高度綜合化航電系統對象管理模型設計與應用*

馬智驄,姜春強

(1.中國西南電子技術研究所,成都610036;2.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局,成都610036)

高度綜合化航電系統對象管理模型設計與應用*

馬智驄**1,姜春強2

(1.中國西南電子技術研究所,成都610036;2.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局,成都610036)

針對航空電子信息系統對象建模過程存在效率低下的問題,結合高度綜合化航電系統特點,采用面向對象設計思想及建模方法,分析了航電系統對象組成及相互關系,研究了系統基類設計構型,并在此基礎上提出了基于虛擬表單的高度綜合化航電系統對象管理模型。該模型的應用為航電系統設計研制提供了靈活、動態的管理手段,在輔助開發設計人員對系統進行面向對象建模的同時,顯著提高了系統研發管理效率。

綜合化航電系統;研發管理;面向對象設計;虛擬表單

1 引 言

作為現代航空器的“大腦”和“神經”,航電系統已由最初的分立式、聯合式發展到綜合化、高度綜合化階段。高度綜合化航空電子結構以基于“寶石臺”的聯合攻擊戰斗機(Joint Strike Fighter,JSF)航電系統為代表,是為適應未來戰斗機戰技指標而研制的高度綜合化航空電子體系結構。許多雷達、通信、電子戰功能從硬件的配置中消失,這些功能的獲取完全通過軟件實現[1]。航電系統的先進程度已經成為現代軍機執行作戰任務能力的主要標志,也是航空器安全性、經濟性和舒適性的重要保障[2]。

面向對象是當今主流的軟件設計方法,在信息化技術高速發展的今天,面向對象設計方法已不再局限于程序設計和軟件開發,對于信息系統建模分析、人機交互界面設計、數據庫設計等領域已有相關應用[3]。針對系統組成及其相互關系進行統一管理是對象管理的主要內容。本文旨在通過研究分析高度綜合化航電系統組成對象關系,基于面向對象分析建模,提出高度綜合化航電系統對象管理模型,用于支撐高度綜合化航電系統對象分析,提供信息化對象管理手段,提高研發過程管理效率。

2 高度綜合化航電系統對象建模分析

2.1 高度綜合化航電系統對象建模過程及特點

航電系統對象建模過程是需求研究工作的重要組成,也是分析論證系統方案及戰技指標、功能性能指標的重要手段。航電系統對象建模的主要過程如圖1所示。

圖1　航電系統對象建模過程Fig.1 Process of avionics system object modelling

當前,高度綜合化航電系統對象建模過程包含以下特點:系統綜合化程度高,需求不確定性因素大;系統交互程度深,對象建模交聯關系復雜;建模立體化程度低,快速反應機制少。

在當前航電系統對象建模過程中,對象關系模型一般遵循功能流程劃分原則,按功能子系統邊界及功能流程對系統組成進行劃分和建模,對于系統組成及相互關系缺乏更為立體和抽象的描述定義,對象間相互關系缺少動態映射,難以滿足需求研究和系統設計階段的快速響應和動態建模的要求。

高度綜合化航電系統往往具有技術高新程度高、系統綜合化程度深、生產關系復雜、管理頭緒多等特點,如何創造性地運用新技術、新流程、新模型,探索實踐適應綜合化航電系統研制的對象管理方法已成為業界研究重點[4-5]。

2.2 高度綜合化航電系統組成的面向對象分析

面向對象設計原則(Object-Oriented-Principles)的主要思想是以數據為中心的劃分準則取代以功能為中心的劃分準則,將實體對象抽象為對象類,用類的屬性和方法對其進行描述,由類與類之間的相互關系來定義對象提供的功能。遵循面向對象設計方法繼承性、封裝性、多態性三大原則,以一個典型的高度綜合化航電系統任務傳感器系統為例,對其進行面向對象分析,可提出如下面向對象分析建模思路:

(1)封裝性 各功能傳感器的戰技術指標、功能性能指標等屬性(包含功率大小、探測距離、靈敏度、重量、體積等所有屬性)、傳感器功能或操作的實現途徑封裝在傳感器類定義中,對外隱藏其實現過程。

(2)繼承性 提取出各傳感器共同的操作或活動(如上電下電、協同探測、初始化等),并將這些操作定義在傳感器基類里,建立統一的對外接口。

(3)多態性 傳感器基類中定義相同操作,在不同功能傳感器中以不同的途徑加以實現(如雷達系統初始化與光電系統初始化過程不盡相同),從而達到各傳感器擁有統一操作接口但可擁有不同的實現形式。

在面向對象設計過程中,上述三原則相輔相成、互相促進,目的是為了以更直觀、更加符合客觀世界角度的方式對系統進行描述和定義。

3 高度綜合化航電系統對象管理模型

3.1 高度綜合化航電系統基類組成

面向對象設計方法中,基類是對系統頂層對象的抽象和定義,相同種類的對象均可繼承至同一個基類,通過定義基類及它們間的相互關系,可對一個復雜系統進行原始建模。以一個典型的高度綜合化航電系統中的功能子系統為例,可對其中的對象分成獨立設備、綜合設備和軟件3類。功能子系統的組成對象可由這3類基類繼承而來,系統基類模型組成如圖2所示。

圖2　功能子系統基類模型組成圖Fig.2 Composition of base class model of functional subsystem

3.2 基于虛擬表單的高度綜合化航電系統對象管理模型設計

為了更為準確地描述高度綜合化航電系統的對象組成,提高系統研發管理工作效率,提升管理質量,有必要按照上述基類劃分原則,設計對象管理模型。關系數據庫是信息系統中數據存儲管理的重要手段,也是建模結果在真實系統中的具體體現。為此,可用關系表的方式進行航電系統對象建模設計,將系統組成及其描述元素用結構化的數據庫表進行描述,提升對象管理能力。

高度綜合化航電系統的功能組成豐富、復雜,呈現出的功能、性能指標種類繁多,描述系統硬件組成的尺寸、能耗、外觀風格等描述元素也不盡相同,如果按照傳統數據庫表結構進行建模,難以窮盡上述所有指標,也無法在需要時動態添加所需指標定義,因此,構建高度綜合化航電系統對象管理模型需要解決的關鍵之一就是要解決組成對象及其元素無法動態管理的問題。

數據庫關系表的行可以動態增刪,不同關系表可通過外鍵的形式完成行與行之間的關聯。據此,可將航電系統中對象的定義及其描述元素通過表間關系進行構建,以虛擬表單的形式實現對象的定義,通過行的增刪來實現航電系統對象的管理?；谔摂M表單的高度綜合化航電系統對象管理模型由7個關系表組成。

(1)功能子系統定義表

對航電系統中的功能子系統進行描述,包括功能子系統名稱、集成商、實現功能,其結構如表1所示。

表1　功能子系統定義表Tab.1 Functional subsystem definition table

表2　硬件定義表Tab.2 Hardware definition table

(3)指標定義表

對功能子系統、硬件的功能指標、性能指標、結構指標、電氣指標等所有指標進行描述,是虛擬表單指標定義的核心組成,其結構如表3所示。

表3　指標定義表Tab.3 Index definition table

(4)指標關系映射表

記錄指標與功能、硬件間的映射關系,是指標與功能、硬件多對多關系的連接紐帶,其結構如表4所示。

表4　指標關系映射表Tab.4 Index relationship mapping table

其中,硬件ID允許為空,且硬件ID為空時,該行記錄僅表示功能子系統與指標的映射關系。

(5)指標數值記錄表

記錄子系統或硬件的具體指標值,通過子系統或硬件與指標的共同關聯記錄當前數值,其結構如表5所示。

表5　指標數值記錄表Tab.5 Index value record table

其中,硬件ID允許為空,且硬件ID為空時,該行記錄僅表示功能子系統的指標值。

(6)軟件定義表

對系統基礎軟件及功能軟件進行描述,包括軟件ID、軟件名稱、軟件類別、軟件功能、承研商、代碼行數等,其結構如表6所示。

表6　軟件定義表Tab.6 Software definition table

(7)軟件部署映射表

記錄軟件在硬件的部署情況,表是軟件與硬件多對多部署的實現紐帶,其結構如表7所示。

表7 軟件部署映射表Tab.7 Software deployment mapping table

通過上述7張關系表及它們的相互關聯,可構造出基于虛擬表單的高度綜合化航電系統對象管理模型,通過對組成虛擬表單的各關系表的操作,可以取得具體值不同但屬性相同的元素集合,用以對航電系統對象進行描述,且這些元素可根據需要動態增刪?；谔摂M表單的航電系統對象管理模型如圖3所示。

圖3　基于虛擬表單的航電系統對象管理模型Fig.3 Avioncis system object management model based on simulated table

3.3 基于虛擬表單的高度綜合化航電系統對象管理模型應用

在航電系統最初的需求研究工作中,系統的組成架構、軟硬件詳細組成及部署情況往往尚未清晰,為此,可保留虛擬表單中的子系統定義部分,對于硬件定義和軟件定義可暫不新增表單的行記錄,待需求研究結束,開始系統設計并明確軟件組成后,再定義該部分。需求研究階段,對象管理模型如圖4所示。其中,ID為“102”的“XX功能子系統”所需的指標及現階段的具體指標要求可通過上述表進行定義和描述,如需新增功能子系統或指標時,在相應表單增加行記錄即可實現。

圖4　需求研究階段管理模型Fig.4 Object management model for requirement research stage

在需求階段完成研究后,可繼續應用該管理模型對系統設計、研制階段的軟硬件對象進行建模和管理,系統組成硬件、軟件可通過相應表單進行定義。系統設計及研制階段對象管理模型如圖5所示。其中,ID為“401”的“IO軟件”可通過“4001”映射關系與“301”的硬件模塊“接口模塊”建立部署關系,以此建立系統部署結構。

圖5　系統設計及研制階段對象管理模型Fig.5 Object management model for system design and development stage

相比于傳統的對象管理手段,基于虛擬表單的對象模型提供了更為靈活的管理手段,兩種對象管理手段對比情況如表8所示。從表中對比分析可以看出,基于虛擬表單的管理模型在航電系統動態化、立體化對象建模方面具有明顯優勢,例如:當用戶需求、系統組成、指標特征等內容發生變化時,僅需修改對應定義表單,不用對系統設計全過程進行改動。此外,該模型提供了立體化的管理方式,描述了功能子系統-硬件-軟件-指標立體層面的建模方式,覆蓋了系統頂層到底層的設計管理方式,便于系統研發分工協作,提高系統研發管理效率。

表8　對象管理手段對比分析表Tab.8 Comparison between two object management methods

4 結束語

本文分析了高度綜合化航電系統對象建模過程和特點,在進行面向對象分類劃分的基礎上,提出了航電系統組成基類。同時,結合高度綜合化航電系統軟硬件組成及其相互關系特征,設計了基于虛擬表單的高度綜合化航電系統對象管理模型,為航電系統需求、設計、研制階段提供了一種靈活動態的對象管理手段。

本文提出的基于虛擬表單的綜合化航電系統對象建模管理模型,其設計突出了“高內聚、低耦合”的面向對象設計思路,滿足了高度綜合化航電系統對象管理的動態化、立體化需求,可在航電系統研制各階段得到應用。該模型的實際應用,可為高度綜合化航電系統對象組成及相互關系的管理提供高效、靈活的管控手段和數據分析基礎,并為系統設計提供清晰的架構組成支撐。

[1] 王國慶,谷青范,王淼,等.新一代綜合化航空電子系統構架技術研究[J].航空學報,2014,35(6):1473-1486. WANG Guoqing,GU Qingfan,WANG Miao,et al.Research on the architecture technology for new generation integrated avionics system[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2014,35(6):1473-1486.(in Chinese)

[2] 牛文生.綜合化模塊化航空電子系統分布式平臺[M].北京:航空工業出版社,2015:55-59. NIU Wensheng.A distributed platform for integrated modular avionics[M].Beijing:Aviation Industry Press,2015: 55-59.(in Chinese)

[3] 李紅梅,鄭建昌,鄭小昌.基于面向對象的飛機設計應用系統設計與開發[J].計算機與現代化,2012,206 (10):216-219.LI Hongmei,ZHENG Jianchang,ZHENG Xiaochang.Design and development of aircraft design application systems based on object-oriented[J].Computer and Modernization,2012,206(10):216-219.(in Chinese)

[4] 林山,李越雷,陳穎.基于元模型的復雜航電系統建模[J].電訊技術,2011,51(7):14-16.LIN Shan,LI Yuelei,CHEN Ying.Metamodel-based modeling methodology for complex avionics electronic system[J].Telecommunication Engineering,2011,51(7): 14-16.(in Chinese)

[5] 劉興堂,梁炳成,劉力.復雜系統建模理論、方法與技術[M].北京:科學出版社,2008.LIU Xingtang,LIANG Bingcheng,LIU Li.Complexity system modeling:theory,method and technology[M].Beijing:Science Press,2008.(in Chinese)

馬智驄(1983—),男,四川瀘州人,2009年于重慶大學獲碩士學位,現為工程師,主要研究方向為航空電子信息系統、工程管理、計算機軟件工程等;

MA Zhicong was born in Luzhou,Sichuan Province,in 1983.He received the M.S.degree from Chongqing University in 2009.He is now an engineer.His research concerns avionics information system,engineer management and computer software engineering.

Email:49601434@qq.com

姜春強(1977—),男,山東威海人,2010年獲工程碩士學位,主要從事無線通信系統的研究工作。

JIANG Chunqiang was born in Weihai,Shandong Province, in 1977.He received the M.S.degress in 2010.His research concerns wireless communications.

Design and Implementation of an Object Management Model for Highly Integrated Avionics Systems

MA Zhicong1,JIANG Chunqiang2
(1.Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China;
2.Military Representative Bureau of Naval Equipment Department in Chongqing Area,Chengdu 610036,China)

To improve the efficiency of traditional avionics system modeling method and according to the characteristics of highly integrated avionics systems,this paper uses object-oriented principles and modeling method to analyze the composition and relationship of avionics systems,and presents the base class configuration.On this base,it proposes a highly integrated avionics system object management model based on simulated table.This model provides a flexible and dynamic object management way for system design and improves the efficiency of system research and development management.

integrated avionics;research and development management;object-oriented design;simulated table

The National Key Basic Research Program(973 Program)of China

**通信作者:49601434@qq.com 49601434@qq.com

V243.1

A

1001-893X(2016)11-1288-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.11.019

2016-08-05;

2016-10-19

date:2016-08-05;Revised date:2016-10-19

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目

引用格式:馬智驄,姜春強.高度綜合化航電系統對象管理模型設計與應用[J].電訊技術,2016,56(11):1288-1292.[MA Zhicong,JIANG Chunqiang.Design and implementation of an object management model for highly integrated avionics systems[J].Telecommunication Engineering,2016,56(11):1288-1292.]