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基于模型的设计在综合模块化航电系统网络资源分配中的应用分析论文
综合模块化航电系统(Integrated Modules Avionics)是一种新型的航电系统架构，相比较于传统的航电系统架构，它取消了原各成员系统独立的LRU 部件，为各个子航电系统集中提供计算资源、网络资源合接口资源。这样各子航电系统只需要提供相应的传感器(Sensor)、作动器(Effector)及驻留应用(Hosted Application)集成到综合航电系统中即可提供飞机级的功能。资源的集中高效使用可大幅降低飞机体积、重量、成本。在许多新型民用客机(B787、A380)及军用飞机(F35)中已有成功的应用。
民用的综合航电系统通常采用ARINC653 分时分区操作系统作为计算资源平台、ARINC664 改进的确定性以太网作为网络资源平台、提供ARINC429，ARINC825，ARINC 664，模拟量，离散量相互转换的接口单元作为接口资源平台。
由于综合航电系统需要依照外部需求统一分配计算资源、网络资源和接口资源，而在设计阶段，外部的需求常常需要进行调整变更，所以综合航电系统的部件级LRU(计算模块、交换机模块、接口模块)通常采用软件+ 配置文件的架构来平衡软件开发需求要求相对稳定而系统需求常常变化的要求。配置文件通常会包含大量的计算、网络、接口参数且各LRU 间的参数间又有很强的相互耦合依赖关系。配置文件的巨大工作量、资源分配相互的依赖性及开发阶段频繁调整变更的特性推动平台提供者开发一套自动化的工具去完成整个综合航电系统的资源的自动分配及配置文件的自动生成。
基于模型的设计的方法主要是用可扩展标记语言(XML)或图形化建模语言(UML)描述各软硬件部件的特性及架构，依据一定的规则驱动，自动分配资源，计算具体参数，生成于符合操作系统、接口芯片、总线规范的配置文件。
在工程实践中，IMA 综合了大量的软硬件系统，为了生成复杂的配置文件及仿真系统的一些行为，模型数据通常较为复杂。限于篇幅，本文以XML 语言及网络资源分配的最简模型为例，简要介绍基于模型设计的方法及开发流程。
1 定义schema
定义schema 是整个建模的基础。Schema 规定了XML 文件的文档结构、允许存在的元素及属性。为了减少模型数据，只需定义只与配置文件相关的属性。
Schema 分为以下几类：
1)硬件。
2)交换机。
3)软件及消息端口。
2 建模
对各个部件依据schema 的要求，构建部件物理模型及模型间的连接关系。
对驻留应用依据schema 的要求，构建驻留应用的消息端口模型及消息端口间的连接关系，显示系统的软件及驻留在计算模块中的飞行管理系统软件。
3 开发专用工具链
虚拟链路分配器Virtual Link Allocator(VLA)：虚拟链路Virtual Link(VL)是ARINC664 标准中为简化网络模型的描述而抽象出的基本通信信道单元。
VLA 依据消息的发送/ 接收关系，自动绑定消息端口至VL。依据交换机(Switch)的物理拓扑结构，自动分配消息路径(VL Path)
依据消息的大小及发送频率，计算以下VL 的参数：
1)数据帧长度Maximum Transition Unit(MTU)。
2)数据帧最小间距Bandwidth Allocation Gap (BAG)。
3)数据帧抖动 Jitter。
网络地址分配器 Network Address Allocator(NAA)NAA 负责分配各LRU、驻留应用(Hosted Application)的IP 地址，端系统End System(ES)的MAC 地址，ES 层各消息所对应的COM Port ID，UDP 地址模型分析校验器 Modeling Construction Verifier(MCV)MCV 主要用来校验物理模型/ 消息模型的正确性，参数间的依赖关系是否符合需求延时验证器 Latency Verifier(LV)：
LV 主要用于计算消息的理论最大延时，用于系统集成人员分析网络资源分配是否满足各系统的需求。
端系统配置文件生成器 End System ConfigurationGenerator(ESCG)ESCG 依据CV 和LV 校验无误的模型数据，生成符合ARINC664 端系统(ES)规范的配置文件交换机配置文件生成器 Switch Configuration Generator(SCG)SCG 依据CV 和LV 校验无误的模型数据，生成符合ARINC664 交换机(Switch)规范的配置文件。
4 适航考虑
在DO-178C 明确的定义了配置文件的地位，配置文件属于软件的一种，需要依据安全性分析确定配置文件的(ParametricData Item PDI)开发等级。
模型数据属于配置文件的需求，需要追溯到上层的系统需求及软件需求。专用工具需要按照合格审定的开发工具(Qualified Tool)等级开发。
5 结束语
基于模型的设计高效、可靠的解决了IMA 系统集成人员在资源分配需求频繁调整的情况下需要生成大量准确的配置文件这一工程难题。
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