双余度管理软件设计探讨 本文关键词：管理软件，探讨，设计，双余度
双余度管理软件设计探讨 本文简介：摘要:研究了一种基于SysML建模语言的双余度飞控系统软件的设计方法。分析了双余度飞控计算机的硬件结构，利用SCADE建模工具建立软件的系统架构模型，通过SysML的内部块图构建双余度管理模型。以某双余度飞控系统为例，利用SCADE提供的仿真工具对双余度管理模型进行仿真验证，结果表明所提出的设计方法
双余度管理软件设计探讨 本文内容：
摘要:研究了一种基于SysML建模语言的双余度飞控系统软件的设计方法。分析了双余度飞控计算机的硬件结构，利用SCADE建模工具建立软件的系统架构模型，通过SysML的内部块图构建双余度管理模型。以某双余度飞控系统为例，利用SCADE提供的仿真工具对双余度管理模型进行仿真验证，结果表明所提出的设计方法可行有效。
关键词:SysML;余度管理;飞控系统
在现代航空飞行控制系统中，对系统的稳定性、安全性要求越来越严格。为了提高系统可靠性，飞行控制计算机大多采用余度技术，其原理是通过增加系统硬件或软件资源，提高系统的可靠性与安全性［1］。余度算法的核心是通过对大量的冗余资源进行实时监控、故障隔离和资源重构，使系统始终处于正常工作状态。目前多余度飞控计算机系统软件由C语言实现，在半物理仿真平台中测试验证，通过基于文档的方法进行技术状态管理。此类方法开发算法编程难度大，测试验证严重依赖硬件条件，基于文档的管理变更维护成本高，使得余度软件开发全面受制于外界环境，影响开发进度，软件开发人员陷入系统维护困难，影响软件质量。为此本文通过SysML建模语言和SCADE开发工具实现基于模型的飞控计算机系统的开发。以典型的双余度飞控计算机系统结构以及余度管理算法为例给出设计方法，并仿真验证可行性。
1建模语言和建模工具
1．1建模语言
常用的系统建模语言有SysML、MAＲTE、UML、IDEFx等，其中SysML(SystemsModelingLanguage)是国际系统工程学会INCODSE和对象管理组织OMG，在对UML2．0子集重用和扩展的基础上，推出的一种面向对象的图形化设计建模语言［2］。SysML是一种应用广泛，表意丰富的图形建模语言，使得系统设计的结构、行为、需求和参数可视化，极大地方便了开发人员的沟通。SysML包括9种图符，其中活动图、序列图、状态机图和用例图用于描述系统行为，统称为行为图，模块定义图、内部模块图和包图用于描述系统结构，统称为结构图，需求图用于表示基于文字的需求以及需求间的关系，参数图用于对内部模块图的约束条件补充说明［3］。本文利用结构图对系统建立模型，并进行仿真验证。
1．2建模工具
常用的建模工具有SCADE、Ｒhapsody、Agilian等。其中SCADE采用correctbyconstruction的概念，从需求分析到代码生成覆盖嵌入式软件开发的整个流程［4］。SCADE提供了数据流图和安全状态机两套无歧义的图形化建模机制，数据流图适用于连续系统的建模，安全状态机适用于离散系统建模，能够满足不同类型的系统开发。SCADE代码生成器KCG通过了DO－178B国际标准A级质量认证，保证了生成代码的正确性［5］。
2双余度飞控计算机系统架构
2．1硬件结构
双余度［6－7］飞控计算机由两个通道组成，每个通道包含总线接口模块(BIM)和中央处理模块(CPM)，CPM模块和BIM模块通过AＲINC659背板总线实现数据交换，如图1所示。其中双通道BIM模块同时通过外部总线与伺服作动器(ACE)、惯导(INS)、高度表(ALTＲ)、大气机(ADS)等通信，CPM模块接收来自BIM模块的数据，完成同步、余度管理和控制率计算等工作。
2．2系统软件架构
本文根据飞控计算机结构图，在SCASE中利用内部模块图(IBD)建立系统软件架构，如图2所示。飞控系统软件由驱动(driver)、同步(syn)、余度管理(re-dundancyManage)、飞行控制(flightCtrl)和故障记录(errＲecord)5个内部块图组成，其运行在CPM模块之上。其中驱动、同步和故障处理与硬件相关，是由C语言实现并导入SCADE的内部块，余度管理与飞行控制是直接由SysML语言建立的内部块，内部块图之间的数据交换由流端口和连接器完成。驱动程序按接口描述文件解析来自双余度BIM模块的数据。同步内部块利用外部同步总线实现双机同步，并将同步成功信号发送至余度管理内部块。余度管理内部块在获取同步成功信号后，接收来自驱动程序和飞行控制内部块的双余度数据，以余度管理表数据流的形式，输出经过监控表决的数据及故障状态。故障记录内部块记录余度管理产生的故障信息，用于故障分析。飞行控制内部块接收来自余度管理内部块的数据，经过控制率计算后输出控制参数。其中余度管理内部块为本文重点，其又分为创建管理表和余度控制内部块，内部行为将在下文中详细介绍。
3余度管理算法建模
余度管理的基本功能是根据预先定义的余度管理参数监控数据流，检测并隔离异常数据，申报并处理故障信息，使系统始终工作在安全状态。本文结合系统的静态结构，在SCADE中利用内部块图构建系统架构，从而实现对余度管理软件的建模。
3．1余度管理表设计
在余度管理、故障记录、飞行控制内部块的流端口之间以voteTable数据流的形式传输数据，数据流中包含所有参与余度管理的数据。因此系统根据输入数据、表决数据、故障状态和管理参数创建余度管理表，作为voteTable数据流的结构，如图3所示。其中管理参数包含数据门限、数据选择方法、表决门限以及安全值，由用户根据系统要求预先定义。系统在余度管理过程中，创建管理表内部块接收来自驱动、飞行控制内部块的输入数据及余度参数生成voteTable数据流，余度控制内部块从数据流中获取输入数据及参数，并将处理后的表决数据合并到数据流中，发送至飞行控制、驱动和故障记录内部块，其从数据流中获取所需数据进行数据处理。
3．2监控表决算法建模
监控表决的目的是从多个同名信号中选择出供系统使用的信号。本设计中的表决算法是通过如图4所示的余度控制内部块图实现的。余度控制内部块通过解析余度管理表获取来自双通道的数据信号及管理参数，比较双余度数据差值是否在门限(dataThreshold)内，若双通道信号差值在门限内，则双通道数据(da-taIn1、dataIn2)均有效，根据预定义的数据选择方法(dataSelMethod)取双通道数据均值、最大值或最小值作为本次表决值，故障计数值(cnt)自减，否则选择上一周期表决后的数据(hisData)作为本次表决值，故障计数值自加。在表决过程中，若故障计数值超出阈值(cntThreshold)，则判定本次表决信号达到永久故障，算法输出安全值作为表决值，并置该信号故障状态(errState)为永久故障。根据不同类型的输入信号，安全值分为双通道数据均值、最大值、最小值、历史值以及预定义安全值，余度管理算法根据安全值选择方法(sfSelMethod)选择合适类型的安全值输出，提高了系统的通用性。
4仿真验证
本文以来自惯导(INS)的X方向加速度(ACC_X)信号为例，验证上述设计可行性。信号ACC_X的故障计数门限值为8周期，数据表决门限为2，表决方法为取均值，安全值为0。启动SCADE模拟器，创建仿真场景描述文件，如图5所示，模拟器根据描述文件依次激励双通道ACC_X数据，添加表决后的ACC_X数据、永久故障标志到监控面板，如图6所示，其上半部分为X方向加速度，下半部分为永久故障标志。1)1～6周期，双通道数据差值在门限内，输出表决后数据为双通道均值，永久故障标志为1，无故障;2)7～12周期，双通道数据超差，输出表决后数据为上一次在门限内的表决值4，永久故障标志为1，无故障;3)13～19周期，双通道数据差值在门限内，输出表决后数据为双通道均值3，永久故障标志为1，无故障;4)20～27周期，双通道数据超差，输出表决后数据为上一次门限内的表决值3，永久故障标志为1，无故障;5)28周期之后，永久故障标志为0，达到永久故障，输出表决后数据为预定义的安全值0。上述结果表明，利用SysML的内部块图对余度管理算法的模型进行了有效的验证，充分证明了本方法的可行性和有效性。
5结束语
本文采用基于SCADE建模仿真工具和SysML建模语言，实现了以飞控计算机为平台的双余度管理软件的设计。与传统方法相比，采用SysML系统建模语言，以模型设计为核心，具有指示表达无二义性、模型可重用性等优点。SCADE仿真工具提供了完备的模型仿真验证环境，保证了模型的正确性，同时可视化的仿真环境，也大大提高了开发调试效率。本文所述的设计方法为余度管理软件的开发提供了新的途径。
参考文献:
［1］吴成富，侯晓梅，段晓军．基于SCADE的机载余度管理软件开发［J］．电子设计工程，2013，21(3):96－98．
［2］刘同磊，曹云峰，庄丽葵，等．基于SysML的三余度飞控计算机系统建模方法研究［J］．云南民族大学学报，2015，24(5):412－417．
［3］金平．基于SCADE的余度管理软件开发方法研究［J］．软件导刊，2012，11(10):14－16．
［4］张磊，郑力会．一种基于模型的驱动的系统架构设计方法［J］．电光与控制，2014，21(3):16－20．
［5］方伟，周彰毅．SCADE在航空发动机FADEC软件开发中的应用［J］．航空发动机，2016，42(5):43－47．
［6］王永国，邓道杰，於二军，等．机载机电系统双余度管理技术研究［J］．航空计算技术，2019，49(3):95－98，102．
［7］刘明，朱守园，王婷．一种双余度交叉通道链路的设计与实现［J］．航空计算技术，2019，49(1):106－108，111．
作者：王亮 朱守园 吴云 单位：航空工业西安航空计算技术研究所
双余度管理软件设计探讨 来源：网络整理
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