中软件的重复使用。因此，目前的航电软件系统开发方法存在着开发成本较高、即使在紧急需求下也需要花费较长的时间来进行软件的移植等问题，不适用于快速发展变化的军事领域应用。

为了减少航电系统的开发成本，美国空军将开放式系统架构思想带入到军用航电软件的开发工作中。其核心宗旨在于：增强航电软件在不同硬件基础的航电系统中的可移植性和可重用性，以此来有效支持航电系统进行频繁的更新换代与拓展升级。其中，FACE标准是开放式系统架构在航电领域运用的代表，它对机载软件环境进行了标准化改进，并通过功能分段的方法实现了软硬件之间的解耦，从而让FACE组件能够在不同硬件平台上快速部署，进一步提升航电系统中软件的可移植性和可重用性，降低开发成本。

对于机载航电系统，FACE标准将系统中的软件内容划分为五个部分，由与硬件相关的底层到纯粹软件相关的上层依次是：操作系统段、I/O服务段、平台特定服务段、传输服务段以及可移植组件段。通过这种功能分段、封装隔离的方式，FACE架构解除了传统航电系统中软硬件之间的紧密耦合。其中，可移植组件段是包含着所有可移植组件单元的一个集合。在该段中，由于FACE标准已经将可移植组件中与硬件紧密关联的部分剥离并封装在其他各段中，使得可移植组件段中的组件可在任意不同的FACE软件运行环境上进行部署，且至多只需进行少量的适配工作。

可移植组件单元(UoP)，即是指被部署于FACE系统可移植组件段中，负责计算支撑、纯数据处理等内容的任务级功能软件。在FACE系统中，它们只需通过由FACE数据模型定义的传输服务接口来进行数据交互，而不需要与I/O接口产生交集。由于采用了通用的数据接口、语言运行时以及软件框架，这些可移植组件在不同的计算硬件或FACE软件环境中进行重新部署时，并不需要重新编译或重新链接软件库，语言运行时或软件框架，这也是其可移植性的具体体现。

FACE数据体系结构为可移植单元间数据交换提供了一种标准化的互操作方法，是提升 FACE组件可移植性的重要基础。FACE数据架构包括数据模型语言、共享数据模型、共享数据管理计划、可移植单元数据模型和数据模型到编程语言的映射规范。FACE数据模型建模基于模型驱动体系结构(MDA)方法从概念数据模型、逻辑数据模型、平台数据模型到可移植单元数据模型逐层细化，最终可移植单元数据模型通过编程语言映射规范转换为组件接口的代码实现。

基于FACE数据体系结构，通过对负责计算支撑、纯数据处理等内容的任务级别功能模块进行数据建模，并依据数据模型进行接口定义，最终按照所定义的接口来设计适配器，实现对功能模块的封装，就可以得到FACE可移植组件单元。这个过程即是可移植组件单元的封装过程。

然而，FACE标准首次将“开放式思想”引入到军用领域当中，其自身仍处于一个不断发展与完善的过程之中，存在着许多不足之处。就如何对可移植组件单元进行封装这一问题而言，FACE标准文件并未给出具体的过程与示例，并未定义可移植组件单元内部的成分组成与接口种类规范，这可能会为组件的移植工作带来阻碍，降低组件的可移植性与可重用性。

发明内容

基于上述背景，本发明在深入研究FACE架构的基础上，围绕着FACE数据建模方法，提出了一种基于FACE架构思想的可移植组件单元封装方法。该方法将用于航电软件系统的开发过程中，能够极大的提升软件组件的可移植性与可重用性，以此来提高航电系统的开发效率。

本发明的技术方案：首先利用FACE数据架构进行数据建模，同时建立共享数据模型，实现系统中组件的通用数据语义环境搭建。之后，设计了一种组件接口封装架构，最终在其基础上进一步实现对组件核心功能的适配封装。其中：

1)选择共享数据模型，建立系统数据元素资源池

共享数据模型(SDM)是组件开发者和系统集成者之间的主要交互点。共享数据模型提供了构建所有可移植组件的数据模型(USM)的数据元素的基集。共享数据模型是这些基础数据元素的存储库，组件开发者可以利用或扩展这些元素。选择组件数据语义环境所遵循的共享数据模型，构建组件所处系统的数据元素资源池。若无共享数据模型，则选取系统中某一组件首先进行数据建模，将其概念数据模型、逻辑数据模型以及平台数据模型作为新的共享数据模型。

2)依据FACE数据建模方法，对目标组件进行数据建模

在FACE系统中，数据模型不仅对可移植组件开发过程中所用到的数据元素的语义含义、逻辑关系以及精度进行了定义，还对数据模型中元素到编程语言数据结构的映射进行了绑定。因此，依照FACE数据模型建模方法，建立规范的数据模型，是封装可移植组件所需进行的首要工作，之后的工作都将在建立好的数据模型基础上展开。依据FACE数据建模方法，从概念数据模型、逻辑数据模型、平台数据模型到可移植组件数据模型逐层细化，得到目标组件的数据模型。在数据建模过程中，优先从共享数据模型中选取建模所需的数据元素，若共享数据模型中没有所需数据元素，再对该数据元素进行创建，并添加入共享数据模型中。

3)可移植单元组件接口封装架构设计

为了实现组件的可移植性与可重用性，设计了一种可移植单元组件的接口封装架构，该架构将可移植单元组件分为功能内核与接口适配器内外两个模块：

3.1)功能内核模块是组件的逻辑功能实现部分，负责计算支撑、纯数据处理等内容。功能内核模块可以由不同的开发者提供，其接口也可以由开发者自行定义，因此该模块的数据接口为非标准接口，其数据只与接口适配器模块进行交互。

3.2)接口适配器模块是功能内核模块与外界的数据交互中介，由输入输出接口、组件管理接口、组件描述接口以及服务质量描述接口四种接口组成。其对内采用非标准接口，对外采用依据组件数据模型得到的标准接口。

4)可移植单元组件的适配封装

基于2)中得到的目标组件数据模型以及3)中所述的可移植单元组件接口封装框架，对目标组件进行适配封装，其具体步骤为：

4.1)将目标组件作为可移植组件单元的功能内核模块，并对其输出接口进行梳理；

4.2)依据组件数据模型，将功能内核模块中涉及功能业务数据的接口封装为输入输出接口；

4.3)依据组件数据模型，将功能内核模块中涉及控制指令与运行状态等数据的接口封装为组件管理接口；

4.4)若功能内核模块存在组件信息(如开发者、版本)等内容的接口，则将其封装为组件描述接口。如所封装功能内核模块没有相关接口，则需在接口适配器模块中新建相关信息，并以文本形式存储，将其提供给组件描述接口，以供查询；

4.5)若功能内核模块存在组件服务质量(如时延、风险)等内容的接口，则将其封装为服务质量描述接口。如所封装功能内核模块没有相关接口，则需在接口适配器模块中新建相关信息，并以文本形式存储，将其提供给服务质量描述接口，以供查询；

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用FACE数据架构以及所设计的可移植组件单元接口架构，能够很好地提升航电软件组件的可移植性与可重用性。当进行组件移植时，由于采用了FACE数据架构来定义组件与外界的业务数据交互接口，使得组件的业务数据交互能够在遵循同一数据语义，或者说同一共享数据模型的系统中不受组件移植的干扰。而所设计的可移植组件接口架构则确保了组件接口的规范性与完整性，将外界对组件的影响限制在了适配器模块，并提供了全面的组件信息查询接口，便于移植工作的进行。当系统中的软件算法需要进行更换时，只需对该组件的功能内核模块进行更换，并对其接口适配器对内的接口进行重新匹配，而不需要修改与之关联的其他组件，确保了组件的可重用性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明中的技术方案，下面将对方案描述中所需要使用的附图作简单的介绍。

图1是说明书摘要附图；

图2是共享数据模型的建立过程示意图；

图3是可移植组件数据建模过程示意图；

图4是可移植组件单元接口架构示意图；

图5是可移植组件单元接口种类定义示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式做进一步详细描述。

1)选择共享数据模型，建立系统数据元素资源池

共享数据模型(SDM)由FACE数据架构所定义的概念数据模型、逻辑数据模型以及平台数据模型中的数据实体与数据元素组成，是组件开发者和系统集成者之间的主要交互点。共享数据模型提供了构建所有可移植组件的数据模型(USM)的数据元素的基集。共享数据模型是这些基础数据元素的存储库，组件开发者可以利用或扩展这些元素。基于共享数据模型，系统集成成者可以在众多不同的组件开发者之间实现一个通用的数据语义环境，使得不同开发者开发的软件组件能够互相理解。

如图2所示，当需要重新建立共享数据模型时，为了简化工作难度，可以采用：先依次对不同组件的概念模型、逻辑模型以及平台模型中的不同的基础数据元素进行提取，再将这些基础数据元素进行整合的方法来建立共享数据模型。

当有成熟的共享数据模型可供选择时，只需选择组件数据语义环境所遵循的共享数据模型，并将新创建的相关数据元素与实体补充到共享数据模型中，以此构建并不断完善组件所处系统的数据元素资源池。

2)依据FACE数据建模方法，对目标组件进行数据建模

如图3所示，依据FACE数据建模方法，利用范德比尔特大学软件集成系统研究所(Vanderbilt.ISIS)开发的MTF(Modeling Tools for FACE Software Development)工具，对可移植组件单元进行基于FACE数据体系结构的数据建模，从概念数据模型、逻辑数据模型、平台数据模型到可移植组件数据模型逐层细化，最终得到的可移植组件数据模型通过XMI文件来进行存储,并通过UML模型图以及文本表格形式呈现：

2.1)建立概念数据模型(CDM)：分别对概念数据模型中的实体、特征和关联进行建模，这些实体、特征和关联用于定义基础概念、基本术语和它们之间的语义上下文，无需进一步描述且不涉及计算。在建立可移植组件的概念数据模型时，应优先从共享数据模型中选取建模所需的数据元素，若共享数据模型中没有所需数据元素，再对该数据元素进行创建，并添加入共享数据模型中；

2.2)建立逻辑数据模型(LDM)：其中，LDM的实体应与它们描述的CDM实体相关，即LDM 实体是通过实现从CDM实体创建的，由此产生的LDM实体是CDM实体的进一步实现。单个CDM 实体可以由多个LDM实体实现，以支持各种计算处理概念。LDM基元素是通过精炼CDM基元素创建的。LDM中添加的细节包括单位、测量和坐标系统、值域(例如实值、自然数)、约束和测量精度。此外，逻辑元素之间的转换关系可以在LDM中指定。在建立可移植组件的逻辑数据模型时，应优先从共享数据模型中选取建模所需的数据元素，若共享数据模型中没有所需数据元素，再对该数据元素进行创建，并添加入共享数据模型中；

2.3)建立平台数据模型(PDM)：其中，PDM的实体与LDM实体相关，即PDM实体是由LDM 实体实现创建的。单个LDM实体可以由多个PDM实体实现，以支持各种特定于平台的计算处理表示。LDM基元素在PDM中作为物理数据类型实现。PDM支持的物理数据类型直接对应接口定义语言(IDL)数据类型:布尔型、八位型、字符型、宽字符型、浮点型、双、长双、定点型、短、长、无符号型、枚举型、字符串型和宽字符串型。PDM到每个受支持的编程语言之间遵循 FACE标准中指定的语言映射规范；

2.4)建立可移植组件单元(UoP)模型：UoP模型通过提供UoP的消息接口的正式规范来将PDM与作为UoP交付的软件联系起来。消息接口被指定为UoP上的端口，每个端口引用PDM 中的一个视图来指定其消息类型。UoP将PDM中指定的视图引用为通过传输服务段API接口进行传输的消息。同时，可以使用UoP模型提供的别名机制来为特定UoP定制消息元素的名称。UoP模型中定义的端口是逻辑端口的表示，不一定直接对应于TSS配置中定义的连接；

2.5)可移植组件单元模型的一致性检验：在得到可移植组件的数据模型后，将按照FACE 一致性检验方法中所陈列的要求项目，逐条对数据模型进行一致性检验，以此来保证数据模型的有效性。一致性验证工作有两种主要方式，其一为利用一致性检验工具套件来进行自动检查，另一种则为人工核查。对于不同的检查项目，一致性检验方法会指定这两种工作方式中的一种来进行检验；

3)可移植单元组件接口封装架构设计

如图4所示，为了实现组件的可移植性与可重用性，设计了一种可移植单元组件的接口封装架构，该架构将可移植单元组件分为功能内核与接口适配器内外两个模块：

3.1)功能内核模块是组件的逻辑功能实现部分，负责计算支撑、纯数据处理等内容。功能内核模块可以由不同的开发者提供，其接口也可以由开发者自行定义，因此该模块的数据接口为非标准接口，其数据只与接口适配器模块进行交互。

3.2)如图5所示，接口适配器模块是功能内核模块与外界的数据交互中介，由输入输出接口、组件管理接口、组件描述接口以及服务质量描述接口四种接口组成。其中：

a)输入输出接口描述了可移植组件在运行并于外界进行功能业务数据交互时所需的输入信息和输出信息。输入输出接口依据数据模型进行定义，遵循系统的通用语义环境，与传输服务对接，从而接收或者发送信息到传输服务；

b)组件管理接口用于实现组件的监控与管理，其可实现功能包括组件的加载、组件启停控制以及组件运行状态监控等。组件管理接口依据数据模型进行定义，遵循系统的通用语义环境，与传输服务对接；

c)组件描述接口用于反馈可移植组件的一些基础信息，包括组件类型、ID、开发者、版本、依赖关系等。组件描述接口所访问的为纯文本信息，不需要在数据模型中体现，传输服务应对其留出一个数据类型为字符串型的接口；

d)服务质量描述接口用于反馈组件的服务质量相关信息，包括时延、可用性、完好性、风险等。服务质量描述接口所访问的为纯文本信息，不需要在数据模型中体现，传输服务应对其留出一个数据类型为字符串型的接口。

接口适配器模块对可移植组件内部的核心功能模块采用非标准接口，负责将数据从不同开发者所开发的组件(或者说核心功能模块)中读出或写入，需要根据实际情况来设计对内接口。接口适配器模块对外采用依据组件数据模型得到的标准接口，该接口通过所建数据模型的代码实现得到，遵循系统的通用语义环境。

4)可移植单元组件的适配封装

为了更形象的展示本专利所设计的可移植组件单元适配封装方法，将以数据融合组件为对象，基于2)中得到的目标组件数据模型以及3)中所述的可移植单元组件接口封装框架，对目标组件进行适配封装，其具体步骤为：

4.1)将一个现有的数据融合算法的代码实现作为可移植组件单元的功能内核模块，该数据融合模块实现了多个位置探测传感器进行组网探测的数据融合计算。对其输出接口进行梳理，其主要接口有：本机位置信息接口，传感器探测位置信息接口，融合后位置信息接口，数据融合模块控制指令接口，数据融合模块运行状态接口，数据融合模块开发信息接口，数据融合模块质量信息接口等；

4.2)依据组件数据模型，将功能内核模块中涉及功能业务数据的接口封装为输入输出接口。以数据融合组件为例，应将数据融合模块的本机位置信息接口、传感器探测位置信息接口与融合后位置信息接口封装为该数据融合组件的输入输出接口，这些数据接口的命名与数据格式定义应遵循其数据模型中消息接口，并通过别名机制在接口名称中加入输入输出接口作为种类定义；

4.3)依据组件数据模型，将功能内核模块中涉及控制指令与运行状态等数据的接口封装为组件管理接口。以数据融合组件为例，应将数据融合模块的数据融合模块控制指令接口、数据融合模块运行状态接口封装为该数据融合组件的组件管理接口，这些数据接口的命名与数据格式定义应遵循其数据模型中消息接口，并通过别名机制在接口名称中加入组件管理接口作为种类定义；

4.4)将功能内核模块存在组件信息(如开发者、版本)等内容的接口封装为组件描述接口，该接口所访问的对象为纯文本信息，无需数据模型进行定义。以数据融合组件为例，应将数据融合模块的数据融合模块开发信息接口封装为该数据融合组件的组件描述接口。如所封装功能内核模块没有相关接口，则需在接口适配器模块中新建相关信息，并以文本形式存储，将其提供给组件描述接口，以供查询；

4.5)将功能内核模块存在组件服务质量(如时延、风险)等内容的接口，则将其封装为服务质量描述接口，该接口所访问的对象为纯文本信息，无需数据模型进行定义。以数据融合组件为例，应将数据融合模块的数据融合模块质量信息接口封装为该数据融合组件的服务质量描述接口。如所封装功能内核模块没有相关接口，则需在接口适配器模块中新建相关信息，并以文本形式存储，将其提供给服务质量描述接口，以供查询；

经过以上的步骤之后，就可以完成开放式航电系统中可移植组件单元的适配封装工作。

Claims (3)

1.一种基于FACE架构的可移植组件单元适配封装方法，其特征在于：为可移植组件单元的适配封装设计了一种组件接口封装架构，明确了组件单元的构成以及接口定义规范，定义了可移植组件单元的封装流程，首先利用FACE数据架构进行数据建模，同时建立共享数据模型，实现系统中组件的通用数据语义环境搭建，然后，按照数据模型来定义接口数据格式并进行命名，进一步实现对组件核心功能的适配封装。具体包括：

1)选择共享数据模型，建立系统数据元素资源池

选择组件数据语义环境所遵循的共享数据模型，构建组件所处系统的数据元素资源池；若无共享数据模型，则选取系统中某一组件首先进行数据建模，将其概念数据模型、逻辑数据模型以及平台数据模型作为新的共享数据模型；

2)依据FACE数据建模方法，对目标组件进行数据建模

依据FACE数据建模方法，建模得到目标组件的数据模型；在数据建模过程中，优先从共享数据模型中选取建模所需的数据元素，若共享数据模型中没有所需数据元素，再对该数据元素进行创建，并添加入共享数据模型中；

3)可移植单元组件接口封装架构设计

设计了一种可移植单元组件的接口封装架构，该架构将可移植单元组件分为功能内核与接口适配器内外两个模块，并为接口适配器模块设计了输入输出接口、组件管理接口、组件描述接口以及服务质量描述接口四种接口；

4)可移植单元组件的适配封装

基于2)中得到的目标组件数据模型以及3)中所述的可移植单元组件接口封装框架，对目标组件进行适配封装。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)，为了实现组件的可移植性与可重用性，设计了一种可移植单元组件的接口封装架构，该架构将可移植单元组件分为功能内核与接口适配器内外两个模块：

步骤3.1)功能内核模块是组件的逻辑功能实现部分，该模块的数据接口为非标准接口，其数据只与接口适配器模块进行交互；

步骤3.2)接口适配器模块是功能内核模块与外界的数据交互中介，包括：

a)输入输出接口，描述了可移植组件在运行并于外界进行功能业务数据交互时所需的输入信息和输出信息；输入输出接口与传输服务对接，从而接收或者发送信息到传输服务；

b)组件管理接口，用于实现组件的监控与管理，其可实现功能包括组件的加载、组件启停控制以及组件运行状态监控等；

c)组件描述接口，用于反馈可移植组件的一些基础信息，包括组件类型、ID、开发者、版本、依赖关系等；

d)服务质量描述接口，用于反馈组件的服务质量相关信息，包括时延、可用性、完好性、风险等；

接口适配器模块对可移植组件内部的核心功能模块采用非标准接口，负责将数据从不同开发者所开发的组件中读出或写入，需要根据实际情况来设计对内接口；接口适配器模块对外采用依据组件数据模型得到的标准接口，该接口通过所建数据模型的代码实现得到，遵循系统的通用语义环境。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)，在可移植单元组件的适配封装工作中，具体步骤包括：

步骤4.1)将目标组件作为可移植组件单元的功能内核模块，并对其输出接口进行梳理；

步骤4.2)依据组件数据模型，将功能内核模块中涉及功能业务数据的接口封装为输入输出接口；

步骤4.3)依据组件数据模型，将功能内核模块中涉及控制指令与运行状态等数据的接口封装为组件管理接口；

步骤4.4)若功能内核模块存在组件信息等内容的接口，则将其封装为组件描述接口，组件信息可以是开发者、版本等；如所封装功能内核模块没有相关接口，则需在接口适配器模块中新建相关信息，并以文本形式存储，将其提供给组件描述接口，以供查询；

步骤4.5)若功能内核模块存在组件服务质量等内容的接口，则将其封装为服务质量描述接口服务质量可以是时延、风险等；如所封装功能内核模块没有相关接口，则需在接口适配器模块中新建相关信息，并以文本形式存储，将其提供给服务质量描述接口，以供查询。

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