飛行管理系統(tǒng)中基于四變量模型的需求輕量化

劉力

摘 要 本文針對(duì)的主要工作是在系統(tǒng)需求層面以及設(shè)計(jì)層面上基于輕量級(jí)形式化方法對(duì)飛行管理系統(tǒng)的系統(tǒng)需求進(jìn)行分析與研究并且建模，研究了一種基于四變量模型的系統(tǒng)需求建模與分析方法，并在工程化的需求形式化建模及其分析去尋找一種有效地途徑。

【關(guān)鍵詞】飛行管理系統(tǒng) 系統(tǒng)需求建模與分析 四變量模型 輕量級(jí)形式化方法

需求分析是軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要部分。只有通過(guò)需求分析，才能將軟件功能和系能的總體概念描述為具體的需求規(guī)范。需求分析具有較強(qiáng)的方向性、策略性和決策性，對(duì)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的整體過(guò)程和后續(xù)階段起到?jīng)Q定性的影響。基于模型的系統(tǒng)需求分析建模和分析研究方法在系統(tǒng)工程的安全性領(lǐng)域中體現(xiàn)了其可靠性和實(shí)效性的特點(diǎn)。目前狀況下，四變量模型已被成功地運(yùn)用到了基于軟件控制的嵌入式系統(tǒng)安全性領(lǐng)域中，其核心的觀點(diǎn)是在系統(tǒng)需求方面去分析確定系統(tǒng)行為需求及軟件行為需求。該模型是通過(guò)指明系統(tǒng)需求以及與系統(tǒng)輸入輸出相關(guān)的硬件接口來(lái)對(duì)軟件需求進(jìn)行限制。在利用四變量模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析的過(guò)程中，結(jié)合SCR（Software Cost Reduction，SCR）需求分析方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，從而保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的完整性和安全性。

1 飛行管理系統(tǒng)概述

本文所研究的飛行管理系統(tǒng)（Flight Management System，F(xiàn)MS）是現(xiàn)代軍用和民用飛機(jī)的航空電子設(shè)備的基本組成部分，可以實(shí)現(xiàn)各種飛行任務(wù)的自動(dòng)化，減少人工工作負(fù)載，降低飛行員的駕駛負(fù)擔(dān)，從而確保高效率地完成飛行任務(wù)；FMS主要利用傳輸器輸入的飛機(jī)狀態(tài)以及有關(guān)導(dǎo)航的數(shù)據(jù)，在導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)、性能數(shù)據(jù)庫(kù)提供的參考數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)進(jìn)行飛行引導(dǎo)計(jì)算，輔助飛行員控制飛行的軌跡，使其按照預(yù)先制定的飛行計(jì)劃和當(dāng)前選擇的性能模式進(jìn)行飛行。

一般軍用或民用飛機(jī)上的飛行管理系統(tǒng)（FMS）由一套運(yùn)行于綜合處理機(jī)（IPC）內(nèi)通用處理模塊（CPM）上的應(yīng)用軟件（FMSA）和為其提供功能支持的其他分系統(tǒng)組成的。FMS以顯示控制分系統(tǒng)（CDS）提供的主飛行顯示（PFD），導(dǎo)航顯示（ND），模擬控制顯示單元（SCDU）、鍵盤(pán)和軌跡球等作為主要的人機(jī)交互界面；以慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航設(shè)備（INS）、機(jī)電管理計(jì)算機(jī)（EMP）、無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備和大氣數(shù)據(jù)設(shè)備（ADC）作為飛機(jī)狀態(tài)傳感器和導(dǎo)航傳感器；以自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)（AFCS）作為主要的飛行執(zhí)行部分。另外，F(xiàn)MSA有配套的加卸載設(shè)備來(lái)更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容，包括導(dǎo)航和性能數(shù)據(jù)庫(kù)，并且可以卸載飛行員數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容。

2 系統(tǒng)需求層面的軟件行為定義

在四變量模型中，系統(tǒng)軟件行為是通過(guò)關(guān)系REQ、NAT、IN和OUT來(lái)進(jìn)行描述的。具體來(lái)說(shuō)，關(guān)系NAT和關(guān)系REQ描述的是當(dāng)受監(jiān)控的變量發(fā)生變化時(shí)，受控制的變量應(yīng)如何相應(yīng)的發(fā)生變化。NAT描述的是在不考慮系統(tǒng)本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)行為的情況下系統(tǒng)中所存在的環(huán)境行為，而REQ描述的是系統(tǒng)環(huán)境是如何被系統(tǒng)本身所約束的。在四變量模型中用關(guān)系IN和關(guān)系OUT來(lái)描述圍繞在軟件周圍的硬件接口，主要是反應(yīng)了受監(jiān)控的變量與輸入變量，輸出變量與受控制的變量之間的映射關(guān)系，同時(shí)也反應(yīng)出了輸入變量和系統(tǒng)軟件之間的交互過(guò)程以及輸出變量與系統(tǒng)軟件之間的交互過(guò)程。對(duì)關(guān)系REQ、NAT、IN和OUT加以規(guī)范化可有效地對(duì)軟件行為進(jìn)行相關(guān)約束。

從總體來(lái)看，利用四變量模型構(gòu)建的需求模型可以同時(shí)描述系統(tǒng)需求及軟件需求。該模型通過(guò)關(guān)系REQ和NAT定義了系統(tǒng)需求，反應(yīng)的是受監(jiān)控的變量與受控制的變量之間的約束關(guān)系。通過(guò)關(guān)系IN和OUT定義了軟件需求，分別反應(yīng)了受監(jiān)控的變量與輸入變量和輸出變量與受控制的變量之間的約束關(guān)系。

3 FMS系統(tǒng)需求的四變量模型分析

本節(jié)主要是為FMS系統(tǒng)中導(dǎo)航控制模塊進(jìn)行輕量化需求分析，分別從CDS指令處理模塊以及傳感器配置模塊這兩個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 CDS指令處理模塊的需求輕量化分析

對(duì)CDS指令處理模塊進(jìn)行構(gòu)建四變量模型，當(dāng)執(zhí)行調(diào)顯導(dǎo)航狀態(tài)指令時(shí)，其四變量模型如圖1所示。其中受監(jiān)控的變量來(lái)源有三個(gè)：第一個(gè)是可以表示當(dāng)前狀態(tài)的傳感器使用狀態(tài)senor_state，第二個(gè)是可以表示當(dāng)前狀態(tài)的無(wú)線電定位模式wire_mode，最后一個(gè)是可以表示當(dāng)前狀態(tài)的導(dǎo)航模式nav_mode；經(jīng)輸入設(shè)備后產(chǎn)生的輸入變量是：senor_state'、wire_mode'和nav_mode'。三個(gè)輸入變量輸入到CDS指令模塊的線路中，經(jīng)過(guò)處理輸出符合系統(tǒng)需求的輸出變量，用nav_state'表示。最后該輸出變量經(jīng)過(guò)輸出設(shè)備后產(chǎn)生的受控制的變量為導(dǎo)航狀態(tài)nav_state，作用到外部環(huán)境中（輸出到顯示控制分系統(tǒng)中的人機(jī)界面）。

3.2 傳感器配置模塊的需求輕量化分析

為飛行管理系統(tǒng)中導(dǎo)航控制模塊的傳感器配置模塊構(gòu)建四變量模型，形式如圖2所示。其中受監(jiān)控的變量是：慣導(dǎo)設(shè)備選擇、大氣設(shè)備選擇、衛(wèi)星設(shè)備選擇、測(cè)距設(shè)備選擇、VOR設(shè)備選擇、TACAN選擇；經(jīng)過(guò)輸入設(shè)備產(chǎn)生的輸入變量是：ins_device、adc_device、satellite_device、dme_device、vor_device、tacan_device；將這六個(gè)輸入變量輸入到傳感器配置模塊的軟件單元進(jìn)行處理產(chǎn)生符合系統(tǒng)需求的輸出變量是：用senor_state'來(lái)表示；最后該輸出變量經(jīng)過(guò)輸出設(shè)備后產(chǎn)生的受控制的變量為當(dāng)前傳感器使用狀態(tài)senor _state，作用到外部環(huán)境中，其中監(jiān)控單元主要對(duì)命令單元起到監(jiān)控作用，用于監(jiān)控各自對(duì)應(yīng)的命令單元產(chǎn)生的命令是否有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)飛行管理系統(tǒng)的需求分析問(wèn)題，提出了一種基于四變量方法的輕量化需求分析方法。并結(jié)合飛行管理系統(tǒng)中的導(dǎo)航控制模塊進(jìn)行了實(shí)例研究，給出了具體的四變量模型；本文將提出的基于四變量模型對(duì)需求建模與分析研究應(yīng)用到飛行管理系統(tǒng)的具體系統(tǒng)需求分析中，通過(guò)最終的分析結(jié)果來(lái)說(shuō)明了該套方法的實(shí)用性和可靠性。

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作者單位

南京航空航天大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇省南京市 211106