胡 濤, 申立群, 田宇陽, 董偉鋒

(哈爾濱工業(yè)大學儀器科學與工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著時代發(fā)展,航天復雜系統(tǒng)越發(fā)完善,每種型號的航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控系統(tǒng)都需要有對應的測試流程[1-2]。一個測試流程包含幾十上百個測試項,在構建流程時還需滿足測試項之間的邏輯約束、數(shù)據(jù)約束和資源約束。隨著測試設備的更迭和約束關系的變化,搭建好的測試流程也需要根據(jù)需求進行不斷的調整和更新。目前,測發(fā)控測試流程以人工搭建為主,人工搭建不僅耗時耗力,而且不一定能滿足邏輯和約束的正確性[3-4]。一旦有一處錯誤,就會對整個測試流程產(chǎn)生影響,需要重新排查,增添額外的開銷。航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程以串行測試為主,同一時刻只能對一個測試項進行測試,在一次測試過程中,測試設備的平均閑置時間占到測試耗時的50%以上[5-6]。顯然,傳統(tǒng)的測發(fā)控流程構建方式和測試效率已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。

隨著計算機水平的發(fā)展,計算機仿真應用給測試效率低下的問題提供了解決思路。仿真引擎是仿真領域的“操作系統(tǒng)”,在定義模型開發(fā)和運行規(guī)范基礎上,對仿真對象、事件、時間進行精確管理并對底層資源進行動態(tài)分配,使仿真系統(tǒng)能有條不紊地按要求運行[7]。20世紀80年代中期,美國研發(fā)了全球第一個并行作戰(zhàn)仿真操作系統(tǒng)——時間扭曲操作系統(tǒng)(time warp operating system, TWOS)。20世紀90年代,研發(fā)了具有里程碑意義的并行仿真引擎——佐治亞理工時間扭曲(Georgia tech time warp, GTW)。隨后,在此基礎上發(fā)布了μsik、擴展開發(fā)工具包(flexible development kit, FDK)等產(chǎn)品[8-10]。在國內,文獻[11]利用統(tǒng)一建模語言(unified modeling language, UML)對仿真模型可移植性(simulation model portability, SMP)仿真引擎進行擴展,取得一定的進展。文獻[12]提出利用支持并行與分布式仿真的仿真引擎,明顯提高了仿真的運行速度。文獻[13]發(fā)布了以事件為中心的仿真引擎,降低了引擎運行消耗,提升了運行效率和性能。仿真引擎技術的應用,使得航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的搭建和測試進入新的時代。

由于航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程本身的結構、參數(shù)和屬性的復雜性等原因,目前國內外對測發(fā)控流程評價的研究較少,無法制定統(tǒng)一的評價標準,流程評價的難度較大。Petri網(wǎng)是一個狀態(tài)變遷模型,也是一個并發(fā)模型,描述了一個系統(tǒng)中各異步成分之間的關系,也允許多個狀態(tài)變遷同時發(fā)生[14]。在分布式軟件系統(tǒng)[15-18]、并發(fā)并行計算[19-22]、柔性制造系統(tǒng)[23-26]、邏輯推理[27-29]等領域,Petri網(wǎng)都有許多成功應用的案例。文獻[30]針對民航飛機結構和故障機理復雜的特性,建立了基于Petri網(wǎng)的民航飛機故障診斷工作流模型,將工作流技術引入民航飛機故障診斷領域,提高了故障診斷的快速性和有效性。文獻[31]提出一種新的通用Petri網(wǎng)模型,用于生產(chǎn)系統(tǒng)的設計和性能評價,該模型允許對系統(tǒng)配置進行建模,確定每個工作站的交貨期、吞吐量和利用率。文獻[32]以系統(tǒng)建模語言(system modeling languange,SysML)活動圖模型為焦點,提出一種將活動圖模型自動轉換為Petri網(wǎng)模型的機制,然后使用Petri網(wǎng)驗證工具對轉換之后的模型進行形式化驗證,保證了指揮信息系統(tǒng)的正確性。本文基于Petri網(wǎng)提出流程邏輯評價算法,將測發(fā)控測試流程映射到Petri網(wǎng)上,通過模擬流程運行的過程,對測發(fā)控流程的邏輯正確性進行評價與分析。

為了提高航天復雜系統(tǒng)測試效率,本文將測發(fā)控流程并行測試與仿真引擎結合起來,設計了一款航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程并行仿真引擎,對測發(fā)控流程的測試進行仿真模擬。相比實物實驗,仿真試驗可以更方便地獲得統(tǒng)計性數(shù)據(jù)。其次,仿真具有很高的效費比,可以讓測試人員擺脫實物設備的約束,靈活地對多種型號的航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程進行調整,縮短并行測試流程設計時間。同時,為了能夠準確發(fā)現(xiàn)流程中存在的邏輯問題,本文通過建立相應的映射規(guī)則,設計了基于Petri網(wǎng)的測發(fā)控流程的邏輯評價算法,提高了流程設計的可靠度和效率,減少了流程設計人員的工作量。

1 并行仿真引擎總體設計

引擎是測試項任務的調度者,是測試對象的載體,航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程并行仿真引擎以Activiti工作流引擎為核心,結合航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控和工作流的特點,實現(xiàn)對測發(fā)控過程的仿真。航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控并行仿真引擎的架構設計如圖1所示。

圖1 并行仿真引擎架構圖Fig.1 Parallel simulation engine architecture diagram

引擎規(guī)范是航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程并行仿真引擎運行的基石,定義了引擎在設計開發(fā)階段需要遵守的規(guī)則。引擎規(guī)范包含3個部分:自動測試標記語言(automatic test markup language,ATML)規(guī)范、業(yè)務流程模型注解(business process model and notation,BPMN)規(guī)范和引擎運行規(guī)范。ATML規(guī)范是一項關于自動測試系統(tǒng)相關要素的描述標準,測發(fā)控流程中的測試對象描述、測試項描述、測試設備描述和約束條件描述都基于ATML規(guī)范,采用ATML規(guī)范方便與其他系統(tǒng)進行對接和交互。BPMN規(guī)范定義了工作流中包含哪些元素,以及元素之間的連接關系等內容。目前,BPMN規(guī)范已經(jīng)演變?yōu)闃I(yè)務流程的通用語言,被大部分工作流引擎兼容(包括Activiti引擎)。引擎運行規(guī)范是在并行仿真過程中測試對象、測試項要遵守的準則,闡述仿真過程應該怎樣、該如何進行。

引擎解析ATML描述文件獲得測發(fā)控流程的元素描述,這些描述與BPMN元素結合,被封裝成流程測試項或測試設備,按照種類進行分類,供測試人員選擇。測試人員選取需要的測試項,在繪制界面進行繪制,指定測試項的代理類路徑和測試設備,完成測試流程構建。測試流程以XML文件形式進行保存,同時保存該流程的PNG格式圖片。

Activiti引擎是航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程并行仿真引擎的核心。引擎對測試流程文件進行解析并得到BPMN文件,Activiti引擎加載BPMN文件進行流程部署并驅動。管理中心實現(xiàn)對并行仿真過程的管控,根據(jù)功能的劃分,將管理中心的職能劃分為5部分:仿真對象管理、仿真控制管理、時間管理、數(shù)據(jù)管理和約束管理。采用管理中心進行引擎控制的目的是實現(xiàn)功能之間的相互解耦,方便開發(fā)和后期維護。仿真顯示是對仿真結果進行可視化展示,包括仿真進度實時顯示、仿真日志輸出、仿真甘特圖和仿真數(shù)據(jù)展示。

航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程優(yōu)化的目的是縮短流程設計時間、提升測試效率;流程的邏輯評價以Petri網(wǎng)為基礎,通過構建流程邏輯評價算法代替人工計算,檢驗流程邏輯是否合理,定位邏輯異常節(jié)點。

本文在并行仿真引擎架構的基礎上,基于Java語言,選擇圖形編輯框架(graphical editing framework, GEF)作為圖形化編輯框架,在Eclipse平臺上對航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的并行仿真引擎進行設計開發(fā)。引擎仿真運行界面實現(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 流程仿真運行界面圖Fig.2 Interface diagram of process simulation running

2 測發(fā)控流程邏輯評價

2.1 BPMN流程元素與Petri網(wǎng)映射規(guī)則

航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程以BPMN 2.0規(guī)范為基礎進行構建,本質上可以將流程看作是一個有向圖。由Petri網(wǎng)定義可知,Petri網(wǎng)的結構與航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的結構具有一定的相似性,通過合理的映射規(guī)則,可以將測發(fā)控流程轉化為Petri網(wǎng)的表達形式。Petri網(wǎng)有著嚴密的數(shù)學基礎,可以通過數(shù)學的方式來描述流程仿真的過程,檢驗流程的邏輯正確性,給予科學準確的評價結果。測發(fā)控流程元素和Petri網(wǎng)映射規(guī)則如表1所示。

表1 測發(fā)控流程元素和Petri網(wǎng)映射規(guī)則

2.2 測發(fā)控流程邏輯評價指標

邏輯評價關心流程中是否存在邏輯錯誤,檢查流程可能到達的狀態(tài)和是否所有的測試項都能夠到達。流程邏輯評價的指標包含安全性、可達性、死鎖和死循環(huán)。對這4個指標的定義和驗證方法如下。

(1) 安全性

Petri網(wǎng)如果要滿足安全性的約束,要求網(wǎng)中的任意一個庫所的令牌數(shù)量不能超過1。映射在測發(fā)控流程中,表示測試流程中的任意一個測試項在一次仿真中不能被加載驅動兩次或多次。圖3是存在安全性問題的流程樣例。測試項1后是一個并行網(wǎng)關,測試項2和測試項3并行執(zhí)行,當兩者需要合并時未使用并行網(wǎng)關合并,而是連接到了測試項4。測試項4在執(zhí)行時會被實例化兩次,導致后邊的流程元素會被執(zhí)行兩次,仿真過程發(fā)生重復執(zhí)行。

安全性基于可達圖的驗證方法是在得到可達圖后,遍歷可達圖的所有節(jié)點,如果發(fā)現(xiàn)存在一個節(jié)點的標識向量中,有庫所包含兩個或者多個令牌,則表明該庫所不滿足安全性的要求,流程的安全性不能得到保證。

圖3 存在安全性問題的流程示例Fig.3 Process example with security issues

(2) 可達性

Petri網(wǎng)可達性驗證是保證從Petri網(wǎng)的初始狀態(tài)開始,每一個庫所可以經(jīng)過一系列的變遷到達。映射到測發(fā)控流程中,標識從初始狀態(tài),也就是流程的開始節(jié)點開始,都可以通過一個可執(zhí)行路徑到達結束節(jié)點。同時,到達結束節(jié)點時,不存在別的正在執(zhí)行的流程節(jié)點。圖4是存在不可達節(jié)點的流程樣例。開始事件和測試項1連接,測試項1任務又和結束節(jié)點連接,測試項1包含在一個從開始到結束的可執(zhí)行任務序列中。測試項2只和結束節(jié)點相連接,只有輸出并沒有輸入。沒有事件能夠觸發(fā)測試項2開始,因此其是一個不可達節(jié)點。

檢測可達圖中是否存在葉子節(jié)點,同時要求該葉子節(jié)點中所有包含令牌的庫所均是流程結束節(jié)點所對應的庫所,每個結束事件所對應的庫所都要包含令牌。如果滿足該要求,則說明該流程中的所有節(jié)點都是可達的。

圖4 存在不可達節(jié)點的流程示例Fig.4 Process example with unreachable nodes

(3) 死鎖

測發(fā)控流程死鎖是指在流程仿真過程中,由于競爭資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞現(xiàn)象。航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程有著嚴格約束,測試項可能存在測試先后順序和數(shù)據(jù)依賴現(xiàn)象。當存在數(shù)據(jù)依賴關系時,流程設計不合理,會導致死鎖現(xiàn)象發(fā)生,仿真流程會卡在某個測試項停滯不前。圖5是存在死鎖的流程樣例。并行網(wǎng)關觸發(fā)要求滿足所有的前置條件,測試項2之前存在一個并行網(wǎng)關,并行網(wǎng)關和測試項1、測試項3相連,測試項3又依賴測試項2的數(shù)據(jù),這樣就形成了邏輯上的死鎖。測試項2一直在等待測試項3執(zhí)行,測試項3又一直在等待測試項2執(zhí)行。

圖5 存在死鎖的流程示例Fig.5 Process example with deadlock

基于可達圖的死鎖驗證方法比較簡單,只需驗證映射后的流程中的所有變遷是否都出現(xiàn)在可達圖中,未出現(xiàn)變遷所對應的測試項便是死鎖現(xiàn)象發(fā)生的節(jié)點。

(4) 死循環(huán)

Petri網(wǎng)中的死循環(huán)指的是在一次變遷序列中,同一個標識在不同的時間出現(xiàn)過兩次或者兩次以上。變遷序列指Petri網(wǎng)從初始標識M0開始,到結束標識截止。在測發(fā)控流程中,死循環(huán)指因為流程邏輯設計不合理而導致一個不能自動終止的循環(huán)。如果在流程設計階段忘記添加跳出判斷條件,則會發(fā)生死循環(huán)。死循環(huán)會讓仿真無法正常結束,需要進行人工干預。流程中存在死循環(huán),也有可能會導致死循環(huán)后邊的流程一直重復執(zhí)行,整個仿真都會出現(xiàn)錯誤。一個存在死循環(huán)的流程樣例如圖6所示。測試項2存在兩個輸出,連接結束節(jié)點和測試項3。流程在執(zhí)行完測試項2后,兩個輸出都會被觸發(fā)執(zhí)行,導致測試項1～測試項3形成一個循環(huán)。由于缺少判斷條件,循環(huán)會一直進行,無法跳出,結束節(jié)點也會一直被重復實例化。

圖6 存在死循環(huán)的流程示例Fig.6 Process example with an infinite loop

測發(fā)控流程中死循環(huán)在可達圖中的展現(xiàn)形式為可達圖的環(huán)路,只要檢測到可達圖中存在環(huán)路,則說明測發(fā)控流程中存在死循環(huán)。

2.3 邏輯評價算法流程

將測發(fā)控流程按照合理的規(guī)則映射到Petri網(wǎng),就可以通過數(shù)學的方式描述流程仿真的過程。基于Petri網(wǎng)的航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程可以獲得流程的結構矩陣,根據(jù)矩陣中庫所、變遷的輸入輸出關系和流程初始標識,得到測發(fā)控流程的可達圖/可覆蓋樹。最后,根據(jù)可達圖/可覆蓋樹的性質與特點,就可以對整個航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的安全性、可達性、死鎖和死循環(huán)進行邏輯評價?；赑etri網(wǎng)的航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的邏輯評價方案示意圖如圖7所示。

圖7 邏輯評價方案示意圖Fig.7 Schematic diagram of logical evaluation scheme

檢查可達圖中是否存在無界量w,可以判斷測發(fā)控流程中是否存在安全性問題。如果可達圖中存在環(huán)路,說明測發(fā)控流程中存在死循環(huán)。當可達圖中存在不可達節(jié)點時,需要進一步判斷才能確定是哪種邏輯問題。如果可達圖的葉子節(jié)點中測發(fā)控流程結束事件對應庫所的令牌不為0,則測發(fā)控流程存在不可達問題;如果令牌數(shù)為0,則是由于死鎖導致測發(fā)控流程未進行到結束節(jié)點導致。流程評價算法的流程圖如圖8所示。

圖8 邏輯評價算法流程圖Fig.8 Flowchart of logic evaluation algorithm

3 測發(fā)控流程構建與評價仿真

測發(fā)控流程實例搭建如圖9所示,流程實例最大并發(fā)數(shù)為5,共包含9個測試對象、59個測試項。依照約束規(guī)則,測試流程整體可分為3個測試環(huán)節(jié):單項檢查、單元測試和分系統(tǒng)測試。不同測試環(huán)節(jié)之間由并行網(wǎng)關進行連接,兩個相鄰并行網(wǎng)關包含的測試支路并行執(zhí)行。

圖9 測試流程實例圖Fig.9 Test process example diagram

利用開發(fā)的航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的仿真引擎和設計的基于Petri網(wǎng)的流程邏輯評價算法對搭建的測試流程進行仿真,仿真結果如圖10所示。

為進一步驗證流程邏輯評價算法評價結果的正確性,對圖9流程實例進行部分改動,驗證算法,檢驗流程的安全性、可達性、死鎖與死循環(huán)問題的正確性。修改后的流程實例部分連接圖如圖11所示。安全性問題改動如圖11(a)所示,將并行網(wǎng)關替換為單向網(wǎng)關;不可達改動如圖11(b)所示,刪除制導系統(tǒng)模擬飛行測試和彈載計算機自檢之間的連接線;死鎖改動如圖11(c)所示,將并行網(wǎng)關和伺服結構氣壓、油面檢查測試項之間的箭頭反向,構成死鎖;死循環(huán)改動如圖11(d)所示,在線振動測試和重力場測試之間構成死循環(huán)。

圖11 測試流程實例改動對比圖Fig.11 Test process example change comparison diagram

將改動后的流程實例帶入流程邏輯評價算法,驗證結果如表2所示。由表2可以看到,基于Petri網(wǎng)的邏輯評價算法能夠將存在邏輯錯誤的測試項ID定位出來,并標識出現(xiàn)的邏輯錯誤。當獲取了存在邏輯錯誤的流程節(jié)點后,流程設計人員可以返回到航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的仿真引擎,對流程進行重新繪制和修改,為后續(xù)流程的優(yōu)化和調整提供更為可靠的依據(jù)。

表2 改動后的流程實例驗證結果

4 結 論

本文實現(xiàn)了航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程并行仿真引擎的設計與評價,主要完成了以下工作:

(1) 結合工作流和并行仿真技術,利用Java語言開發(fā)設計了航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程的仿真引擎;

(2) 通過建立相應的映射規(guī)則和邏輯評價指標,利用Petri網(wǎng)對航天復雜系統(tǒng)的測發(fā)控流程進行建模;

(3) 通過基于Petri網(wǎng)的流程評價算法驗證測發(fā)控流程邏輯的正確性;

(4) 利用設計的并行仿真引擎來搭建航天復雜系統(tǒng)的測發(fā)控流程實例,對發(fā)生邏輯錯誤的節(jié)點進行定位。

本文設計的航天復雜系統(tǒng)測發(fā)控流程并行仿真引擎,可以實現(xiàn)對流程的可視化繪制,更真實地模擬系統(tǒng)的測試流程,提高了測發(fā)控流程的測試效率。利用相應的映射規(guī)則,可以將測試流程表達為Petri網(wǎng)的形式,對測試流程的邏輯正確性進行驗證,并對其中存在邏輯錯誤的節(jié)點進行定位,為流程的設計和優(yōu)化提供更為可靠的依據(jù)。