航空電子互連網絡的頂層設計架構與實現(xiàn)平臺*

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

1 引 言

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

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

2 航空電子互連網絡的頂層設計架構

2.1 數(shù)據驅動設計角度

數(shù)據驅動是以數(shù)據為核心，逐步發(fā)現(xiàn)數(shù)據中的聯(lián)系，從而啟發(fā)出用戶的種種需求，來設計、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-設計-建造-數(shù)據；而數(shù)據驅動的開發(fā)過程則剛好相反：數(shù)據-建造-設計-分析-需求。

圖1 數(shù)據層次與網絡層次的映射關系

本文將數(shù)據驅動思想應用在航空電子互連網絡的背景中，如圖1所示。數(shù)據層次中的數(shù)據結構與網絡層次中的網絡構件一一對應。網絡層次是由數(shù)據層次映射而得到，數(shù)據層次的具體內容決定了網絡層次的內容。根據數(shù)據結構和類型的不同，網絡構件的互連協(xié)議、網絡拓撲及網絡組件也均有所不同。

2.2 分層管理設計角度

航空電子互連網絡伴隨著航空電子系統(tǒng)的發(fā)展也日趨復雜，如果直接對航空電子互連網絡從整體上設計，是一項十分復雜的任務；而如果將復雜的網絡進行分層，采取分層設計、分層管理，就會降低設計的復雜度。如圖2所示，以數(shù)據層次驅動物理層次為核心思想，數(shù)據層次下的不同功能分區(qū)，對應物理層次下的不同拓撲結構，規(guī)定同一個功能分區(qū)對應于一種物理拓撲。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。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)均對應于一個子功能。每一個子功能下，又是由多個任務組成的，這些任務以發(fā)布/訂購的模式，與消息相匹配，形成通信數(shù)據報文。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)據報文，進行網絡通信。

圖2 數(shù)據與網絡的分層對應關系

2.3 自頂向下設計角度

在頂層設計角度，如圖3所示，本架構由消息錄入模塊、任務錄入模塊、硬件資源錄入模塊組成的錄入部分，由網絡結構生成模塊、網絡數(shù)據加載模塊、網絡路由優(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個部分共同構成。

錄入部分將由用戶輸入或者從數(shù)據庫導入的數(shù)據信息轉化為通信數(shù)據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絡配置后，轉化為配置信息發(fā)送至輸出部分，輸出部分將這些配置信息轉化為相應模板‘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 自頂向下的總體設計架構

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)據的初始化主要完成對網絡數(shù)據庫中數(shù)據導入到本地的工作。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)據庫中導出。然后，在任務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)的內部進行子功能的細化和子功能的內部進行任務的錄入或直接從數(shù)據庫導入。錄入完畢后，任務信息一方面輸出到配置部分的網絡結構生成模塊為生成網絡結構作準備；另一方面任務信息在任務錄入模塊中與消息錄入模塊輸出的消息進行匹配，構成任務/消息形式的通信數(shù)據報文，輸出到硬件資源錄入模塊中。通信數(shù)據報文和分區(qū)/子功能/任務層次結構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)據報文的約束。任務錄入模塊輸出的通信數(shù)據報文和硬件資源錄入模塊輸出的硬件資源數(shù)據，輸入到配置部分的網絡結構生成模塊，根據數(shù)據攜帶的層次關系自動生成網絡結構，其中包括網絡拓撲、網絡通信數(shù)據和網絡層次結構信息。進一步在網絡數(shù)據加載模塊中對通信數(shù)據有一個二次選擇過程(可選項)，生成網絡數(shù)據激活表，只有選擇的數(shù)據才能在網絡中通信。在網絡路由優(yōu)化模塊中，進行靜態(tài)路由的優(yōu)化(可選項)。最后，將網絡結構信息傳輸?shù)捷敵霾糠?，根據工程需要進行仿真、存檔和測試操作。

圖4 總體設計流程圖

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(航空電子體系結構描述語言)發(fā)展為Architecture Analysis & Design Language(體系結構分析與設計語言)，經歷了長期的航空航天工程的實用，建模技術已經趨于成熟[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絡的頂層設計架構進行建模。首先將一個具體的任務行為分為各個功能分區(qū)，在分區(qū)內部劃分子功能，接著在子功能內部設計具體的狀態(tài)轉換，然后在狀態(tài)內部完成線程的執(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文檔均為一一對應關系，如圖6所示。

圖5 開放源碼AADL環(huán)境——OSATE

圖6 設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，應用本設計平臺可以利用虛擬的綜合化設計在設計的早期快速構造模型的原型，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，形成一種性能可預測的體系結構模型，如圖7所示，外圍的陰影部分表示“V”形的相關部分，內部是本設計平臺的開發(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 總結與展望

本文提出了一種航空電子互連網絡的頂層設計架構，并應用開源軟件OSATE針對這一架構開發(fā)了實現(xiàn)平臺。本文提出的架構主要是要建立一個在全生命周期內便于維護、升級的航空電子互連網絡系統(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。這種迭代的設計方式不僅提升了航空電子互連網絡升級的靈活性，也使航空電子互連網絡的設計得到了規(guī)范管理，從而降低全生命周期成本，提高生產效率。

本文提出的航空電子互連網絡的頂層設計架構是以航空電子互連網絡為應用背景，其架構思想和設計平臺原型已經在實際工程的生產設計中得到了應用。

參考文獻：

[1] 熊華鋼, 王中華. 先進航空電子綜合技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

XIONG Hua-gang, WANG Zhong-hua. Advanced Avionics Integration Techniques [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.(in Chinese)

[2] 梁德文. 戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)最新的發(fā)展趨勢—網絡化[J]. 電訊技術, 2008, 48(6): 93-97.

LIANG De-wen. Review on the New Development of Fighter Avionics System-Networking [J]. Telecommunication Engineering, 2008, 48(6): 93-97. (in Chinese)

[3] 黃以寬. 數(shù)據驅動：一種實用的原型化開發(fā)方法[J]. 電腦開發(fā)與應用, 1996(1)：39-42.

HUANG Yi-kuan. Date Driven: a Practical Prototyping Methodology [J]. Computer Developing and Application, 1996(1)：39-42. (in Chinese)

[4] SAE AS5506, SAE Aerospace Standard: Architecture Analysis & Design Language (AADL) [S].

[5] SAE AS5506/1, SAE Aerospace Standard: SAE Architecture Analysis & Design Language (AADL) Annex Volume 1: Annex A: Graphical AADL Notation, Annex C: AADL Meta-Model and Interchange Formats, Annex D: Language Compliance and Application Program Interface, Annex E: Error Model Annex [S].