综合电子系统顶层设计及验证解决方案.doc

综合电子系统顶层设计与验证解决方案 随着电子技术的不断进步，综合电子系统（如航空电子系统）已经成为武器装备或交通工具上最为关键的组成部分，对提高整体的性能和安全性、降低系统全生命周期成本起到关键的作用。与此同时，对其性能及总线设计水平的要求也越来越高。传统的开发流程各个阶段的信息传递主要是基于文档的，很难适应功能越来越强大，系统越来越复杂的系统设计的需要。 尽管工程师可以比较好完成开发流程中某一阶段的具体开发任务，但是各个开发任务之间信息的传递由于主要采用文档的方式，很容易在传递信息过程中发生理解错误，导致大量的重复劳动，不但大大降低了工作效率，而且很难保证设计的一致性； 另外，在开发早期引入的错误由于缺乏良好的验证手段通常很难发现，不能保证系统设计的正确性，从而导致后期大量的返工和维护成本。 采用基于模型的设计（MBD）思想，可以很好地解决传统的开发流程面临的问题。MBD思想具有如下的特点： 层次化：模型可以采用分层的表示，或采用多个视图从不同的角度来刻画系统。随着开发阶段的深入，不断地对模型进行细化和充实，最大限度地保证模型的复用。从简单的模型过渡到复杂的模型，符合开发流程所需的从系统转移到功能单元，从需求转移到具体实现的特点； 可验证：模型本身是设计的形式化描述，具有无二义的特点。通过运行模型，能够在开发的各个阶段对系统进行评价。特别是，对于开发的不同阶段，对测试也有不同的要求。比如基于需求的测试，侧重于从需求的角度对系统的功能进行测试，一般发生在系统的集成测试和系统验收的阶段。而通过基于模型的设计环境，我们可以在V模式的需求开发和顶层设计阶段展开此项测试工作，为后期系统集成和验收打下坚实的基础。而在系统的详细设计阶段，再对模型进行全面的测试； 支持实现：通过自动转化模型为代码，可以最大限度地避免由于手工转换导致的错误。另外，通过模型可以自动的生成文档，大大地降低了文档准备工作。所生成的代码一方面可以用于建立产品的快速原型，对产品在最终实现之前采用半物理仿真的方式进行全面地功能性能测试；另一方面对应于产品中软件部分的算法模型，也可以生成产品级的代码应用于最终实际的产品中； 可追溯性：由于整个开发流程通过模型整合起来，对于开发过程的更改控制就比较容易。辅之以方便的模型检查和测试手段，保证了开发过程中产品的一致性。由于需求可以关联到模型（设计），而模型关联到生成的代码和文档，这样就保证了设计更改的一致性。1. 解决方案 采用模型对电子系统的顶层设计进行描述，可以使设计开发的成果在不同阶段得到高度复用，实现各阶段的平滑过渡： 保证设计的一致性，避免重复性的劳动，提高工作效率； 帮助工程师摆脱代码编写和底层调试等繁杂琐碎的工作，集中精力关注于系统设计； 在设计过程中持续对设计进行验证，保证设计的正确和可靠。1.1 总体方案 综合电子系统顶层设计和验证的总体流程如下图所示： 综合电子系统的顶层设计与验证的工作流程，可大体分为五个阶段：任务设计与功能分解阶段、人机交互设计设计阶段、系统级设计与验证阶段、接口级设计与验证阶段、总线仿真和验证阶段。在每个设计验证阶段，基于V模式的设计确认与验证贯穿始终。 任务设计与功能分解阶段 在任务设计与功能分解阶段，设计人员主要通过对战场需求的分析，完成战场需求到整机需求的迁移，战场任务到整机任务的迁移，整机需求到综合电子系统需求的分解，获得各种任务剖面。 在此阶段，设计输入是明确的或拟定的战场任务，通过需求管理工具对战场需求进行分类、分级、管理，获得针对电子系统的总体需求。在总体需求下发后，设计人员根据战场任务的想定，进行电子系统的用例设计，通过反复的设计迭代，划分整机任务剖面，并对每个任务剖面涉及的需求进行梳理，保证对战场需求的覆盖。设计人员通过需求管理工具，提交细化的电子系统需求分析产品，并对已提交的需求进行跟踪和验证，通过数据库对需求和任务剖面进行配置管理和变更管理，保证知识的延续性。 人机交互设计阶段 在人机交互设计阶段，设计人员的主要任务是将面向任务剖面的电子系统功能需求转换为虚拟的POP设计界面，快速搭建乘员操作界面原型，与乘员进行需求沟通，使得需求分析的结果得到最终用户的确认。 在此阶段，设计输入是已完成功能分解的各项子任务和车电分系统需求，设计人员根据个各个子任务的具体要求，设计乘员的操作流程和规范，再设计过程中，逐步规划POP界面。随着任务设计的逐步细化，POP界面功能也逐步细化，得到人车交互的设计成果，与最终用户沟通后，根据用户反馈对设计结果进行迭代。POP设计的成果可通过代码生成技术，作为后续全数字仿真验证的数据显示平台和用户输入平台。 系统级设计与验证阶段 在系统级设计阶段，主要工作是针对每一项任务剖面，对系统工作流进行分解，描述系统边界，抽象系统划分，定义系统之间交互的变量。本阶段的主要设计成果为各项任务剖面模型，联合需求分析阶段的POP操作界面模型，并开发通用的飞行动力学模型，开发基于战场任务规划想定的作战任务环境仿真，在全数字的环境下进行仿真验证，根据仿真结果，对任务剖面模型进行设计迭代，确保实现了对应任务剖面的功能需求。 接口级设计与验证阶段 在完成系统级设计并验证通过的基础上，继续对任务剖面模型细化，设计各个电子系统之间的总线类型和总线接口，将系统之间交互的变量分配到各个系统之间的ICD接口上，同时，细化系统模型内部逻辑和算法，完成DD设计。ICD与DD设计也是符合V模式要求的迭代过程：首先根据系统之间变量的种类和数量进行ICD初步设计和分配，ICD初步设计结果和系统功能需求会作为DD详细设计的输入，在DD设计过程中，对不合理或缺失的ICD接口进行反馈，从而更新ICD设计，更新ICD设计后继续到DD设计中验证，重复确认直到设计满足需求。 本阶段设计确认的方法可复用系统级设计验证阶段的全数字仿真环境，联合POP运行界面、通用的飞行动力学仿真和作战任务环境仿真，对ICD和DD的迭代设计结果进行仿真验证，系统模型之间使用符合实际总线定义的通信接口，在高速以太网仿真数据收发和打解包，并通过DD逻辑模型验证与任务剖面功能需求的符合程度。 总线仿真和验证阶段 在完成接口级设计与并验收通过的基础上，利用实时仿真手段，将作战任务环境仿真、飞行动力学仿真、电子系统仿真迁移到主仿真服务器，设计人员使用POP运行界面和仿真监控界面，通过高速以太网控制实时仿真的各模型。同时，系统提供了各种总线仿真器和IO板卡设备，设计人员将电子系统模型之间交互的ICD接口数据分配到各个总线仿真器或IO设备的通道上，实时仿真的模型之间通过真实的物理总线进行数据交互，验证数据传输和模型内部逻辑的正确性。除了对仿真模型进行监控的手段之外，设计人员还可通过专用的总线采集监控设备，直接面向真实的物理总线，对总线上传输的数据进行实时采集、解析、显示、存储、回放等操作，从外部数据接口验证设计与需求的符合性。1.2 主要功能 综合电子系统顶层设计和验证解决方案主要实现了如下功能： 通过条目化的需求管理工具，实现对需求的管理，在设计过程中对需求覆盖程度进行验证； 基于模型对综合电子系统功能和接口进行设计，模型基于系统工程语言SysML搭建，依托于IBMRationalRhapsody开发平台，设计的结果可方便的进行验证； 模型可持续迭代设计，支持多人并行协同开发，通过模型合并的方式对多人设计结果进行集成； 设计过程中，通过与综合模块化集成仿真系统IMSS的集成，将DD设计、POP设计、ICD设计进行有机整合，大幅度提高设计开发效率； 支持文档自动生成，包括ICD文档、DD模型描述文档等； 具备联合仿真验证功能，DD、ICD、POP的设计成果，可通过以太网交互的方式，进行符合ICD数据接口规范的联合仿真验证，对设计结果进行检验。1.3 产品特点 综合电子系统顶层设计和验证方案的基于Harmony的系统工程方法构建，使用Rhapsody工具作为顶层设计开发的平台。 基于Harmony系统工程方法，以需求为基本设计输入，通过黑盒设计和白盒设计，使用用例图、活动图、顺序图等设计方法，实现对系统功能架构的设计和分解，并在设计过程中利用Rhapsody的代码生成技术，在windows平台上进行数字仿真验证。 设计过程中可与ICD设计工具、POP设计工具进行交互，通过数据文件交互的方式，将ICD、DD、POP的设计流程进行整合，保证设计的一致性。 顶层设计结果除了可对详细设计提供输入之外，还可在系统集成阶段的测试过程中复用，与综合电子系统集成测试解决方案之间进行无缝集成。如下图所示，集成测试阶段的仿真系统和输入输出系统，可复用顶层设计阶段和仿真模型和数据接口，为系统功能验证提供支持。应用&案例 中航工业集体某航电专业单位航电系统顶层设计与验证平台 为航电专业单位设计实现的一套用于通用型号航电系统的顶层设计开发和验证平台。此平台由系统设计工具、仿真验证平台、IO接口设备构成，支持航电系统的数字化设计与仿真验证，并提供相关IO接口设备用于半物理验证扩展。系统设计工具主要使用IBMRationalRhapsody，搭建航电系统顶层设计模型，仿真验证平台使用IMSS集成模块化仿真系统，将设计结果进行验证，并通过IO接口设备与机载设备进行连接，进行半物理仿真验证。 某直升机研发单位航电仿真与测试系统 为某型号直升机提供的航电仿真测试系统，在型号研制和集成阶段，满足设备仿真、系统测试、电缆汇接、配线切换等试验需求，与机载航电综合处理机联合试验，为型号研制成功提供保障。此系统主要由航电仿真系统、飞行仿真系统、输入输出接口设备、数据采集监控系统、静态激励系统、电缆汇接和综合配线系统构成，提供组合导航/大气数据系统、机电管理系统、通信导航识别系统、电子自卫系统仿真所需的输入输出硬件接口和实时仿真环境，提供高速数据采集监控系统支持带真件的半物理仿真试验，提供开放的试验网络便于用户进行扩展。相关产品 综合电子系统集成测试解决方案