綜合電子系統(tǒng)頂層設(shè)計及驗證解決方案

1、綜合電子系統(tǒng)頂層設(shè)計與驗證解決方案         隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，綜合電子系統(tǒng)（如航空電子系統(tǒng)）已經(jīng)成為武器裝備或交通工具上最為關(guān)鍵的組成部分，對提高整體的性能和安全性、降低系統(tǒng)全生命周期成本起到關(guān)鍵的作用。與此同時，對其性能及總線設(shè)計水平的要求也越來越高。傳統(tǒng)的開發(fā)流程各個階段的信息傳遞主要是基于文檔的，很難適應(yīng)功能越來越強(qiáng)大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計的需要。    盡管工程師可以比較好完成開發(fā)流程中某一階段的具體開發(fā)任務(wù)，但是各個開發(fā)任務(wù)之間信息的傳遞由于主要采用文檔的方式，很容易在傳遞信息過程中發(fā)生

2、理解錯誤，導(dǎo)致大量的重復(fù)勞動，不但大大降低了工作效率，而且很難保證設(shè)計的一致性；    另外，在開發(fā)早期引入的錯誤由于缺乏良好的驗證手段通常很難發(fā)現(xiàn)，不能保證系統(tǒng)設(shè)計的正確性，從而導(dǎo)致后期大量的返工和維護(hù)成本。        采用基于模型的設(shè)計（MBD）思想，可以很好地解決傳統(tǒng)的開發(fā)流程面臨的問題。MBD思想具有如下的特點(diǎn)：   層次化：模型可以采用分層的表示，或采用多個視圖從不同的角度來刻畫系統(tǒng)。隨著開發(fā)階段的深入，不斷地對模型進(jìn)行細(xì)化和充實，最大限度地保證模型的復(fù)用。從簡單的模型過渡到復(fù)雜的模型，符合開發(fā)流程所

3、需的從系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到功能單元，從需求轉(zhuǎn)移到具體實現(xiàn)的特點(diǎn)；   可驗證：模型本身是設(shè)計的形式化描述，具有無二義的特點(diǎn)。通過運(yùn)行模型，能夠在開發(fā)的各個階段對系統(tǒng)進(jìn)行評價。特別是，對于開發(fā)的不同階段，對測試也有不同的要求。比如基于需求的測試，側(cè)重于從需求的角度對系統(tǒng)的功能進(jìn)行測試，一般發(fā)生在系統(tǒng)的集成測試和系統(tǒng)驗收的階段。而通過基于模型的設(shè)計環(huán)境，我們可以在V模式的需求開發(fā)和頂層設(shè)計階段展開此項測試工作，為后期系統(tǒng)集成和驗收打下堅實的基礎(chǔ)。而在系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計階段，再對模型進(jìn)行全面的測試；   支持實現(xiàn)：通過自動轉(zhuǎn)化模型為代碼，可以最大限度地避免由于手工轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的

4、錯誤。另外，通過模型可以自動的生成文檔，大大地降低了文檔準(zhǔn)備工作。所生成的代碼一方面可以用于建立產(chǎn)品的快速原型，對產(chǎn)品在最終實現(xiàn)之前采用半物理仿真的方式進(jìn)行全面地功能性能測試；另一方面對應(yīng)于產(chǎn)品中軟件部分的算法模型，也可以生成產(chǎn)品級的代碼應(yīng)用于最終實際的產(chǎn)品中；   可追溯性：由于整個開發(fā)流程通過模型整合起來，對于開發(fā)過程的更改控制就比較容易。輔之以方便的模型檢查和測試手段，保證了開發(fā)過程中產(chǎn)品的一致性。由于需求可以關(guān)聯(lián)到模型（設(shè)計），而模型關(guān)聯(lián)到生成的代碼和文檔，這樣就保證了設(shè)計更改的一致性。  1. 解決方案     

5、  采用模型對電子系統(tǒng)的頂層設(shè)計進(jìn)行描述，可以使設(shè)計開發(fā)的成果在不同階段得到高度復(fù)用，實現(xiàn)各階段的平滑過渡：    保證設(shè)計的一致性，避免重復(fù)性的勞動，提高工作效率；    幫助工程師擺脫代碼編寫和底層調(diào)試等繁雜瑣碎的工作，集中精力關(guān)注于系統(tǒng)設(shè)計；    在設(shè)計過程中持續(xù)對設(shè)計進(jìn)行驗證，保證設(shè)計的正確和可靠。 1.1 總體方案        綜合電子系統(tǒng)頂層設(shè)計和驗證的總體流程如下圖所示：         

6、 綜合電子系統(tǒng)的頂層設(shè)計與驗證的工作流程，可大體分為五個階段：任務(wù)設(shè)計與功能分解階段、人機(jī)交互設(shè)計設(shè)計階段、系統(tǒng)級設(shè)計與驗證階段、接口級設(shè)計與驗證階段、總線仿真和驗證階段。在每個設(shè)計驗證階段，基于V模式的設(shè)計確認(rèn)與驗證貫穿始終。    任務(wù)設(shè)計與功能分解階段        在任務(wù)設(shè)計與功能分解階段，設(shè)計人員主要通過對戰(zhàn)場需求的分析，完成戰(zhàn)場需求到整機(jī)需求的遷移，戰(zhàn)場任務(wù)到整機(jī)任務(wù)的遷移，整機(jī)需求到綜合電子系統(tǒng)需求的分解，獲得各種任務(wù)剖面。       在此階段，設(shè)計輸入是明確的或擬定的

7、戰(zhàn)場任務(wù)，通過需求管理工具對戰(zhàn)場需求進(jìn)行分類、分級、管理，獲得針對電子系統(tǒng)的總體需求。在總體需求下發(fā)后，設(shè)計人員根據(jù)戰(zhàn)場任務(wù)的想定，進(jìn)行電子系統(tǒng)的用例設(shè)計，通過反復(fù)的設(shè)計迭代，劃分整機(jī)任務(wù)剖面，并對每個任務(wù)剖面涉及的需求進(jìn)行梳理，保證對戰(zhàn)場需求的覆蓋。設(shè)計人員通過需求管理工具，提交細(xì)化的電子系統(tǒng)需求分析產(chǎn)品，并對已提交的需求進(jìn)行跟蹤和驗證，通過數(shù)據(jù)庫對需求和任務(wù)剖面進(jìn)行配置管理和變更管理，保證知識的延續(xù)性。    人機(jī)交互設(shè)計階段        在人機(jī)交互設(shè)計階段，設(shè)計人員的主要任務(wù)是將面向任務(wù)剖面的電子系統(tǒng)功能需求轉(zhuǎn)換為虛擬的POP

8、設(shè)計界面，快速搭建乘員操作界面原型，與乘員進(jìn)行需求溝通，使得需求分析的結(jié)果得到最終用戶的確認(rèn)。        在此階段，設(shè)計輸入是已完成功能分解的各項子任務(wù)和車電分系統(tǒng)需求，設(shè)計人員根據(jù)個各個子任務(wù)的具體要求，設(shè)計乘員的操作流程和規(guī)范，再設(shè)計過程中，逐步規(guī)劃POP界面。隨著任務(wù)設(shè)計的逐步細(xì)化，POP界面功能也逐步細(xì)化，得到人車交互的設(shè)計成果，與最終用戶溝通后，根據(jù)用戶反饋對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行迭代。POP設(shè)計的成果可通過代碼生成技術(shù)，作為后續(xù)全數(shù)字仿真驗證的數(shù)據(jù)顯示平臺和用戶輸入平臺。   系統(tǒng)級設(shè)計與驗證階段    &#

9、160;   在系統(tǒng)級設(shè)計階段，主要工作是針對每一項任務(wù)剖面，對系統(tǒng)工作流進(jìn)行分解，描述系統(tǒng)邊界，抽象系統(tǒng)劃分，定義系統(tǒng)之間交互的變量。本階段的主要設(shè)計成果為各項任務(wù)剖面模型，聯(lián)合需求分析階段的POP操作界面模型，并開發(fā)通用的飛行動力學(xué)模型，開發(fā)基于戰(zhàn)場任務(wù)規(guī)劃想定的作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境仿真，在全數(shù)字的環(huán)境下進(jìn)行仿真驗證，根據(jù)仿真結(jié)果，對任務(wù)剖面模型進(jìn)行設(shè)計迭代，確保實現(xiàn)了對應(yīng)任務(wù)剖面的功能需求。   接口級設(shè)計與驗證階段        在完成系統(tǒng)級設(shè)計并驗證通過的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對任務(wù)剖面模型細(xì)化，設(shè)計各個電子系統(tǒng)之間的總線類型和總線

10、接口，將系統(tǒng)之間交互的變量分配到各個系統(tǒng)之間的ICD接口上，同時，細(xì)化系統(tǒng)模型內(nèi)部邏輯和算法，完成DD設(shè)計。ICD與DD設(shè)計也是符合V模式要求的迭代過程：首先根據(jù)系統(tǒng)之間變量的種類和數(shù)量進(jìn)行ICD初步設(shè)計和分配，ICD初步設(shè)計結(jié)果和系統(tǒng)功能需求會作為DD詳細(xì)設(shè)計的輸入，在DD設(shè)計過程中，對不合理或缺失的ICD接口進(jìn)行反饋，從而更新ICD設(shè)計，更新ICD設(shè)計后繼續(xù)到DD設(shè)計中驗證，重復(fù)確認(rèn)直到設(shè)計滿足需求。        本階段設(shè)計確認(rèn)的方法可復(fù)用系統(tǒng)級設(shè)計驗證階段的全數(shù)字仿真環(huán)境，聯(lián)合POP運(yùn)行界面、通用的飛行動力學(xué)仿真和作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境仿真，對ICD和DD

11、的迭代設(shè)計結(jié)果進(jìn)行仿真驗證，系統(tǒng)模型之間使用符合實際總線定義的通信接口，在高速以太網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)收發(fā)和打解包，并通過DD邏輯模型驗證與任務(wù)剖面功能需求的符合程度。   總線仿真和驗證階段        在完成接口級設(shè)計與并驗收通過的基礎(chǔ)上，利用實時仿真手段，將作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境仿真、飛行動力學(xué)仿真、電子系統(tǒng)仿真遷移到主仿真服務(wù)器，設(shè)計人員使用POP運(yùn)行界面和仿真監(jiān)控界面，通過高速以太網(wǎng)控制實時仿真的各模型。同時，系統(tǒng)提供了各種總線仿真器和IO板卡設(shè)備，設(shè)計人員將電子系統(tǒng)模型之間交互的ICD接口數(shù)據(jù)分配到各個總線仿真器或IO設(shè)備的通道上，實時仿真

12、的模型之間通過真實的物理總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，驗證數(shù)據(jù)傳輸和模型內(nèi)部邏輯的正確性。除了對仿真模型進(jìn)行監(jiān)控的手段之外，設(shè)計人員還可通過專用的總線采集監(jiān)控設(shè)備，直接面向真實的物理總線，對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、解析、顯示、存儲、回放等操作，從外部數(shù)據(jù)接口驗證設(shè)計與需求的符合性。 1.2 主要功能        綜合電子系統(tǒng)頂層設(shè)計和驗證解決方案主要實現(xiàn)了如下功能：   通過條目化的需求管理工具，實現(xiàn)對需求的管理，在設(shè)計過程中對需求覆蓋程度進(jìn)行驗證；   基于模型對綜合電子系統(tǒng)功能和接口進(jìn)行設(shè)計，模型基于系統(tǒng)

13、工程語言SysML搭建，依托于IBM Rational Rhapsody開發(fā)平臺，設(shè)計的結(jié)果可方便的進(jìn)行驗證；   模型可持續(xù)迭代設(shè)計，支持多人并行協(xié)同開發(fā)，通過模型合并的方式對多人設(shè)計結(jié)果進(jìn)行集成；   設(shè)計過程中，通過與綜合模塊化集成仿真系統(tǒng)IMSS的集成，將DD設(shè)計、POP設(shè)計、ICD設(shè)計進(jìn)行有機(jī)整合，大幅度提高設(shè)計開發(fā)效率；   支持文檔自動生成，包括ICD文檔、DD模型描述文檔等；   具備聯(lián)合仿真驗證功能，DD、ICD、POP的設(shè)計成果，可通過以太網(wǎng)交互的方式，進(jìn)行符合ICD數(shù)據(jù)接口

14、規(guī)范的聯(lián)合仿真驗證，對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行檢驗。  1.3 產(chǎn)品特點(diǎn)        綜合電子系統(tǒng)頂層設(shè)計和驗證方案的基于Harmony的系統(tǒng)工程方法構(gòu)建，使用Rhapsody工具作為頂層設(shè)計開發(fā)的平臺。          基于Harmony系統(tǒng)工程方法，以需求為基本設(shè)計輸入，通過黑盒設(shè)計和白盒設(shè)計，使用用例圖、活動圖、順序圖等設(shè)計方法，實現(xiàn)對系統(tǒng)功能架構(gòu)的設(shè)計和分解，并在設(shè)計過程中利用Rhapsody的代碼生成技術(shù)，在windows平臺上進(jìn)行數(shù)字仿真驗證。   

15、    設(shè)計過程中可與ICD設(shè)計工具、POP設(shè)計工具進(jìn)行交互，通過數(shù)據(jù)文件交互的方式，將ICD、DD、POP的設(shè)計流程進(jìn)行整合，保證設(shè)計的一致性。        頂層設(shè)計結(jié)果除了可對詳細(xì)設(shè)計提供輸入之外，還可在系統(tǒng)集成階段的測試過程中復(fù)用，與綜合電子系統(tǒng)集成測試解決方案之間進(jìn)行無縫集成。如下圖所示，集成測試階段的仿真系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)，可復(fù)用頂層設(shè)計階段和仿真模型和數(shù)據(jù)接口，為系統(tǒng)功能驗證提供支持。  應(yīng)用&案例     中航工業(yè)集體某航電專業(yè)單位航電系統(tǒng)頂層設(shè)計與驗

16、證平臺        為航電專業(yè)單位設(shè)計實現(xiàn)的一套用于通用型號航電系統(tǒng)的頂層設(shè)計開發(fā)和驗證平臺。此平臺由系統(tǒng)設(shè)計工具、仿真驗證平臺、IO接口設(shè)備構(gòu)成，支持航電系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計與仿真驗證，并提供相關(guān)IO接口設(shè)備用于半物理驗證擴(kuò)展。系統(tǒng)設(shè)計工具主要使用IBM Rational Rhapsody，搭建航電系統(tǒng)頂層設(shè)計模型，仿真驗證平臺使用IMSS集成模塊化仿真系統(tǒng)，將設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證，并通過IO接口設(shè)備與機(jī)載設(shè)備進(jìn)行連接，進(jìn)行半物理仿真驗證。    某直升機(jī)研發(fā)單位航電仿真與測試系統(tǒng)     

17、;   為某型號直升機(jī)提供的航電仿真測試系統(tǒng)，在型號研制和集成階段，滿足設(shè)備仿真、系統(tǒng)測試、電纜匯接、配線切換等試驗需求，與機(jī)載航電綜合處理機(jī)聯(lián)合試驗，為型號研制成功提供保障。此系統(tǒng)主要由航電仿真系統(tǒng)、飛行仿真系統(tǒng)、輸入輸出接口設(shè)備、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、靜態(tài)激勵系統(tǒng)、電纜匯接和綜合配線系統(tǒng)構(gòu)成，提供組合導(dǎo)航/大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、機(jī)電管理系統(tǒng)、通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)、電子自衛(wèi)系統(tǒng)仿真所需的輸入輸出硬件接口和實時仿真環(huán)境，提供高速數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)支持帶真件的半物理仿真試驗，提供開放的試驗網(wǎng)絡(luò)便于用戶進(jìn)行擴(kuò)展。  相關(guān)產(chǎn)品· 綜合電子系統(tǒng)集成測試解決方案· IMSS集成模塊化仿真系統(tǒng)· 基于模型的復(fù)雜電子系統(tǒng)頂層設(shè)