一种基于模型的系统设计方法_江爱伟

Vol.34,No.1

　

January,2009

　

火力与指挥控制

　

FireControl&CommandControl

　

第34卷　第1期2009年1月

文章编号:1002-0640(2009)01-0126-03

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一种基于模型的系统设计方法

江爱伟1,2,周德云1,杜昌平1

(1.西北工业大学,陕西　西安　710072,2.成都飞机设计研究所,四川　成都　610041)

　　摘　要:提出一种面向功能需求,基于模型的“V”型系统设计方法,通过图形化行为建模技术对系统功能进行分解,运用多种仿真和验证技术,在设计过程中实现对系统功能、行为以及与需求规范的一致性和完整性进行实时验证,及时发现并纠正错误,从而避免在产品的物理原型阶段或测试阶段才发现系统设计的错误。

关键词:系统设计方法,建模技术,功能结构图,状态图,仿真中图分类号:V24　　　　文献标识码:A

AnAvionicSystemDesignMethodbasedonModel

1,211

JIANGAi-wei,ZHOUDe-yun,DUChang-ping

(1.NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China,2.ChengduAircraftDesignandResearchInstitute,Chengdu610041,China)

　　Abstrct:Arequirement-oriented`V’methodofsystemdesignispresentedinthispaperbasedonmodel.Accordingtothismethod,thesystemfunctionisdecomposedbythetechnologyofvisualgraphicmodeling.Muchsimulationandcheckingmethodsareusedtomeetthecoherencybetweenrequirementandsystemfunction.Thesecanobtainanymistakeninthedesigningprocessandreducesomemistakeninproducingphase.

Keywords:systemdesignmethod,modelingtechnology,functionalgraph,stategraph,simulation

引　言

目前,嵌入式系统的设计人员面临着许多复杂性设计的挑战,这些挑战主要来自于设计内容的增加,多变的新特征,模糊的设计参数以及用户不断增长的需求。即使是那些经验丰富、装备精良的工程设计小组,这些挑战也远远超出了他们的技术能力。更令人惊讶是,目前几乎所有的大型复杂系统的设计都是以文本形式进行描述的,由于没有统一的描述准则,同一个操作过程在系统设计人员与软件设计人员之间常常会产生不同的理解,因此,这种非正规而又不可测试的描述方法常常导致代价高昂的修改。大量的研究结果显示,在系统综合期间纠正一个错误花费将是在规范制定期间的10倍～1000倍。

建立完整、准确的规范只是整个成功的一半。因

为还有一个大问题是这些规范是否完整、准确地反

映了用户的需求。工程设计小组开发的硬件和软件可能自身能够正常运行,但是所实现的设计可能并不能满足用户的需求。运用传统的设计方法开展的设计,其设计规范中的错误往往只能在系统综合和测试时才能被发现。这将导致重新进行相关的技术协调,花费大量的时间去修正这些错误,严重影响系统的研制进度。

本文提出一种全新的基于模型的迭代式系统设计方法,它允许用户运用StatemateMAGNUM工具的先进行为图形建模技术和原型生成技术创建一个可视化的、图形化的系统规范,清晰、准确地反映出所要设计的系统的预期功能和行为,使设计复杂系统的系统工程师在规范阶段就可以对整个系统的行为方式、功能分解、控制方式和逻辑关系等进行可视化的行为建模、调试和验证,发现和纠正规范文件中模糊、冗长、错误的地方。

　收稿日期:2007-09-18　　　修回日期:2007-11-12

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　作者简介:江爱伟(1962-　),男,博士、研究员,主要研究

方向:航空电子火控系统设计、建模与仿真。

江爱伟,等:一种基于模型的系统设计方法

(总第34-0127)　　　　·127·

1　

系统模型的基本类型

些模拟器的图形化动画显示、分析和调试能力,使系

图1　系统模型域

要准确地对一个系统进行建模,必须对图1所示的3

个不同的典型领域进行分析。

(1)离散事件或模态操作

对于系统的离散事件或模态操作的建模,最常用的是有限状态机。StatemateMAGNUM中的离散状态图从传统的有限状态机理论发展而来的,具有层次性和并发性两大特点。通过它可以清晰地描述基于离散事件的复杂系统。

(2)时间连续/控制回路时间连续/离散控制回路分析将通过能准确表述行为随时间变化的数学模型的完成。StatemateMAGNUM中的连续控制图是从美国军方广泛使用的Visim发展而来的,它提供一系列控制律方框图,用于对动态系统进行建模、分析和仿真。

(3)性能

基于排队理论的性能建模用于确定系统的处理能力、响应时间、资源利用以及需要讨论的论点。系统中的单元将在一个基本的功能层次上进行建模,以确保分析的准确性。

模型域存在重叠部分的原因是大部分设计中的系统都是这些不同域的组合。因此要准确地建立系统模型,必须将各种不同的模型联系起来,以提供完整的系统分析。

统具有良好的可见度。

StatemateMAGNUM还提供了C代码与Sta-temateMAGNUM模拟进行连接的机制。通过这个机制,执行性能可维持在一个可接受的水平,因为大多数计算量大的部分以可执行C代码方式运行,且依然有完全可视化的模拟器动画显示和调试能力。这个能将外部代码综合到模型中去的能力,使得StatemateMAGNUM成为一种理想的系统测试台。通过将来自不同模型域或工具的模型集合成一个单一的分析模型,StatemateMAGNUM为完整的系统分析提供了一种统一标准的环境。

3　基于模型的系统设计方法

创建测试规范的传统方法是以文本方式来描述被测试的部件、所施加的激励以及期望的结果。这种方法的问题是不能产生从测试结果到设计的反馈信息。在综合过程中,当一个测试项目产生一个与预测结果不同的结果时,不能很快查明是测试规范错误还是被测试模块存在问题。

本文提出一种面向功能需求,基于模型的“V”型系统设计方法。在“V”过程模型中,左边一侧主要描述系统分析过程,右边一侧对应于综合过程。“V”过程的分析阶段包含系统需求分析、系统规范、系统设计和硬件/软件实现4个步骤。沿“V”过程模型中的右边一侧,从硬件/软件实现测试向上走到模块综合测试、系统综合测试,并最终走到系统验收测试。在分析/设计的每一步,还必须进行测试定义,并定义那些用于今后综合和验收测试的测试场景。

下页图3表示了标准的“V”过程模型,它是讨论系统设计方法的基础。

2　系统工程环境中的Statemate-MAGNUM

　　作为系统工程的一种工具,StatemateMAGNUM的最重要作用是通过功能模型(Activity-charts),可以为系统工程师提供整个系统的综述,能够定义系统的各种功能和接口,这样可以在不同的模型域或工具中建立模型,也可以将不同域中的模型集合起来,以提供完整的系统分析。Sta-temateMAGNUM与其他系统工程工具的接口方式如图2所示。

并发模拟是指StatemateMAGNUM和其他系统工程工具的模拟器同时进行模拟,且数据将从一

个工具传到另一个工具。这种方法的优点是通过这

.1

自底向上的设计方法很难产生良好的系统设计。自底向上表明设计人员缺乏战略思考和对系统

的全面理解,并且用于系统的各种实现可能远不是最佳的。而自顶向下设计是基于分解原理。分解过程是从主要的系统功能开始,且对功能的描述采用逐渐细化的方式,因此系统的描述更易于理解。分解还能确保每一个已确定子功能的作用是清晰的,且不同于其他已确定子功能,以及确保通过已确定子功能实现对系统功能的完全描述。

图4描述的功能分解是最著名的分解方法。它是传统结构分析技术的基础,并被许多文献所提倡

。

输出功能完成与输入功能相反的功能。它将物理/逻辑值变换成电气信号。

在输入功能与输出功能之间有一个处理缓冲区,它用于主要的系统功能之间的通信,并能按经典的结构分析方法进行解释或者按一种内部总线协议进行解释。3.1.3　功能分解(系统层次2)

下一层功能分解称为系统层次2。对于系统层次2,一些通用的指南可以用于这一层的结构。

对于输入/输出功能,没有通用的方法,因为它取决于系统结构(见图6)

。

图4　功能分解

3.1.1　定义外部数据源或接收器(系统层次0)当开始一个系统设计时,必须要做的第一件事

情是定义经典结构分析中所描述的前后关系图。这种前后关系图按照与外部世界的接口关系来定义系统的边界。在这个阶段,应该画出系统边界(即顶层活动)与外部活动之间的数据流。

3.1.2　控制器设计通用顶层图表法(系统层次1)

大量项目的经验已经表明通用方法可以用于所有控制器设计。通用的第一层功能结构图表示所有系统规范的共同起始点。首先定义完前后关系图的外部数据源和接收器,然后是确定主要的系统功能块。通用的第一层功能结构图包括下列3个公共功能块,如图5所示

。

图6　输入功能的功能分解

对于总线接口,可能存在一些通用的方法。

在这个阶段,设计人员只对以特定定时/频率经由总线接口发送或接收的特定消息感兴趣。当开发总线模型时,要记住的是分析中的最终目标是硬件在环分析。构造总线模型的原则是要易于从Sta-temateMAGNUM的总线软件模型转为使用实际系统硬件。

按功能模块构造这一层将有助于今后的代码生成。而且要对各种活动进行合理地安排,使得系统的结构具有可读性。也就是说,所有的功能结构图都应自上而下、从左向右阅读,并且活动的顺序应与控制活动中的调用顺序一致。

基于可读性的理由,也不要对该图表进行进一步的层次分解。

输入功能完成电气信号到物理/逻辑值的变换。该功能中所完成的操作可包括:滤波、消抖、电气信号到物理/逻辑值的变换。

3.1.4　功能分解(系统层次>2)

系统层次大于2时,其结构将完全取决于所要

(下转第138页)

向对象数据库技术、多级保密分布式计算技术;自动化信息、电文、语音理解和高速存储及检索技术;多

媒体、网络管理和控制、分布式库管理及保密软件;实时支援、分布式空战中心、多兵种指挥控制、多媒体数据库管理和多集群分布式计算环境演示试验技术。2.7　信息融合体系结构建立地面雷达组网系统最佳的融合体系结构,综合考虑模型与算法的复杂性、快速性及通信带宽要求等诸多因素。

2.8　多雷达相对配准技术

多雷达之间存在相对系统误差,严重影响多雷达融合性能,成为实现多雷达信息融合是否成功的关键。多雷达相对配准技术即研究如何减少多雷达间的相对配准误差,提高融合正确率。2.9　多雷达目标综合识别及联合建航技术建立基于多雷达网融合后的目标状态参数与三型敌我识别器输出的目标识别信息的属性融合模型与方法,用于对目标属性的综合识别。

建立多雷达多目标航迹相关、点集相关、点航相关方法与算法,建立多雷达之间借点互补建航、不同雷达之间的航迹嵌入方法;实现多雷达探测信息互补和探测区域补盲,提高单部雷达跟踪建航质量和

可靠度。

3　结束语

通过地面雷达信息综合技术研究,除了可以提高单站的对抗能力之外,还可以利用地面雷达组网提高防空作战性能和体系对抗能力。地面雷达信息综合技术扩展了空军预警系统的探测和跟踪的空域,实现全空域高可靠截获目标,改进雷达探测性能,提高雷达测量精度;加强了雷达系统工作的可靠性,全面提高了系统对抗的能力。使防空体系的抗毁伤能力和防空兵器生存能力得到大幅度提高,有效地发挥整个防空作战体系在现代化高科技战争中的潜在能力。参考文献:

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肖军模.网络信息安全与对抗[M].北京:解放军出版社,1999.

(上接第128页)

“V”型系统设计方法。采用了以离散状态图建模语言为核心的图形化行为建模技术,运用动画显示、用户控制程序、测试平台、追踪文件记录等多种仿真和验证技术,在设计过程中实现对系统功能、行为以及与需求规范的一致性和完整性进行实时验证,及时发现并纠正错误,从而避免在产品的物理原型阶段或测试阶段才发现系统设计上的这些错误。参考文献:

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姜继宗,陈开林.国外先进战斗机电子对抗系统的发展[,7):1-8.

设计的系统本身,且不再有通用的方法。一般需要记住的是,这时主要考虑应是可读性。读者应能从功能结构图中了解到这是一个什么功能。在绘制第二层以及随后层次的功能结构图时,所有的输入都应在左边,所有的输出都应在右边。

3.2　系统确认

“V”过程模型的一个特性是当沿“V”过程的左边向下进行过程中,在每一阶段都必须定义今后系统综合中使用的各种测试。

由于所有系统都是一个控制回路的一部分,因此为确保准确性,系统确认必须闭环进行。闭环分析要求先对外部环境进行建模。然后建立人机交互面板用于驱动或控制模拟过程。该面板可以是真实用户接口的实物模型,能很好地浓缩信息,且可用作系统监示器来监视的各种值、系统对象、模式等。最后运用建立的外部环境和人机交互面板进行整个系统的故障模式影响分析、统计分析等系统确认工作。

4　结束语