航空電子互連網絡的頂層設計架構與實現平臺*

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

1 引 言

數字化航空電子系統已經經歷了分立式、聯合式、綜合式的發展過程，正在經歷著先進綜合式的發展階段[1]。隨著微電子技術、實時計算與通信技術、軟件工程技術等信息技術的高速發展，未來航空電子系統針對機載網、傳感器數據融合、衛星通信技術和數據鏈等方面提出了趨向“網絡化”的要求[2]。航空電子系統已經不再是單一系統，而是成為空天地一體化網絡系統中的系統。伴隨著航空電子系統的發展，浮現的問題也相應增多：涉及的協議漸多，數據的類型定義也越來越多；高度的綜合化要求，使電子系統的層次化設計越來越復雜；采用交換式網絡，使節點和交換機的數量增多；對資源的調用是動態變化的，需要設計方案支持靈活升級和隨時更新；各種仿真和測試平臺的格式和接口沒有統一的標準，管理起來也越來越不方便。這就需要提出一種新的網絡架構，以高靈活性、低升級成本和高效率為目標，來適應航空電子設計不斷發展所帶來的變化。

文本首先從設計的系統過程入手，采取數據驅動[3]的方式，分析航空電子互連網絡的適用性，建立了航空電子互連網絡自頂向下的分層設計架構。然后，根據自動化工程師協會(Society of Automotive Engineers, SAE)標準定義的體系結構分析與設計語言(Architecture Analysis & Design Language，AADL)，在Eclipse開發環境下，開發了航空電子互連網絡的頂層設計平臺。

2 航空電子互連網絡的頂層設計架構

2.1 數據驅動設計角度

數據驅動是以數據為核心，逐步發現數據中的聯系，從而啟發出用戶的種種需求，來設計、開發系統的一種思想。傳統的瀑布開發過程是：需求-分析-設計-建造-數據；而數據驅動的開發過程則剛好相反：數據-建造-設計-分析-需求。

圖1 數據層次與網絡層次的映射關系

本文將數據驅動思想應用在航空電子互連網絡的背景中，如圖1所示。數據層次中的數據結構與網絡層次中的網絡構件一一對應。網絡層次是由數據層次映射而得到，數據層次的具體內容決定了網絡層次的內容。根據數據結構和類型的不同，網絡構件的互連協議、網絡拓撲及網絡組件也均有所不同。

2.2 分層管理設計角度

航空電子互連網絡伴隨著航空電子系統的發展也日趨復雜，如果直接對航空電子互連網絡從整體上設計，是一項十分復雜的任務；而如果將復雜的網絡進行分層，采取分層設計、分層管理，就會降低設計的復雜度。如圖2所示，以數據層次驅動物理層次為核心思想，數據層次下的不同功能分區，對應物理層次下的不同拓撲結構，規定同一個功能分區對應于一種物理拓撲。一個功能分區可以有多個子功能，每個子功能完成功能相似的一系列任務。一個物理拓撲下，可以分為多個子系統，子系統將完成相似功能的物理模塊集成、綜合處理。每一個子系統均對應于一個子功能。每一個子功能下，又是由多個任務組成的，這些任務以發布/訂購的模式，與消息相匹配，形成通信數據報文。而每一個子系統下面可以存在多個物理節點，在這些物理節點上，加載通信數據報文，進行網絡通信。

圖2 數據與網絡的分層對應關系

2.3 自頂向下設計角度

在頂層設計角度，如圖3所示，本架構由消息錄入模塊、任務錄入模塊、硬件資源錄入模塊組成的錄入部分，由網絡結構生成模塊、網絡數據加載模塊、網絡路由優化模塊組成的配置部分，和由xml文件輸出模塊、word文檔輸出模塊、運行代碼生成模塊組成的輸出部分，這3個部分共同構成。

錄入部分將由用戶輸入或者從數據庫導入的數據信息轉化為通信數據報文和物理資源信息輸出至配置部分，在配置部分中進行網絡配置后，轉化為配置信息發送至輸出部分，輸出部分將這些配置信息轉化為相應模板‘形式的輸出信息，并將這些輸出信息輸出到仿真平臺、文檔收集裝置和測試平臺中，在完成系統頂層設計的同時，統一化管理電子系統的其它工作。

圖3 自頂向下的總體設計架構

具體流程如圖4所示，首先是平臺各個模塊的初始化和數據的初始化。其中模塊的初始化主要完成模塊的開機自檢，查看模塊是否可以正常工作；而數據的初始化主要完成對網絡數據庫中數據導入到本地的工作。接下來進入消息錄入操作，在消息錄入模塊中進行所有可能使用的消息的錄入或直接從數據庫中導出。然后，在任務錄入模塊中逐次完成整體系統按功能分區的劃分、分區的內部進行子功能的細化和子功能的內部進行任務的錄入或直接從數據庫導入。錄入完畢后，任務信息一方面輸出到配置部分的網絡結構生成模塊為生成網絡結構作準備；另一方面任務信息在任務錄入模塊中與消息錄入模塊輸出的消息進行匹配，構成任務/消息形式的通信數據報文，輸出到硬件資源錄入模塊中。通信數據報文和分區/子功能/任務層次結構信息進入到硬件資源錄入模塊中，進行硬件資源的錄入。錄入物理拓撲屬性時要受到功能分區的約束；在子系統屬性的錄入過程中要受到子功能的約束；物理節點屬性的錄入過程中要受到通信數據報文的約束。任務錄入模塊輸出的通信數據報文和硬件資源錄入模塊輸出的硬件資源數據，輸入到配置部分的網絡結構生成模塊，根據數據攜帶的層次關系自動生成網絡結構，其中包括網絡拓撲、網絡通信數據和網絡層次結構信息。進一步在網絡數據加載模塊中對通信數據有一個二次選擇過程(可選項)，生成網絡數據激活表，只有選擇的數據才能在網絡中通信。在網絡路由優化模塊中，進行靜態路由的優化(可選項)。最后，將網絡結構信息傳輸到輸出部分，根據工程需要進行仿真、存檔和測試操作。

圖4 總體設計流程圖

3 基于AADL的實現平臺

SAE標準定義的AADL，由最初的Avionics Architecture Description Language(航空電子體系結構描述語言)發展為Architecture Analysis & Design Language(體系結構分析與設計語言)，經歷了長期的航空航天工程的實用，建模技術已經趨于成熟[4-5]。而軟件工程研究所(Software Engineering Institute，SEI)開發的OSATE工具，是建立在Eclipse平臺之上，充分繼承了Eclipse的插件特性，可以隨時加入新的功能模塊，即加入新的插件。如圖5所示，AADL規范、仿真和測試工具均作為插件集成到Eclipse環境中。

本文在OSATE平臺上，對前述航空電子互連網絡的頂層設計架構進行建模。首先將一個具體的任務行為分為各個功能分區，在分區內部劃分子功能，接著在子功能內部設計具體的狀態轉換，然后在狀態內部完成線程的執行過程，最后，AADL文本用來作為測試平臺的格式文件，XML文檔用來作為仿真數據的格式文件，而且圖形界面中的每一個組成元素，與AADL文本和XML文檔均為一一對應關系，如圖6所示。

圖5 開放源碼AADL環境——OSATE

圖6 設計平臺與其它平臺交互實例

與傳統的“V”形開發過程相比，應用本設計平臺可以利用虛擬的綜合化設計在設計的早期快速構造模型的原型，通過由低逼真度的初期模型，逐步向高逼真度的終期模型過渡，形成一種性能可預測的體系結構模型，如圖7所示，外圍的陰影部分表示“V”形的相關部分，內部是本設計平臺的開發過程。

先進行鋼護筒施打是較傳統施工方法的主要差異，施工成敗的關鍵便是鋼護筒的施工過程，鋼護筒露出泥面的長度為18米，如何在護筒施打完畢后保證護筒的穩定是需要格外注意的。

圖7 改進的“V”形開發過程

4 總結與展望

本文提出了一種航空電子互連網絡的頂層設計架構，并應用開源軟件OSATE針對這一架構開發了實現平臺。本文提出的架構主要是要建立一個在全生命周期內便于維護、升級的航空電子互連網絡系統，并且把系統的變更作為最重要的追求，也就是開發就是為了修改，修改就是為了再次修改。這種迭代的設計方式不僅提升了航空電子互連網絡升級的靈活性，也使航空電子互連網絡的設計得到了規范管理，從而降低全生命周期成本，提高生產效率。

本文提出的航空電子互連網絡的頂層設計架構是以航空電子互連網絡為應用背景，其架構思想和設計平臺原型已經在實際工程的生產設計中得到了應用。

參考文獻：

[1] 熊華鋼, 王中華. 先進航空電子綜合技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2009.

XIONG Hua-gang, WANG Zhong-hua. Advanced Avionics Integration Techniques [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.(in Chinese)

[2] 梁德文. 戰斗機航空電子系統最新的發展趨勢—網絡化[J]. 電訊技術, 2008, 48(6): 93-97.

LIANG De-wen. Review on the New Development of Fighter Avionics System-Networking [J]. Telecommunication Engineering, 2008, 48(6): 93-97. (in Chinese)

[3] 黃以寬. 數據驅動：一種實用的原型化開發方法[J]. 電腦開發與應用, 1996(1)：39-42.

HUANG Yi-kuan. Date Driven: a Practical Prototyping Methodology [J]. Computer Developing and Application, 1996(1)：39-42. (in Chinese)

[4] SAE AS5506, SAE Aerospace Standard: Architecture Analysis & Design Language (AADL) [S].

[5] SAE AS5506/1, SAE Aerospace Standard: SAE Architecture Analysis & Design Language (AADL) Annex Volume 1: Annex A: Graphical AADL Notation, Annex C: AADL Meta-Model and Interchange Formats, Annex D: Language Compliance and Application Program Interface, Annex E: Error Model Annex [S].