綜合航電領域元建模技術研究

李 冰，劉 峰

（1.西安航空職業(yè)技術學院 陜西 西安 710089；2.中航工業(yè)一飛院 陜西 西安 710089）

綜合化模塊化航空電子系統(tǒng)（Integrated Modular Avionics，IMA）[1]已成為保證飛機達到各種規(guī)定的性能指標，完成預定任務的核心系統(tǒng)之一。它包括探測、通信、導航、顯示控制等設備，承載了飛機通信、導航、顯示等絕大多數的功能與任務。作為一種硬實時、高安全、高可用系統(tǒng)，綜合航電系統(tǒng)開發(fā)需要在系統(tǒng)論證、設計時期建立其系統(tǒng)模型，對其各項關鍵屬性（安全性、實時性、可靠性）進行分析和驗證。

目前在綜合航電體系結構建模方面，有SAE組織開發(fā)的AADL建模語言[2]和對象管理組織OMG開發(fā)的MARTES[3]等專用于航電系統(tǒng)建模的建模語言。但是這些建模工具和語言往往是從計算機工程的視角來建立綜合航電領域的領域模型，未能填補綜合航電領域的設計工程師與計算機軟件工程師之間的技術鴻溝。領域專家難以很快的掌握以上各種建模工具的使用，急需一種直觀、易用的領域建模工具，在輔助領域專家完成綜合航電領域建模的同時保證系統(tǒng)的先期驗證。

本文根據國內外普遍遵循的綜合航電規(guī)范ASAAC[4]及ARINC653-Part1[5]所規(guī)定的IMA架構的硬件及軟件要求，針對目前綜合航電領域對建模工具的需求，采用特定領域建模技術（Domain Specific Modeling），建立了 IMA系統(tǒng)的參考模型。在此基礎上，使用通用建模環(huán)境GME建立了IMA系統(tǒng)層、IMA模塊層、IMA層及IMA進程層的層次化的IMA系統(tǒng)領域元模型。用此元模型生成了綜合航電系統(tǒng)領域建模環(huán)境和領域建模工具，并用實例證明了該建模工具的易用性和可擴展性。

1 綜合航電系統(tǒng)領域建模工具需求分析

綜合航電系統(tǒng)建模工具的設計是綜合航電系統(tǒng)建模及驗證工具鏈中的重要環(huán)節(jié)，其設計需求需要綜合考慮領域建模需求和工具鏈的需求。

1）領域建模需求

綜合航電系統(tǒng)建模工具需要完整、直觀的反映出綜合航電領域中的核心概念及核心概念之間的關系。完整性是指對綜合航電領域的所有核心概念及其屬性都要有所體現，直觀性是指要盡量避免使用計算機領域的概念來描述和刻畫領域建模元素，而要從航電領域工程師的視角來表現各種領域對象和對象間的關系。

2）工具鏈需求

使用綜合航電系統(tǒng)建模工具建立的系統(tǒng)模型應能被系統(tǒng)開發(fā)及設計工具鏈中的后續(xù)工具分析及驗證。包括：

①系統(tǒng)結構及語法級驗證：使用建模工具建立的系統(tǒng)模型應能體現系統(tǒng)設計者對系統(tǒng)構型、各模塊功能分配、模塊間通信關系的表達，并支持對這些關系的靜態(tài)檢查。例如，兩個分區(qū)的源端口不能互連。

②系統(tǒng)可調度性及通信延遲確定性分析：使用建模工具建立的系統(tǒng)調度模型，應能體現系統(tǒng)設計者對計算資源和通信資源的分配和部署，并支持對操作系統(tǒng)的可調度性分析及模塊間通信延遲確定性的分析。

③支持對關鍵屬性的形式化驗證：使用建模工具建立的系統(tǒng)模型，應能體現設計者對系統(tǒng)功能特性及非功能屬性的考慮，并支持對這些屬性，尤其是非功能屬性的形式化驗證。例如對系統(tǒng)安全性的分析及驗證。

綜上，為滿足領域建模需求，首先需要對綜合航電系統(tǒng)進行領域分析，抽取各種領域概念，并建立領域參考模型。而為滿足工具鏈的需求，則需要建立綜合航電系統(tǒng)的各層次的元模型，在元模型層次上建立各種約束以支持對靜態(tài)結構的檢查；同時在元模型層次上提供對系統(tǒng)行為的描述能力，以支持對系統(tǒng)的動態(tài)行為的驗證。

2 綜合化航電系統(tǒng)領域分析

根據綜合航電系統(tǒng)建模工具的需求，建立了IMA系統(tǒng)的參考模型，并對IMA系統(tǒng)的核心概念及概念間的關系、概念的關鍵屬性進行了分析和分類整理。

2.1 系統(tǒng)參考體系結構

根據ARINC651及ARINC653-Part1規(guī)范所列內容，總結了IMA系統(tǒng)的核心概念，包括IMA系統(tǒng)、IMA模塊、IMA分區(qū)、IMA進程等、并建立了IMA系統(tǒng)的參考模型，如圖1所示。圖中，一個IMA系統(tǒng)（System）由一個或多個IMA模塊（Moudle）組成，每個IMA模塊自身又由一個或多個IMA分區(qū)（Partition）構成，分區(qū)的執(zhí)行是在模塊級操作系統(tǒng)（ModulelevelOS）控制之下的，模塊級操作系統(tǒng)也是模塊的一部分。一個分區(qū)包含了與分區(qū)級操作系統(tǒng)關聯(lián)的進程（Process），分區(qū)級的操作系統(tǒng)負責在這個分區(qū)中正確執(zhí)行分區(qū)中所有的進程。最后一個進程包含了其控制部分（Control），它會觸發(fā)在進程的計算部分（Compute）中定義的活動的塊（Block）。一個塊是指一個用戶自定義的函數或者被用戶調用的APEX接口所提供的服務。

IMA系統(tǒng)的領域參考模型規(guī)定了系統(tǒng)的建模層次，同時也規(guī)定了各建模元素之間的包含關系和對等關系，是層次化的元模型體系的重要依據。

2.2 綜合航電領域核心概念分析

在IMA系統(tǒng)參考模型的基礎上，對IMA系統(tǒng)、IMA模塊、IMA分區(qū)、IMA進程這些綜合航電領域核心概念的屬性進行分析。其中IMA系統(tǒng)的屬性如表1所示。

IMA系統(tǒng)代表了一個綜合化航電系統(tǒng)的各個模塊所構建出的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)可能會與多個設備相連，同時還需要與其他IMA系統(tǒng)產生數據交互。IMA系統(tǒng)屬性如表1所示。

通過以上分析過程，得到了IMA系統(tǒng)中的所有領域概念及概念之間的關系，以及概念的關鍵屬性等數據。這些數據是將領域概念映射到建模環(huán)境中的實體、關系，并為實體和關系配備屬性的依據。

圖1 IMA系統(tǒng)參考模型Fig.1 A reference model of IMA systems

表1 IMA系統(tǒng)層屬性列表Tab.1 Attributes of IMA System

3 綜合化航電系統(tǒng)領域元模型設計

領域元模型設計的本質就是將領域概念映射為領域實體，并將領域概念間的關系映射為領域實體間的關系；同時將領域概念的屬性、概念間的關系的屬性映射到領域實體的屬性和領域實體間關系的屬性。

在以上思想指導下，采用GME提供的層次化的元建模機制，建立了從系統(tǒng)級的IMA系統(tǒng)元模型到細粒度的進程級別元模型的層次化元模型。并用連接（Connection）元類建立了這些元模型之間的關聯(lián)關系。形成了綜合航電領域概念體系到領域建模元素體系之間的映射。

3.1 IMA系統(tǒng)層元模型設計

IMA系統(tǒng)元模型如圖2所示。其中一個IMA系統(tǒng)包含多個IMA模塊，且可包含0個或多個外設（Device）。讓IMA系統(tǒng)繼承了GME的InterFaceDefinition元類，使其具有輸出/輸出參數。在可見性方面，采用SystemAspect來讓圖2中定義的元素在系統(tǒng)建模時可見。

3.2 IMA模塊層元模型設計

IMA模塊級元模型如圖3所示。IMA模塊由不同的IMA分區(qū)構成，同時必須包含一個模塊級的操作系統(tǒng)（ModuleLevelOS）；ModuleLevelOS以自動機的方式來表示模塊級操作系統(tǒng)的調度策略，自動機的每個狀態(tài)是一個到IMA模塊的IMA分區(qū)的引用（ScheduleUnit）。每個IMA分區(qū)必須有至少一個到ModuleLevelOS的引用，引用有一個屬性Duration，它表示分配給它的執(zhí)行時間。在自動機中，分區(qū)的狀態(tài)轉換被使用連接（NextUnit）來表示，每個引用只能有一個入口的轉換和一個出口的轉換。使用一個連接對象InitialUnit來表示自動機的初始狀態(tài)。

圖2 IMA系統(tǒng)層元模型Fig.2 Meta-Model of IMA System

圖3 IMA模塊級元模型Fig.3 Meta-model of IMA module

在GME環(huán)境下，這些元模型可作為GME的一個插件加載到其元建模環(huán)境中，從而形成IMA系統(tǒng)建模環(huán)境和建模工具。

4 綜合化航電系統(tǒng)建模實例

利用GME提供的自動化元模型解析工具，生成了綜合航電領域建模環(huán)境及建模工具，并使用建模工具建立了一個綜合航電分區(qū)內的應用程序模型。分區(qū)應用程序ON_FLIGHT的功能是負責收集當前飛機在飛行過程中的位置信息和燃油液面高度數據并打印報告。其報告數據的格式為：[報告數據：高度：緯度：經度：燃油液面高度]。

ON_FLIGHT分區(qū)包括黑板對象board、緩沖區(qū)對象buff1和buff2、事件evt、信號量sema、采樣端口s_ports、包含了所有航電應用所需的相關參數放入全局表格Global_params等通信和同步對象，以及生產當前位置數據（高度和經緯度）的POSITION_INDICATOR進程、更新當前燃油液面高度的FUEL_INDICATOR進程、刷新全局參數的PARAMETER_REFRESHER等3個進程。分區(qū)內各進程之間的通信及同步關系如圖4所示。

圖4 ON_FLIGHT分區(qū)示意圖Fig.4 Schematic diagram of ON_FLIGHT partition

根據以上分析，在GME建模環(huán)境中使用綜合航航電建模工具建立系統(tǒng)的ON_FLIGH分區(qū)領域模型，如圖5所示。

5 結 論

本文針對當前綜合化航空電子領域對領域建模工具的迫切需求，根據ASAAC規(guī)范及ARINC653-Part1規(guī)范，建立了綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的領域元模型，并使用通用建模環(huán)境生成了綜合航電系統(tǒng)的領域建模環(huán)境及建模工具。

圖5 ON_FLIGHT分區(qū)領域模型Fig.5 Domain model of ON_FLIGHT partition

目前該建模工具可用來對綜合航電系統(tǒng)的模塊間通信關系、模塊內分區(qū)間通信關系、分區(qū)內進程之間的同步與通信關系建模，同時可對各應用程序實體的屬性進行配置。其所生成的網絡配置表、端口配置表及分區(qū)間通信配置表已可用于系統(tǒng)通信關系的靜態(tài)檢查。

下一步的工作是設計各種模型轉換工具，將綜合航電領域模型轉換為各種形式化模型，如用Signal語言表示的同步模型[6]或用BIP框架[7]表示的系統(tǒng)行為模型，以支持對系統(tǒng)各種關鍵屬性的形式化驗證。

[1]Watkins C B，Walter R.Transitioning from federated avionics architectures to Integrated Modular Avionics[C]//Proc.of the IEEE/AIAA 26th Digital Avionics Systems Conference（DASC ’07），2007:1-10.

[2]Feiler P H.The Architecture Analysis&Design Language（AADL）:An Introduction.Technical Report[R].USA，CMU，

[3]Dennis Alders，MARTES：Model-Based Approach for Real-Time Embedded Systems development[EB/OL].[2007-06-13]，https://lirias.kuleuven.be/bitstream/123456789/167595/1/D1.6_v1_ITEA-MARTES.pdf

[4]STANAG 4626（DRAFT 1） -Modular and Open Avionics Architectures[S].North Atlantic Treaty Organization，20041-04-07.

[5]Avionics application software standard interface-ARINC specification 653-part 1（REQUIRED SERVICES） [S].USA，Airlines electronic engineering committee（AEEC），2005.

[6]Gamatie A，Gautier T.Synchronous modeling of avionics applications using the SIGNAL language[C]//Proc.of the IEEE 9th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium（RTAS’03），2003:144-151.

[7]Basu A，Bensalem S，Bozga M，et al.Rigorous component based system design using the BIP framework[J].IEEE Software，2011，28（3）:41-48.