基于模型的航空電子系統正向設計方法研究

霍萍，趙永庫，劉斌

(航空工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089)

航空電子系統是現代作戰飛機的一個重要組成部分，其性能和技術水平的高低直接決定和影響著現代作戰飛機的作戰性能，而且是衡量現代作戰飛機作戰性能的三大要素之一。航空電子技術發展至今，先后經歷了分散、聯合、綜合、高度綜合4個階段；航空電子系統結構亦是如此，同樣經歷了分立式、聯合式、綜合式和高度綜合式4個階段。從4個階段的發展可以看出，飛機航空電子系統功能變得越來越復雜，系統綜合化程度的要求也不斷提高，加之來自外部任務需求的新特點、研制周期以及功能性能成本等多方面因素的影響，使得飛機航空電子系統的設計研制變得更加復雜，為傳統的系統設計工作帶來極大挑戰，這就需要采用一種科學高效的基于模型的系統正向設計方法來幫助解決當前航空電子系統所面臨的復雜工程問題，也是未來飛機航空電子系統技術發展的趨勢。

1 基于模型的系統正向設計方法

基于模型的系統正向設計方法是基于模型的系統工程（MBSE）在系統設計研制工作中的擴展和延伸，其關注的重點是系統正向設計過程中信息傳遞的模型化。設計方法分析目標是將用戶需求轉化為設計說明，即能夠指導系統實現的一套統一標準的解決辦法，基于模型的系統工程是一種應用建模方法的規范方式，用于支持系統需求、設計、分析、驗證和確認活動，貫穿于系統設計整個開發過程及后續過程的生命周期階段。

2 航電系統的正向設計流程

基于模型的航空電子系統（簡稱航電系統）正向設計方法，即從飛機任務需求出發，自頂而下開展飛機級、系統級需求建模分析；接著，開展系統級功能分析和架構設計，形成基于模型的航電系統架構，通過多維特性進行系統的非功能分析，優化系統架構，供后續產品研制與軟件開發使用。同時，通過測試工具完成基于模型的系統集成測試驗證，形成一整套系統化、規范化的航電系統閉環正向設計與測試驗證流程。圖1為航電系統基于模型的正向設計流程圖。

圖1 航電系統基于模型的正向設計流程圖

2．1 基于模型的需求分析

針對現代作戰飛機的新特點，開展基于DoDAF的需求分析和模型設計，實現從作戰體系結構向裝備體系結構的指引和映射。DoDAF體系架構框架是由美國國防部發布的用于描述和指導武器裝備架構開發的綱領性規范，是一種用于架構開發的跨領域、綜合的框架和概念模型，是組織、表述復雜組織體系架構的統一標準。根據系統需求選取合適的視點和模型開展系統需求分析和視圖建模。首先，根據飛機級作戰需求開展作戰視點、體系需求等視圖分析；接著，根據飛機級功能需求開展飛機級服務視點、功能視圖分析；根據飛機級能力需求開展能力視點、飛機級能力視圖分析；最后，根據飛機級需求分解出系統級需求，開展系統級功能分析和視圖建模，并將分析模型傳遞給系統設計人員。圖2為航電系統通信功能視圖。

圖2 航電系統通信功能視圖

2．2 基于模型的系統功能分析和設計

系統建模語言SysML是一種通用的圖形化標準建模語言，用于描述、分析、設計和驗證包含硬件、軟件、設備、人員和信息的復雜系統。采用SysML語言開展基于模型的系統功能分析包括需求分析、功能分析、設計綜合、系統驗證等部分，實現將功能需求轉變為系統的連貫的功能或者操作的目的。首先，完成對系統需求的確認和管理。根據上節分析出的航電系統用戶需求進行系統需求的抽象和定義，對每一條用戶需求進行確定性、一致性確認，并進行唯一可識別號碼的編制，完成航電系統需求的導入。接著，開展系統功能的建模分析和設計。根據系統用例圖分析并明確系統的邊界、功能塊和參與者。在完成系統用例圖后，針對每一個用例進行系統功能分析，把系統當作一個黑盒，通過活動圖、時序圖、端口和接口、狀態機圖等多個視角的建模設計來分析系統，形成一個反復迭代、逐步深入的過程。通過功能分析，得到外部參與者與系統交互的功能流過程，將系統的各功能按組分類，劃分系統的關鍵功能，構建系統的功能架構。最后，完成系統架構的設計綜合。在完成關鍵系統功能的定義后，根據系統的權衡分析確定合并系統的候選方案，形成系統總體架構，實現將系統功能分配到系統的架構中，并將設計模型傳遞給架構分析人員使用。圖3為航電系統維護數據加載活動圖。

2．3 基于模型的系統非功能分析和設計

SysML語言側重于系統功能設計和邏輯架構建模設計，無法對系統部分關鍵的非功能特性（如可靠性、可調度性、實時性、安全性等要素）進行分析，故需選用AADL對系統非功能關鍵特性進行分析和物理架構建模設計。體系架構設計和分析語言AADL是對SysML的承接，兩者是互補關系。首先，開展系統物理架構的建模設計。構建航電系統的硬件組件（如設備、存儲器、處理器、總線等）、系統配置（如軟件組件、執行平臺等）、端口（如數據、事件等）、模型組件和各組件間的連接關系等。接著，開展系統的非功能關鍵特性分析。以構建完成的航電系統物理架構模型為基礎，加入非功能屬性的約束條件作為分析輸入，通過可靠性、實時性、可調度性、安全性等多維特性分析，完成航電系統的延遲、可靠度、總線負載等特性評估，得到符合約束要求的系統配置模型，傳遞給軟件開發和產品研制人員。

2．4 基于模型的系統集成測試驗證

在完成系統架構模型傳遞后，通過測試工具完成基于模型的系統單元測試、部件測試、系統集成測試、產品交付等一系列測試驗證活動，實現基于模型的航電系統閉環設計驗證。

圖3 航電系統維護數據加載活動圖

3 結語

航電系統采用基于模型的方式進行自頂而下的正向設計，通過基于模型的方式開展系統的需求分析、功能分析、非功能分析以及系統集成測試驗證，使模型成為系統設計傳遞和交流信息的依據，極大減少文本描述引起的語義偏差，能夠盡早發現系統設計缺陷，減少系統的更改成本，便于后續的系統迭代和優化設計，提升飛機航電系統的綜合設計品質。