一种基于AADL建模的航电系统架构实时性分析方法

摘要

本发明公开了一种基于AADL建模的航电系统架构实时性分析方法，包含以下步骤：1)、建立AADL航电系统架构模型；2)、在航电系统架构模型上构建实时性分析模型；3)、将系统实时性分析模型转换为时间分析Petri网模型；4)、根据给出的任务起点和终点位置，结合Petri网的路径算法进行实时性分析，将需要分析的任务路径中组件的时间属性累加得到实时性分析结果。本发明可应用于航电系统架构设计中的特性仿真评估，能有效降低架构设计时特性分析评估的耗费和周期。

说明书

技术领域

本方法涉及军用飞机航空电子系统架构设计中的特性研究评估，属于架构 总体设计、实时性特性评估技术范畴。

背景技术

随着飞机任务能力的增长、飞机系统的多电化和航空电子软、硬件技术的 发展，飞机航电系统的新功能被不断开发出来。这些功能在增加新性能的同时 也增加了系统的复杂程度。为了满足不断增加的需求，同时解决系统的扩展性、 可信性和复杂性等问题,航空电子界已经在分离式系统、联合式系统的基础上发 展了综合模块化航空电子系统(IMA)和分布式综合模块化航空电子系统(DIMA)。 IMA是指一组由标准格式处理模块和标准格式连接器构成的系统结构，是一个由 实时计算机网络组成的机载系统，该网络由许多支持不同用途和重要性的计算 模块组成。IMA结构是建立于多个航电系统之间计算、通信和I/O资源共享概念 的基础上，它提供了更加有效的解决方案，即通过共享资源将资源浪费降到最 低。多个系统可以在分区的平台资源上被构建和覆盖，以形成高度综合的系统。 一个IMA平台为多个航空电子系统提供了可共享的计算、通信和I/O服务。DIMA 是IMA系统的重要改进，是一种由安全关键通信系统所连接的分布式航电系统， 结合了联合式系统和IMA系统的结构设计特点与优势，具有可组合性好、可变规 模性与可扩展性强、低复杂性与高可信性、分布式系统分区与重构、功能抽象 分层与通用标准接口和全局统一基准时钟等重要系统结构特征。DIMA能降低系 统复杂程度、减少体积重量与功耗、便于独立开发、简化系统验证，具有更大 的系统灵活性和增强的可维护性，是未来航空电子系统的重要发展方向。DIMA 属于复杂嵌入式实时系统,具有资源受限、实时响应、容错、专用硬件等特点， 对实时性、可靠性等性质有较高的要求，是性能关键系统。由于计算精度、实 时响应的要求，这类系统变得越来越复杂，如何设计与实现高质量的复杂嵌入 式实时系统，并有效控制开发时间与成本，是学术界和工业界共同面临的难题。

实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出 响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量的。 未来作战环境向着更加敏捷、更加高速的方向发展，这就要求航电系统能够实 现“先敌发现，先敌攻击”等作战要求。反映在航电系统设计中就要求其能够 在极短时间内完成探测、处理和攻击等功能，亦即对航电系统实时性的设计需 求。传统航电系统特性分析评估都需要在原理样机上进行，耗费了大量资源。 利用AADL建模语言进行航电系统架构建模，可以实现航电系统架构实时性特性 的数字化仿真分析，具有低成本、易实现、可修正等特点，受到许多研究者的 重视。

体系结构分析与设计语言AADL(ArchitectureAnalysis&Design Language)是由美国汽车工程师协会SAE(SocietyofAutomotiveEngineers) 所提出的，是提供一种标准而又足够精确的方式，设计与分析嵌入式实时系统 的软、硬件体系结构及功能与非功能特性，采用单一模型支持多种分析的方式， 将系统设计、分析、验证、自动代码生成等关键环节融合于统一框架之下。由 于具有广阔的应用前景，AADL得到了欧美工业界，特别是航空航天领域的支持。

AADL通过构件(component)及其连接(connection)等概念描述系统的软、 硬件体系结构；通过特征(feature)、属性(property)描述系统功能与非功 能属性；通过模式变换(modechange)描述运行时体系结构演化。AADL还可以 定义用户属性且支持可扩展附件。AADL提供了三种建模方式：文本、XML以及图 形化。

AADL主要描述系统的实用性、实时性、安全性、可靠性以及系统吞吐量等 要求。这样的描述能力是系统分析工具的保障。AADL用构件描述模型，构件类 型包括数据、子程序、线程、线程组、进程、内存、处理器、设备和统筹。AADL 可描述构件的功能性接口(如数据的输入/输出)，也可以描述性能方面的内容 (如时间要求)；构件之间的关系通过性质引用和子构件的方式确定；构件性 质描述模型属性；通信关系通过端口特征和连接表达；模式和模式转换功能则 实现了运行时系统的动态行为绑定。

AADL建模是一种逐步精化的建模方法。AADL不仅可以在不同的阶段进行建 模，而且可以从不同的层次进行建模：顶层设计主要描述系统的各个模块及模 块间的关系；底层设计主要描述模块的软硬件组成、软硬件与模块、软硬件与 软硬件之间的关系。本发明在AADL模型的基础上，为AADL各关键构件注入时间 属性，并转换为时间Petri网分析模型，利用实时性特性分析算法，分析评估航 电架构实时性。

发明内容

本发明的目的是提出一种航电系统架构实时性特性分析评估方法，采用 AADL建模语言，建立航电物理架构AADL模型，采用时间Petri网分析方法， 评估航电系统架构时间特性，突破航电系统架构特性数字化仿真验证的技术瓶 颈，该技术可应用于航电系统架构设计中的特性仿真评估，能有效降低架构设 计时特性分析评估的耗费和周期。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于AADL建模的航电系统架构实时性分析方法，包含以下步骤：

步骤1)、采用AADL建模语言，建立AADL航电系统架构模型；

步骤2)、在航电系统架构模型上构建实时性分析模型，主要包含以下步骤：

步骤201)、分析任务流程；

步骤202)、分析任务流程中需要用到的构件及连接件时间特性，通过AADL 模型添加的方式将时间特性参数加入到构件属性中，形成基于AADL的系统实 时性分析模型；

步骤3)、将系统实时性分析模型转换为时间分析Petri网模型，主要包含以 下步骤：

步骤301)、确定转换规则，将系统实时性分析模型中的构件转换为时间分 析Petri网模型的位置，将系统实时性分析模型中的带outdate的构件转换为时间 分析Petri网模型的带token的位置，将系统实时性分析模型中的连接构件转换 为时间分析Petri网模型的迁移，将系统实时性分析模型中的AADL的connection 组件转换为时间分析Petri网模型的连接位置和迁移的弧；

步骤302)、根据确定的转换规则把系统实时性分析模型进行转化，转化成 Petri网模型；

步骤4)、根据给出的任务起点和终点位置，结合Petri网的路径算法进行实 时性分析，将需要分析的任务路径中组件的时间属性累加得到实时性分析结果。

依据上述特征，所述步骤1)包含以下步骤：

步骤101)、根据系统概要设计和系统详细设计文档，获得航电系统架构拓 扑以及组成要素，明确航电系统架构，顶层设计主要是描述航电系统的各个区 域/子系统/模块间的关系；底层设计主要描述模块的软硬件组成、软硬件与模块、 软硬件与软硬件之间的关系；

步骤102)、在航电系统架构组成关系明确的基础上，采用AADL语言进行 架构建模，将架构中各分系统及组件与AADL构件相对应，建立AADL架构模 型。

依据上述特征，所述通过AADL模型添加的方式将时间特性参数加入到构 件属性中的步骤为：

步骤A、对执行构件添加时间特性参数，所述执行构件包括processor构件、 bus构件和device构件；

步骤B、对软件构件添加时间特性参数，所述软件构件包括process构件、 thread构件、subprogram构件，在对综合任务处理区进行AADL建模时，将其 中的分区应用对应成AADL中的process构件，各分区内部处理程序对应thread 构件；

其中，对thread构件添加属性时，需要在Thread-RelatedProperties属性集 中对应添加，时间相关属性则在TimingProperties属性集中对应添加。

根据本发明提供的架构实时性分析方法，在进行航电系统架构设计时，系 统设计人员可以低成本、高效率地进行架构特性分析评估。该方法可以根据架 构设计构成建立AADL模型，对模型构件进行时间特性注入，自动完成到Petri 网模型的转换，最终基于时间Petri网模型完成对航电架构的实时性分析评估

附图说明

图1为本发明一种基于AADL建模的航电系统架构实时性分析方法的流程 图；

图2为本发明中AADL航电系统架构模型示意图；

图3为本发明中加入processor构件属性的程序代码图；

图4为本发明中软件构件中时间参数特性注入的程序代码图；

图5为本发明中功能区内各分区之间逻辑连接；

图6为本发明中实时性分析评估结果图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明采用AADL建模语言，建立航电物理架构AADL模型， 采用时间Petri网分析方法，评估航电系统架构时间特性，突破航电系统架构特 性数字化仿真验证的技术瓶颈，该技术可应用于航电系统架构设计中的特性仿 真评估，能有效降低架构设计时特性分析评估的耗费和周期。主要包括以下步 骤：

步骤1、采用AADL建模语言，建立航电系统架构AADL模型，具体包含 以下步骤：

步骤101：明确航电系统架构组成关系

根据系统概要设计和系统详细设计文档，获得航电系统架构拓扑以及组成 要素，明确系统构成，顶层设计主要是描述航电系统的各个区域/子系统/模块间 的关系，这里研究的子系统包括：座舱、综合任务处理机、飞行管理系统和悬 挂物管理模块等，如图2所示；底层设计主要描述模块的软硬件组成、软硬件 与模块、软硬件与软硬件之间的关系。硬件部分主要包含外围仿真器以及各子 系统模块，以综合任务处理机为例，其硬件主要包括通用处理模块、大容量存 储模块以及交换机模块等；软件主要包括VxWorks653操作系统、综合任务处理 系统(ICP)、火控解算(FC)、传感器管理(ASM)等软件。

步骤102：进行AADL航电系统架构建模

在航电系统架构组成关系明确的基础上，采用AADL语言进行航电系统架 构建模。这里我们选取综合任务处理机区域作为主要研究对象，其中综合任务 处理机区域内包含四个处理模块，并且每个处理模块中包含四个CPU，各CPU 通过总线连接。将架构中各分系统及组件与AADL构件相对应，建立航电系统 AADL架构模型，其中功能区内AADL架构模型见附图5。在对每个CPU进行 建模时，按照ARINC653软件架构进行建模，底层为处理单元，向上分别包括 核心操作系统层、分区操作系统层以及驻留的应用。在两个模块中分别驻留SMS (悬挂物管理)、TDP(综合目标处理)、FC、ASM、UAVM(无人机管理)以 及HUM(健康监控)应用。为了满足后续DIMA动态重构技术的研究，在每个 CPU中都预留了CPURC(CPU重构应用)。

建模的过程是对航电系统架构进行模型抽象，通过AADL建模工具OSATE 进行设计，该工具能够集成后续的实时性分析软件，完成从建模到特性分析的 全过程。

步骤2、架构实时性分析模型的建立

根据系统体系结构设计模型，得到基于AADL系统架构模型，该模型描述 了系统构件的动态交互行为，接下来要在此模型基础上构建实时性分析模型。

步骤201：确定典型任务流程

首先分析典型任务流程，为构件分析加入时间特性。典型任务流程为攻击 任务，包括从传感器探测、传输、处理、火控计算到武器发射的整个流程。

步骤202：分析添加各构件和连接件时间特性

分析任务流程中需要用到的构件及连接件时间特性，通过AADL模型添加 的方式加入到构件属性中，形成基于AADL的系统实时性分析模型。针对AADL 建模语言，该实时性分析的时间特性参数加入到AADL模型的组件中。来自操 作剖面或构件交互统计的信息可以提供构件转移概率。添加时间参数的过程也 是修改AADL元模型的过程，通过实时性参数注入插件将时间参数注入到模型 中，并自动生成模型代码，为后续实时性分析做准备。

在模型中注入时间参数时，对于不同的AADL构件，注入时间参数的变量 不同。下面分别就执行构件和软件构件时间参数注入分别说明。

在AADL模型中，执行构件包括处理器(processor)、总线(bus)和设备 (device)等。这些构件的参数注入位于Predeclared_Deployment_Properties属性 集当中。架构一的AADL模型中，DPU、OC、RDC和MMR用processor构件 来对应。因此，这些系统或模块的时间属性需要在processor构件的时间特性集 中添加。为了分析火控攻击任务的时间特性，在模型中需要对processor构件添 加的属性如附表1所示，表中给出了部分属性字段及相应含义。

属性字段 释义 示例 Allowed_Dispatch_Protocol Processor中Thread分派协议 Periodic Allowed_Period Processor周期任务允许执行周期 (20ms...40ms) Scheduling_Protocol Processor中调度策略 (RMS,EDF) Preemptive_Scheduler Thread抢占调度与否 true，false

表1

在模型中对processor构件加入相关属性后，体现在模型代码中如附图3所 示。

AADL模型中，软件构件包括进程(process)、线程(thread)、子程序 (subprogram)等。软件构件相关特性的属性在Pedeclared_Thread_Properties或 Predeclared_Timing_Properties等属性集中体现。在对综合任务处理区进行AADL 建模时，将其中的分区应用对应成AADL中的process构件，各分区内部处理程 序对应thread构件，而对于VxWorks653结构中的CoreOS和PartitionOS，将其 对应驻留在processor和memory构件中。对模型中thread构件添加属性时，需 要在附表2中的Thread-RelatedProperties属性集中对应添加。而时间相关属性 则需要在附表3中的TimingProperties属性集中对应添加。

属性字段 释义 示例 Priority 线程优先级 Priority＝>3 Time_Slot 时间片 Time_Slot＝>(5) Resumption_Policy 恢复策略 Restart Active_Thread_Handling_Protocol 模式转换控制执行协议 Complete_one

表2

表3

在模型中对相应软件构件添加时间参数特性后，体现在模型代码中如附图4 所示。

步骤3、架构实时性分析模型到时间分析Petri网模型的转换

系统架构AADL模型是一种静态描述系统组成的方法，在复杂实时性嵌入 式系统中的基于模型分析和规范中非常有效。然而，由于其静态特性，在分析 系统架构实时性的时候，需要借助外部工具将各构件和连接按照控制流或信息 流连接起来。这也是选取Petri网模型分析架构实时性的一个重要原因。

Petri网是一种网状信息流模型，它不仅能用图形符号表示事件的原因和结 果之间的关系，而且能够表示系统的动态行为，为复杂系统的集成化建模、分 析和评估提供了良好的环境。Petri网的结构元素包括位置(Place)、变迁 (Transition)和弧(Arc)，分别由圆圈、粗短线及圆圈中的黑点表示。位置用 于描述可能的系统局部状态条件或状况，变迁用于描述修改系统状态的事件， 弧规定了局部状态和事件之间的关系。事件引发局部状态的转换。每一条弧有 一个对应的权值，称为弧权(Weight)。在Petri网模型中，标记(Token)包含 在位置中。随着事件的发生，标记可以按照弧的方向流动到不同的位置，从而 动态的描述了系统的不同状态。一个Petri网模型的动态行为是由它的实施规则 (Firingrule)规定的。如果一个变迁所有的输入位置至少包含一个标记，那么 这个变迁可以实施(相联系的事件可能发生)。对这种情况这个变迁成为可实施。 一个可实施变迁的实施导致从它所有输入位置中都清除一个标记，在它的每一 个输出位置中产生一个标记。Petri网以研究系统模型的组织结构和动态行为为 目标，着眼于系统中可能发生的各种状态变化以及变化之间的关系，已成为性 能评价领域一种有力的系统建模和分析工具。它既有助于定性理解被建模系统 的动态行为，也能定量计算各种性能指标，为系统结构和参数的选择提供依据。

在做实时性分析之前，需要将架构实时性分析AADL模型通过相应规则转 换成时间分析Petri网模型，其基本的分析步骤如下：

步骤301：确定转换规则

根据AADL的实时性模型，通过转换生成实时性分析所使用的相关模型， 转换方法主要包括马尔可夫链、CDG图、构件迁移图和构件操作剖面模型和Petri 网等本发明使用Petri网作为实时性分析体系结构模型。为了保证转换的一一对 应关系及完备性，分析AADL系统架构模型和Petri网元素的特点，提出一套基 于AADL架构模型到Petri网的转换规则。规则见附表4。

表4

步骤302：完成AADL模型到Petri网的转换

根据表中的规则把AADL系统架构模型进行转化，转化成体SAPetri网模 型；在实时性分析中，构件中的时间特性将转化成位置元素和迁移元素中的时 间特性，在评估模型中将利用转化得到的Petri网元素中的时间特性进行计算分 析。

步骤4、航电系统架构实时性计算评估

根据任务的起始节点结合任务的Petri网路径进行任务实时性计算。这里的 实时性算法是成熟的时间Petri网分析方法，可通过开发的软件自动得出实时性 分析评估结果。通过实例应用获得的实时性分析结果与现有系统时间特性测试 结果进行对比，可以反馈设计当前提出的航电系统架构，是非常理想的迭代设 计方法。

根据得到的有时间约束的SAPetri网模型，分析航电系统典型任务流程，选 取攻击任务作为对象，分析从探测、传输、处理到最终武器发射整个作战流程 的时间特性。其中功能区内各分区之间逻辑连接如附图5所示。

其中给出了综合任务处理区内各分区之间的交连关系，以及在执行典型任 务时分区执行的先后顺序。图中包含六个分区，分别分布在不同模块里。外围 设备包括传感器、座舱、无人机地面站、视景仿真等。根据任务流程以及事件 流转顺序，为图中各连接关系按顺序作标记，分区内交连用红色虚线代表，外 部交连用实线表示。

根据给出的任务起点和终点位置，结合Petri网的路径算法进行实时性分析， 计算公式如下：

$T_P=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{T}_{c_i}$

将需要分析的任务路径中组件的时间属性累加可得到实时性分析结果，其 中代表构件i的时间属性。

分析评估结果如附图6所示。通过观察实时性分析评估结果，结合设置的 各构件以及构件间连接的时间参数，可以对比当前架构设计是否能够满足设计 初所要求的时间指标，进而能够从实时性的角度修改和改进架构设计。