(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

1 引 言

數(shù)字化航空電子系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式、綜合式的發(fā)展過程，正在經(jīng)歷著先進綜合式的發(fā)展階段[1]。隨著微電子技術(shù)、實時計算與通信技術(shù)、軟件工程技術(shù)等信息技術(shù)的高速發(fā)展，未來航空電子系統(tǒng)針對機載網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)融合、衛(wèi)星通信技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈等方面提出了趨向“網(wǎng)絡(luò)化”的要求[2]。航空電子系統(tǒng)已經(jīng)不再是單一系統(tǒng)，而是成為空天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的系統(tǒng)。伴隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展，浮現(xiàn)的問題也相應(yīng)增多：涉及的協(xié)議漸多，數(shù)據(jù)的類型定義也越來越多；高度的綜合化要求，使電子系統(tǒng)的層次化設(shè)計越來越復(fù)雜；采用交換式網(wǎng)絡(luò)，使節(jié)點和交換機的數(shù)量增多；對資源的調(diào)用是動態(tài)變化的，需要設(shè)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以高靈活性、低升級成本和高效率為目標，來適應(yīng)航空電子設(shè)計不斷發(fā)展所帶來的變化。

文本首先從設(shè)計的系統(tǒng)過程入手，采取數(shù)據(jù)驅(qū)動[3]的方式，分析航空電子互連網(wǎng)絡(luò)的適用性，建立了航空電子互連網(wǎng)絡(luò)自頂向下的分層設(shè)計架構(gòu)。然后，根據(jù)自動化工程師協(xié)會(Society of Automotive Engineers, SAE)標準定義的體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計語言(Architecture Analysis & Design Language，AADL)，在Eclipse開發(fā)環(huán)境下，開發(fā)了航空電子互連網(wǎng)絡(luò)的頂層設(shè)計平臺。

2 航空電子互連網(wǎng)絡(luò)的頂層設(shè)計架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計角度

數(shù)據(jù)驅(qū)動是以數(shù)據(jù)為核心，逐步發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的聯(lián)系，從而啟發(fā)出用戶的種種需求，來設(shè)計、開發(fā)系統(tǒng)的一種思想。傳統(tǒng)的瀑布開發(fā)過程是：需求-分析-設(shè)計-建造-數(shù)據(jù)；而數(shù)據(jù)驅(qū)動的開發(fā)過程則剛好相反：數(shù)據(jù)-建造-設(shè)計-分析-需求。

圖1 數(shù)據(jù)層次與網(wǎng)絡(luò)層次的映射關(guān)系

本文將數(shù)據(jù)驅(qū)動思想應(yīng)用在航空電子互連網(wǎng)絡(luò)的背景中，如圖1所示。數(shù)據(jù)層次中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)層次中的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件一一對應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)層次是由數(shù)據(jù)層次映射而得到，數(shù)據(jù)層次的具體內(nèi)容決定了網(wǎng)絡(luò)層次的內(nèi)容。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和類型的不同，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件的互連協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓撲及網(wǎng)絡(luò)組件也均有所不同。

2.2 分層管理設(shè)計角度

航空電子互連網(wǎng)絡(luò)伴隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展也日趨復(fù)雜，如果直接對航空電子互連網(wǎng)絡(luò)從整體上設(shè)計，是一項十分復(fù)雜的任務(wù)；而如果將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)進行分層，采取分層設(shè)計、分層管理，就會降低設(shè)計的復(fù)雜度。如圖2所示，以數(shù)據(jù)層次驅(qū)動物理層次為核心思想，數(shù)據(jù)層次下的不同功能分區(qū)，對應(yīng)物理層次下的不同拓撲結(jié)構(gòu)，規(guī)定同一個功能分區(qū)對應(yīng)于一種物理拓撲。一個功能分區(qū)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(wù)。一個物理拓撲下，可以分為多個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)將完成相似功能的物理模塊集成、綜合處理。每一個子系統(tǒng)均對應(yīng)于一個子功能。每一個子功能下，又是由多個任務(wù)組成的，這些任務(wù)以發(fā)布/訂購的模式，與消息相匹配，形成通信數(shù)據(jù)報文。而每一個子系統(tǒng)下面可以存在多個物理節(jié)點，在這些物理節(jié)點上，加載通信數(shù)據(jù)報文，進行網(wǎng)絡(luò)通信。

圖2 數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)的分層對應(yīng)關(guān)系

2.3 自頂向下設(shè)計角度

在頂層設(shè)計角度，如圖3所示，本架構(gòu)由消息錄入模塊、任務(wù)錄入模塊、硬件資源錄入模塊組成的錄入部分，由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生成模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加載模塊、網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)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(gòu)成。

錄入部分將由用戶輸入或者從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為通信數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)配置后，轉(zhuǎn)化為配置信息發(fā)送至輸出部分，輸出部分將這些配置信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)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(tǒng)頂層設(shè)計的同時，統(tǒng)一化管理電子系統(tǒng)的其它工作。

圖3 自頂向下的總體設(shè)計架構(gòu)

具體流程如圖4所示，首先是平臺各個模塊的初始化和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的初始化主要完成對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)導(dǎo)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(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出。然后，在任務(wù)錄入模塊中逐次完成整體系統(tǒng)按功能分區(qū)的劃分、分區(qū)的內(nèi)部進行子功能的細化和子功能的內(nèi)部進行任務(wù)的錄入或直接從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。錄入完畢后，任務(wù)信息一方面輸出到配置部分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生成模塊為生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作準備；另一方面任務(wù)信息在任務(wù)錄入模塊中與消息錄入模塊輸出的消息進行匹配，構(gòu)成任務(wù)/消息形式的通信數(shù)據(jù)報文，輸出到硬件資源錄入模塊中。通信數(shù)據(jù)報文和分區(qū)/子功能/任務(wù)層次結(jié)構(gòu)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(qū)的約束；在子系統(tǒng)屬性的錄入過程中要受到子功能的約束；物理節(jié)點屬性的錄入過程中要受到通信數(shù)據(jù)報文的約束。任務(wù)錄入模塊輸出的通信數(shù)據(jù)報文和硬件資源錄入模塊輸出的硬件資源數(shù)據(jù)，輸入到配置部分的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)生成模塊，根據(jù)數(shù)據(jù)攜帶的層次關(guān)系自動生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中包括網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)信息。進一步在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加載模塊中對通信數(shù)據(jù)有一個二次選擇過程(可選項)，生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)激活表，只有選擇的數(shù)據(jù)才能在網(wǎng)絡(luò)中通信。在網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化模塊中，進行靜態(tài)路由的優(yōu)化(可選項)。最后，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息傳輸?shù)捷敵霾糠郑鶕?jù)工程需要進行仿真、存檔和測試操作。

圖4 總體設(shè)計流程圖

3 基于AADL的實現(xiàn)平臺

SAE標準定義的AADL，由最初的Avionics Architecture Description Language(航空電子體系結(jié)構(gòu)描述語言)發(fā)展為Architecture Analysis & Design Language(體系結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計語言)，經(jīng)歷了長期的航空航天工程的實用，建模技術(shù)已經(jīng)趨于成熟[4-5]。而軟件工程研究所(Software Engineering Institute，SEI)開發(fā)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(guī)范、仿真和測試工具均作為插件集成到Eclipse環(huán)境中。

本文在OSATE平臺上，對前述航空電子互連網(wǎng)絡(luò)的頂層設(shè)計架構(gòu)進行建模。首先將一個具體的任務(wù)行為分為各個功能分區(qū)，在分區(qū)內(nèi)部劃分子功能，接著在子功能內(nèi)部設(shè)計具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，然后在狀態(tài)內(nèi)部完成線程的執(zhí)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(shù)據(jù)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(yīng)關(guān)系，如圖6所示。

圖5 開放源碼AADL環(huán)境——OSATE

圖6 設(shè)計平臺與其它平臺交互實例

與傳統(tǒng)的“V”形開發(fā)過程相比，應(yīng)用本設(shè)計平臺可以利用虛擬的綜合化設(shè)計在設(shè)計的早期快速構(gòu)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(yù)測的體系結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示，外圍的陰影部分表示“V”形的相關(guān)部分，內(nèi)部是本設(shè)計平臺的開發(fā)過程。

先進行鋼護筒施打是較傳統(tǒng)施工方法的主要差異，施工成敗的關(guān)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(wěn)定是需要格外注意的。

圖7 改進的“V”形開發(fā)過程

4 總結(jié)與展望

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

本文提出的航空電子互連網(wǎng)絡(luò)的頂層設(shè)計架構(gòu)是以航空電子互連網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用背景，其架構(gòu)思想和設(shè)計平臺原型已經(jīng)在實際工程的生產(chǎn)設(shè)計中得到了應(yīng)用。

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