陳 穎1，王春蓉

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.空軍駐電子十所軍事代表室，成都 610036)

1 引 言

隨著航空電子系統(tǒng)由傳統(tǒng)的設(shè)備級高度綜合集成結(jié)構(gòu)向模塊級高度綜合集成結(jié)構(gòu)發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇增加。這種復(fù)雜性一方面表現(xiàn)在內(nèi)部集成的功能項越來越多、耦合程度越來越緊密，另一方面,外部技術(shù)不斷向前發(fā)展,系統(tǒng)需求也在不斷變化過程中。本文從復(fù)雜系統(tǒng)基本觀點及系統(tǒng)復(fù)雜性度量因素出發(fā)，結(jié)合近30年來國外模塊級高度綜合集成航空電子系統(tǒng)所走過的道路，總結(jié)了模塊級高度綜合集成航空電子系統(tǒng)發(fā)展的經(jīng)驗及教訓(xùn)，指出了這類系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮的重要方向及關(guān)鍵因素。

2 復(fù)雜系統(tǒng)描述方法

文獻[1]中給出了復(fù)雜系統(tǒng)的基本概念，指出了系統(tǒng)由實體(或元素)、屬性與活動(或關(guān)聯(lián)關(guān)系)3個要素組成。實體是組成系統(tǒng)的具體對象元素，屬性是實體的狀態(tài)、參數(shù)特征，活動是表示對象隨時間推移而發(fā)生的狀態(tài)變化。系統(tǒng)模塊化設(shè)計的目的是將一個抽象劃分為多個更小更簡單的抽象，通過模塊化，可以更好地管理系統(tǒng)更改及其復(fù)雜性。內(nèi)聚性是系統(tǒng)相關(guān)性度量標準，說明一個功能實體內(nèi)的各個部件在邏輯上的相關(guān)程度。部件集合的內(nèi)聚性越高，系統(tǒng)更改越可能被局限在同一功能實體內(nèi)的那些部件，對系統(tǒng)其它功能實體的影響最小。耦合性是系統(tǒng)依賴性度量標準，說明系統(tǒng)各個功能實體間的依賴力。功能實體之間的耦合越松散，系統(tǒng)更改越可能被局限在各功能實體內(nèi)部，而不會影響其它實體。簡單系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)功能實體不多，功能實體之間的耦合程度不高的系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)功能實體較多，功能實體之間的耦合程度比較高的系統(tǒng)。開放系統(tǒng)是指系統(tǒng)與外部環(huán)境之間不斷進行物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換使系統(tǒng)可從外界環(huán)境輸入負熵，從而使系統(tǒng)的總熵減少，增加系統(tǒng)的有序性。

本文進一步研究了復(fù)雜系統(tǒng)描述方法。

采用分層結(jié)構(gòu)處理是解決電子信息系統(tǒng)領(lǐng)域復(fù)雜性問題的有效方法。通過分層處理，復(fù)雜系統(tǒng)劃分為若干層次，各層次由不同的功能實體構(gòu)成，功能實體完成特定的行為功能并具備接口定義，層與層之間、實體與實體之間通過一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系關(guān)聯(lián)。一種典型的分層模型如圖1所示，系統(tǒng)分為應(yīng)用層、構(gòu)件層及平臺層。應(yīng)用層包含若干個應(yīng)用功能線程，應(yīng)用功能線程之間有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系；每個應(yīng)用功能線程的具體實現(xiàn)由構(gòu)件層的若干構(gòu)件組合完成，構(gòu)件與構(gòu)件之間有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系；構(gòu)件部署在平臺層上，平臺層由具體的硬件模塊(或處理器)組成，模塊與模塊之間有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖1 復(fù)雜系統(tǒng)分層模型Fig.1 Hierarchy model of complex system

系統(tǒng)可以用構(gòu)成系統(tǒng)的元素及元素與元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的集合進行描述，參考圖1復(fù)雜系統(tǒng)分層模型，在數(shù)學(xué)上，對于分層后的復(fù)雜系統(tǒng)Y可描述為

Y={S,Rs}

(1)

S={s1,s2,…,si,…，sL}

(2)

RS={Rs,1,2,Rs,2,3,…,Rs,(i-1),i,…，Rs,(L-1),L}

(3)

式中，S表示系統(tǒng)分層集合，si表示第i層，Rs表示層與層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合，Rs,(i-1),i表示第(i-1)層與第i層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合。

第i層系統(tǒng)si可進一步表示為該層內(nèi)元素及元素與元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的集合，即：

si={Ei,REi}

(4)

式中，Ei為第i層系統(tǒng)元素集, 可表示為

Ei={ei1,ei2,…，eij，…，eiNi}

(5)

eij={eij1,eij2,…，eijk，…，eijNij}

(6)

式中，eij表示構(gòu)成系統(tǒng)第i層的第j類元素種類集，eijk表示構(gòu)成系統(tǒng)第i層的第j類元素種類集中的第k個元素，Ni表示系統(tǒng)中第i層元素種類數(shù)量為Ni種，Nij表示系統(tǒng)中第i層第j類元素總個數(shù)為Nij個。

REi為系統(tǒng)第i層元素與元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集，可表示為

REi={ri1,ri2,…，rij，…，riMi}

(7)

rij={rij1,riji2,…，rijk，…，rijMij}

(8)

式中，rij表示系統(tǒng)第i層的第j類元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系種類集，rijk表示構(gòu)成系統(tǒng)的第i層的第j類元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系集中的第k個元素關(guān)聯(lián)關(guān)系，Mi表示系統(tǒng)中第i層包括的元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系種類為Mi種，Mij表示系統(tǒng)中第i層第j類元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系的總個數(shù)為Mij個。

元素具有屬性，可表示為

eijk={Attr(eijk),Attr(rijk)}

(9)

式中，Attr(x)為描述元素x的屬性集。

3 系統(tǒng)復(fù)雜性度量

系統(tǒng)的復(fù)雜性可從系統(tǒng)的靜態(tài)及動態(tài)特性兩個方面度量：

(1)在靜態(tài)方面，從式(1)～(9)可以看出，影響系統(tǒng)復(fù)雜性的主要因素包括：根據(jù)需要系統(tǒng)分層的層數(shù)；構(gòu)成系統(tǒng)的元素種類數(shù)量；構(gòu)成系統(tǒng)的元素個數(shù)數(shù)量；元素屬性的數(shù)量；構(gòu)成系統(tǒng)元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的種類；構(gòu)成系統(tǒng)元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)量；

(2)在動態(tài)方面，系統(tǒng)的動態(tài)特性主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1)系統(tǒng)目標、規(guī)模隨著時間的增加而演變。在多數(shù)復(fù)雜系統(tǒng)中，隨著時間的增加，系統(tǒng)目標將不斷演變，新的功能可能增加，舊的功能可能刪除。系統(tǒng)的目標不斷發(fā)生變化，系統(tǒng)規(guī)模也將不斷發(fā)生變化，新的功能實體在增加，舊的功能實體在刪減，導(dǎo)致構(gòu)成系統(tǒng)的元素種類及數(shù)量在發(fā)展變化；

2)構(gòu)成系統(tǒng)的元素及其屬性本身隨著時間的增加而演變。隨著時間的增加，構(gòu)成系統(tǒng)的元素及其屬性本身也在不斷發(fā)展變化過程中。如在電子信息系統(tǒng)中，微電子技術(shù)呈摩爾定律向前發(fā)展，每18個月性能提升一倍，導(dǎo)致構(gòu)成系統(tǒng)的基本硬件模塊在不斷的更新變化過程中；

3)構(gòu)成系統(tǒng)的元素與元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其屬性隨時間的增加而演變。隨著時間的增加，構(gòu)成系統(tǒng)的元素與元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其屬性也將不斷變化，構(gòu)成系統(tǒng)的新元素增加，舊元素的刪減都將導(dǎo)致關(guān)聯(lián)關(guān)系的變化。同時隨著時間的增加，元素與元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的類型也將不斷發(fā)生變化。

通常，隨著系統(tǒng)動態(tài)特性的增加，系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇增加。

根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)的基本特點，對復(fù)雜系統(tǒng)進行設(shè)計，應(yīng)綜合考慮以下幾個方面的因素。

(1)對系統(tǒng)的良好分解

系統(tǒng)分解的基本任務(wù)是根據(jù)系統(tǒng)目標要求，獲取對系統(tǒng)構(gòu)成的基本單元實體(或元素)以及基本單元實體之間交互關(guān)系的基本認識。對于復(fù)雜的系統(tǒng)，分層處理是一種較好的處理方法。系統(tǒng)分解究竟分為多少個層次，在某層上系統(tǒng)構(gòu)成元素的粒度多大，因系統(tǒng)本省特性及其復(fù)雜性而異。在多數(shù)系統(tǒng)中，通常一開始是很難清晰地分解出各層及與之對應(yīng)的構(gòu)成元素，因此，需要經(jīng)過很多反復(fù)，才有可能得到比較清晰的分析結(jié)果。好的系統(tǒng)分層設(shè)計應(yīng)使得組成系統(tǒng)的基本元素只與其相鄰的層發(fā)生關(guān)聯(lián)，而與其它層無關(guān)聯(lián)，確保層與層之間的獨立性。

(2)對構(gòu)成系統(tǒng)基本元素的合理劃分

對構(gòu)成系統(tǒng)基本元素的劃分應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)目標，系統(tǒng)特點進行合理劃分。基本元素設(shè)計應(yīng)遵循高內(nèi)聚性、低耦合性設(shè)計原則，同時還應(yīng)考慮元素的標準化、通用性等設(shè)計要素。當元素進行修改、升級時，對系統(tǒng)的影響僅限制在元素內(nèi)部，而不影響其它元素，確保元素與元素之間的獨立性。

(3)對構(gòu)成系統(tǒng)的基本元素與元素間關(guān)聯(lián)關(guān)系的良好管理

元素與元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系包括層與層之間、同層之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通常這些關(guān)聯(lián)關(guān)系隨著時間的增加而動態(tài)發(fā)生變化。對復(fù)雜系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系的管理維護是一項復(fù)雜的工作，采用特定的框架對這些復(fù)雜關(guān)系進行管理維護是一項較好的選擇。

(4)對系統(tǒng)發(fā)展變化的適應(yīng)性

在一個開放式系統(tǒng)中，隨著時間的發(fā)展，系統(tǒng)與外部環(huán)境之間存在能量、信息或物質(zhì)的交換，系統(tǒng)處在不斷發(fā)展變化過程中。在對一個復(fù)雜開放式系統(tǒng)設(shè)計過程中，適應(yīng)系統(tǒng)需求變化能力是一項重要研究內(nèi)容。當系統(tǒng)需求發(fā)生變化，增加新的功能時，應(yīng)能確保新功能與其它舊功能實體不發(fā)生競爭沖突。

復(fù)雜系統(tǒng)的顯著特點是開放性、復(fù)雜性，同時具有突現(xiàn)性、不穩(wěn)定性、非線性、不確定性、不可預(yù)測性等特征。在電子信息系統(tǒng)領(lǐng)域，隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇增加，這一點在模塊級高度綜合集成的航空電子系統(tǒng)中尤為突出。在模塊級高度綜合集成的航空電子系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的獨立電子裝備已經(jīng)不再存在，取而代之的是將傳統(tǒng)的多個功能的獨立電子裝備作為一個整體進行統(tǒng)一設(shè)計，從而在性能、體積、重量、成本等方面具有傳統(tǒng)方式不可比擬的優(yōu)勢。

然而，在模塊級高度綜合集成航空電子系統(tǒng)中，模塊之間高度耦合導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性急劇增加。同時，系統(tǒng)要有足夠的開放性，設(shè)計既要考慮到當前技術(shù)狀態(tài)，又要考慮未來數(shù)十年的發(fā)展變化，使得系統(tǒng)設(shè)計相當困難、異常復(fù)雜，這一點可以從國外模塊級綜合集成航空電子系統(tǒng)發(fā)展歷程看出。

4 從復(fù)雜系統(tǒng)觀點看國外模塊級綜合集成航空電子系統(tǒng)發(fā)展的經(jīng)驗及教訓(xùn)

從20世紀80年代開始，美空軍先后投入了近20億美元研制經(jīng)費及大量優(yōu)秀的工程技術(shù)人員率先在航空電子綜合化通信導(dǎo)航識別(CNI)領(lǐng)域開展了航空電子系統(tǒng)綜合集成設(shè)計，主要分為3個階段，有4個項目研制計劃。

4.1 ICNIA計劃

ICNIA(Integrated Communication Navigation Identification Avionics)計劃始于1983年，當時的主要指導(dǎo)思想為采用通用化模塊及可重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)綜合化通信、導(dǎo)航、識別功能。ICNIA計劃主要集中點為設(shè)計通用接收機及數(shù)字處理模塊，為多種頻段、帶寬、增益特性、調(diào)制方式、抗干擾方式等提供統(tǒng)一的可重配模塊。該計劃驗證了CNI系統(tǒng)綜合集成的可行性，但也遇到較多的問題，如采用單一的接收機滿足全頻段RF要求太復(fù)雜、太昂貴；單一波形跨多個處理器，導(dǎo)致時間、接口關(guān)系復(fù)雜；定制專門的處理器；硬件、軟件修改與系統(tǒng)密切相關(guān)導(dǎo)致系統(tǒng)成本急劇增加，進度嚴重滯后等[2]。

4.2 F22 CNI和RAH-66 Comanche CNI計劃

F22 CNI項目始于1988年，充分吸收了ICNIA的經(jīng)驗教訓(xùn)，重新設(shè)計了軟、硬件體系結(jié)構(gòu)，并采用了一些當時出現(xiàn)的功能更強大的新處理器。但由于當時認識水平、硬件技術(shù)水平的限制，導(dǎo)致系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不開放，系統(tǒng)在可擴展性、可升級性、可測試性、通用性等方面遇到較多的問題[3]，如：

(1)總線形式繁雜多樣，開放性不夠，導(dǎo)致其他廠家設(shè)計的硬件很難滿足F22的技術(shù)要求；

(2)對未來技術(shù)發(fā)展、更新變化考慮不周，多條技術(shù)落后的部件生產(chǎn)線的關(guān)閉導(dǎo)致部件供應(yīng)困難；

(3)系統(tǒng)未采用開放式總線互連結(jié)構(gòu)導(dǎo)致系統(tǒng)升級困難，采用的通用共享并行總線導(dǎo)致數(shù)據(jù)、控制擁擠，設(shè)計余量小，幾乎無法插入新的功能；

(4)系統(tǒng)軟硬件可靠性質(zhì)量不高，軟硬件關(guān)聯(lián)關(guān)系過于復(fù)雜，定位、查找、發(fā)現(xiàn)問題困難；

(5)定制大量專用器件，成本過高。

RAH-66 Comanche CNI計劃始于1996年，早期沿用了F22 CNI設(shè)計思路，但在2003年，重新簽訂合同，要求設(shè)計與軟件通信體系結(jié)構(gòu)(SCA)兼容，支持軟件重用。通過SCA技術(shù)，在Comanche CNI項目中開發(fā)的波形軟件可直接用于F35 CNI系統(tǒng)。該合同的簽訂，標志著Comanche CNI系統(tǒng)與F22 CNI系統(tǒng)技術(shù)體制上的徹底分離[2]。

4.3 F35綜合射頻計劃

F35從1993年啟動論證，最初從383個計劃研究點開展論證工作，涉及的范圍包括計算機科學(xué)、電子器件、集成航空、綜合顯控、傳感器等眾多領(lǐng)域。經(jīng)過四輪迭代過濾論證，最終在1995年5月最終確定核心處理、綜合射頻系統(tǒng)、綜合光電、綜合武器及精確目標尋的4個研究領(lǐng)域。1996～2000年開展先期概念驗證。

F35 CNI計劃始于2000年左右，由于微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，F(xiàn)35 CNI采用了更加先進的處理器及總線技術(shù)，系統(tǒng)的開放性得到進一步提升，部分解決了F22遇到的設(shè)計困難。但由于F35 CNI計劃早于SCA/CORBA技術(shù)(CORBA技術(shù)成熟于1999年左右，SCA技術(shù)成熟于2003年左右)的出現(xiàn)，早期并未采用SCA技術(shù)，軟件體系主要采用基于“類”的傳統(tǒng)設(shè)計思路，為此，F(xiàn)35綜合航電系統(tǒng)定義了150余種“類”[4]。但隨著SCA技術(shù)的逐漸成熟，對SCA技術(shù)認識程度的不斷提升，F(xiàn)35綜合航電系統(tǒng)不斷更改其設(shè)計，其中CNI部分要求采用SCA設(shè)計理念，與SCA技術(shù)兼容[2]。

從國外模塊級綜合集成航空電子系統(tǒng)，尤其是綜合化通信、導(dǎo)航、識別系統(tǒng)發(fā)展歷程來看，也經(jīng)歷了一段由混亂到逐漸成熟的歷史進程。早期的ICNIA計劃對系統(tǒng)的復(fù)雜性認識不清，設(shè)計僅局限于硬件模塊的通用性及可重構(gòu)性上，系統(tǒng)在層次劃分、基本元素粒度劃分、元素的內(nèi)聚性及耦合性等方面考慮嚴重不足；F22 CNI計劃雖然吸取了ICNIA計劃的經(jīng)驗教訓(xùn)，重新設(shè)計了軟、硬件體系結(jié)構(gòu)，但對軟、硬件部件基本元素的劃分仍考慮不足，軟件部件之間、快速發(fā)展變化的硬件部件之間及軟硬件部件結(jié)合之間耦合關(guān)系過于密切，導(dǎo)致系統(tǒng)定位、查找、發(fā)現(xiàn)問題困難。同時，系統(tǒng)對開放性設(shè)計考慮不足，功能之間資源競爭嚴重，新功能很難插入，系統(tǒng)很難升級改造；早期F35綜合射頻計劃雖然在硬件上采用了FC、Raceway等先進的開放式總線技術(shù)，在一定程度上解決了系統(tǒng)內(nèi)部功能數(shù)據(jù)流傳輸競爭問題，具有一定的開放性。但由于F35計劃早于SCA/CORBA技術(shù)，體系結(jié)構(gòu)上沒有利用SCA/CORBA的技術(shù)優(yōu)勢，在軟件之間、硬件部件之間及軟硬件部件結(jié)合之間仍高度耦合。隨著對保持系統(tǒng)功能線程之間相互獨立、軟、硬件部件相對獨立、支持系統(tǒng)可成長性、可重構(gòu)性等復(fù)雜系統(tǒng)基本特點的認識日益清晰，SCA/CORBA、SwitchFabric高速總線等技術(shù)的日益成熟，F(xiàn)35綜合航電系統(tǒng)不斷更改其設(shè)計，甚至2008年6月的報道顯示，F(xiàn)35再次對其航空電子設(shè)備開放式結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計定義。

5 結(jié)束語

模塊級高度綜合集成航空電子系統(tǒng)復(fù)雜性問題客觀存在，良好的系統(tǒng)分層設(shè)計、良好的功能實體(或基本元素)劃分、確保功能線程之間獨立、確保功能實體(或基本元素)之間獨立是模塊級高度綜合集成航空電子復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計重點。事實上，F(xiàn)35綜合射頻系統(tǒng)從ICNIA計劃、F22 CNI計劃中學(xué)到的最大經(jīng)驗教訓(xùn)就是如何確保功能線程之間的獨立[2]。而快速變化的硬件與應(yīng)用軟件之間解耦，使開放式復(fù)雜航空綜合集成電子系統(tǒng)在保護系統(tǒng)功能及應(yīng)用軟件投資的同時，既能支持技術(shù)進步、允許新技術(shù)插入，又能容忍硬件的滯后更新、新舊共存，是模塊級高度綜合集成航空電子復(fù)雜系統(tǒng)必須解決的基本問題。

參考文獻：

[1] 陳穎.從復(fù)雜系統(tǒng)觀點看模塊級綜合集成航空電子結(jié)構(gòu)[J].電訊技術(shù)，2009,49(4):98-102.

CHEN Ying.The Integrated Modular Avionics Electronic Architecture from Complex System Views[J].Telecommunication Engineering,2009,49(4):98-102.(in Chinese)

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