基于图形化模型的飞机前轮转弯控制盒设计方法与流程

本发明属机载电子设备研发技术领域，具体涉及一种基于图形化模型的飞机前轮转弯控制盒设计方法。

背景技术：

航空产业是一个技术密集型产业，新概念飞行器、新动力、新系统、新结构、新材料、新工艺等前沿技术的突破对航空科技产生了革命性的影响。机载电子系统的结构越来越复杂，系统综合化程度越来越高，全生命周期成本越来越低，研发周期越来越短，使得机载电子系统研发的工作量、难度和复杂度大大提高，对机载电子系统的研制带来了巨大的挑战。传统的“制造，试验，再制造，再试验”的研发模式成本大、周期长，已经不能满足机载电子技术的发展需要，因此有必要提出改进。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题：提供一种基于图形化模型的飞机前轮转弯控制盒设计方法，基于模型的设计方法采用模型对系统进行描述，在产品投入制造前通过对系统原理和功能逻辑进行仿真和分析，全面细致地掌握系统特性并进行仿真试验，从而减少研制迭代次数，降低成本，缩短周期，提高设计质量，提高研制的效率。

本发明采用的技术方案：基于图形化模型的飞机前轮转弯控制盒设计方法，对飞机前轮转弯控制盒系统进行需求分析、功能分析和设计综合，具体步骤如下：

1)需求分析：即识别所要求的系统功能，通过分析相关利益攸关者需求，从中捕获系统需求，针对系统需求建立用例模型；

2)功能分析：即识别相关系统的状态，前轮转弯控制盒系统是一个复杂的系统，在黑盒状态下分析每一个系统用例的功能流程，分析功能流、进行场景分析、定义端口和接口、定义行为、通过执行模型确认并验证功能逻辑的正确性；

3)设计综合：即将系统功能分配到物理架构，将前轮转弯控制盒系统拆分成子系统，然后基于统一系统架构对每一个用例按子系统进行功能分解与分配并建立白盒模型，最终动态执行系统状态机模型，验证系统功能逻辑的准确性和完整性。

上述步骤1)中，所述需求分析包括创建需求、定义系统用列和将需求链接到用例三个步骤，具体内容如下：

1)创建需求，在系统功能逻辑建模之前，识别前轮转弯控制盒系统的利益攸关者，定义利益攸关者需要，站在用户的角度获取利益攸关者需求，分析利益攸关者需求，将利益攸关者需求转化为技术视角的系统需求，在需求管理系统中初始化需求数据库，在需求数据库的层级结构中建立相应的正式模块和链接模块、链接集，并为每一条需求定义验证方法实现需求的追溯管理体系，并将需求数据库中系统级功能需求导入系统建模工具中建立需求的矩阵视图，作为系统功能逻辑建模的输入；

2)定义系统用例，确定系统边界和环境、界定系统功能范围、识别与系统交互的外部参与者，前轮转弯控制盒系统属于飞机前轮转弯控制系统的控制器子系统，前轮转弯控制系统包括控制器、传感器、反馈机构、执行机构，该系统上电后，由传感器检测飞机的转弯指令信号，采集地速信号，并将这些信号发送给前轮转弯控制盒系统，控制盒系统根据飞机当前的运行状态、指令信号和转弯控制律进行逻辑运算，将控制信号发送给执行控制机构驱动液压系统按指令动作，同时发送信号灯控制信号指示系统当前的工作状态；反馈机构采集飞机前轮位置信息，并将其发送给前轮转弯控制盒系统，作为控制盒系统进行逻辑解算的输入；在维护状态时，由地面维护计算机发送维护指令信息，控制盒系统将维护和故障信息发送给地面维护计算机，由此识别前轮转弯控制盒系统的边界，与控制盒系统相互交联的外部参与者包括电源、转弯开关、传感器组、导航系统、指示灯、伺服阀组及地勤维护人员，同时，确定控制盒系统与所有的外部参与者之间的功能接口和物理接口定义；

用例模型考虑飞机前轮转弯控制盒系统全生命周期的所有运行场景，考虑飞机前轮转弯控制盒系统在控制转弯运行场景下、故障运行场景下、维护运行场景下的不同的活动，将系统划分为控制转弯用例、检测和响应故障用例、接受维护用例，分析与各个用例相互关联的外部参与者，建立各个用例与外部参与者之间的交互关系；

3)将需求链接到用例，分析前轮转弯控制盒系统需求和三个用例之间的关联关系，将系统需求分别链接到三个用例，并建立需求追踪矩阵。

上述步骤2)中，所述功能分析，是通过建立系统用例黑盒模型，分析每一个系统用例的功能流程，进而识别系统与外界的交互，最终完整描述系统的状态行为；包括分析功能流程、场景分析、定义端口和接口、行为分析及通过执行并验证，具体内容如下：

1)功能流程分析，通过分析系统实现控制转弯功能每一步所执行的动作建立活动图模型，活动图模型包括主活动图、读取和处理数据活动图、处理和输出控制信号活动图；图3为控制转弯用例主活动图，描述了系统完成控制转弯功能从上电开始执行的一系列活动。传感器上电，通过上电自检后读取传感器、转弯开关、导航系统的数据，对每一路数据进行处理。系统初次上电的时候自动回中，CPU读取中位信息，实时自检通过后进行自动回中的逻辑控制，然后将控制信号发送至转弯灯、故障灯、伺服阀、电磁阀。自动回中结束后，CPU读取传感器、转弯开关、导航系统数据，实时自检通过后根据转弯控制律、纠偏控制律、减摆控制律进行逻辑运算，然后将控制信号发送至转弯灯、故障灯、伺服阀、电磁阀；

2)场景分析，根据活动图模型和对象之间发送消息的时间顺序和对象之间的交互关系，建立控制转弯用例顺序图模型，包括主顺序图、读取和处理数据顺序图、处理和输出控制信号顺序图，该模型按照时间顺序描述转弯控制用例的动作，以及电源、传感器组与转弯控制用例之间的交互关系；

3)定义端口与接口，通过定义系统的端口和接口表示系统与外部的交互，生成端口、接口和IBD图；

4)行为分析，通过分析控制转弯用例的状态行为，从系统启动之后等待上电状态到上电状态、处理输入数据状态、逻辑运算状态、处理输出数据状态，以及各个状态迁移的条件、伴随状态转移的动作，建立控制转弯用例状态机模型；

5)模型执行，编译执行状态机模型，根据前轮转弯控制盒系统处于自动回中、转弯状态、减摆状态、纠偏状态、故障状态、维护状态等不同运行场景设置相应的属性值，启动仿真观察系统，根据仿真结果验证模型是否准确完整。

上述步骤3)中，所述设计综合通过分析前轮转弯控制盒系统的功能，对系统进行统一架构分析与设计，将前轮转弯控制盒系统分解为三个子系统，并将每一个用例按子系统功能进行分解和分配，在此基础上进行子系统的行为状态分析，通过系统动态运行状态机模型验证子系统的行为状态逻辑，具体内容如下：

1)架构分析，通过分析前轮转弯控制盒系统的功能，综合权衡若干个备选的系统架构后选择最合理的系统架构，前轮转弯控制盒系统通过系统架构分解为三个子系统：CPU子系统、信号处理回路、电源子系统，建立BDD图模型；

2)用例实现，首先是功能分配，在黑盒活动图模型的基础上，将黑盒阶段定义的动作分配到各个子系统，建立白盒活动图模型；其次是基于架构的场景分析，根据子系统不同的运行场景分析三个子系统之间的交互行为，以及子系统与外部参与者之间的交互行为，建立白盒顺序图模型；再其次是基于架构定义端口与接口，根据系统内部三个子系统：CPU、信号处理回路、电源之间的交联关系，以及三个子系统与各自相关的外部参与者之间的交联关系，建立前轮转弯控制盒系统白盒IBD图模型；最后是基于架构的行为分析，对子系统在其生命周期内的活动进行分析，建立子系统的状态图模型；

3)用例合并，将前轮转弯控制盒系统所有用例合并，建立完整的系统功能模型；并通过模型测试工具对系统模型分别进行自动和手动测试，验证模型的完整性和元素覆盖率，如发现问题，则通过模型与需求之间的追溯体系进行针对性修改，快速完成设计迭代，最终实现模型元素的完全可执行验证，确保模型的准确性。

本发明与现有技术相比的优点：

1、模型与需求之间的追溯关系有助于完善需求和模型：通过建立模型与系统需求之间的追踪矩阵，有助于发现需求中存在的不完整、描述不清晰、重复、歧义、不准确等问题，同时也有助于发现模型的缺陷，比如模型没有覆盖到所有需求，进而进行需求和模型相互之间的迭代和完善；

2、有助于缩短研发周期，提高效率，降低成本：自顶向下的模型化设计方法支持在早期系统设计快速被测试和验证，将整机系统集成提前，可有效提高系统成熟度，减少设计的逻辑缺陷，完善系统功能，减少物理试验的次数和成本。从而缩短研发周期，提高效率，降低成本；

3、有助于提升产品设计质量：通过建立模型到需求之间的追踪关系使得系统设计有据可依，设计不再仅仅依赖于现有的成熟技术及设计人员的工程经验和估计。同时，设计过程更加精确、完善和规范，降低设计的反复和变更，最终提升了产品的设计质量。

附图说明

图1为本发明基于图形化模型设计的流程图；

图2为本发明中某前轮转弯控制盒系统用例图；

图3为本发明中控制转弯用例主活动图；

图4为本发明中控制转弯用例黑盒状态机模型；

图5为本发明中前转转弯控制盒系统白盒IBD图。

具体实施方式

下面结合附图1-5描述本发明的一种实施例。

本发明描述基于图形化模型的设计方法在某飞机前轮转弯控制盒系统的应用。飞机前轮转弯控制盒系统通过接收传感器和开关量信号，根据转弯控制律进行逻辑运算，输出控制信号驱动液压系统控制飞机前轮转弯，同时进行上电自检和周期自检，当系统故障时进行故障响应，并可将故障信息发送给地面维护设备。

基于图形化模型的设计方法通过构建需求模型、功能模型，实现需求、功能到物理架构的分解和分配，通过模型执行实现系统需求和功能逻辑的确认和验证。基于图形化模型的设计过程包括需求分析、系统功能分析和设计综合三个阶段。需求分析阶段创建需求，建立需求矩阵，分析系统需求建立用例图模型，并将需求链接到用例。功能分析阶段针对每一个用例分析功能流建立活动图模型，对每个用例进行场景分析建立顺序图模型，定义端口和接口建立内部块图，分析系统的行为状态建立状态机模型，并通过执行模型确认并验证功能逻辑的准确性和完善性。设计综合阶段对系统进行架构分析，定义系统架构建立块定义图，将功能和活动分配到各个子系统建立设计综合阶段的活动图、顺序图、内部块图、状态机图，并进行仿真验证。

本发明方法具体步骤如下：

第一步：需求分析，捕获并分析相关利益攸关者需求，形成系统的顶层需求，建立系统用例图模型，具体内容如下：

1)创建需求，在系统功能逻辑建模之前，识别前轮转弯控制盒系统的利益攸关者，定义利益攸关者需要，站在用户的角度获取利益攸关者需求，分析利益攸关者需求，将利益攸关者需求转化为技术视角的系统需求，在需求管理系统中初始化需求数据库，前轮转弯控制盒系统研制过程中存在部分需求不明确、需求不清晰、需求缺失等问题，通过需求分析在早期阶段将需求明确和完善。在需求数据库的层级结构中建立相应的正式模块和链接模块、链接集，并为每一条需求定义验证方法实现需求的追溯管理体系；并将需求数据库中系统级功能需求导入系统建模工具中建立需求的矩阵视图，作为系统功能逻辑建模的输入；

2)定义系统用例，确定系统边界和环境，界定系统功能范围，识别与系统交互的外部参与者。前轮转弯控制盒系统属于飞机前轮转弯控制系统的控制器子系统。前轮转弯控制系统包括控制器、传感器、反馈机构、执行机构。该系统上电后，由传感器检测飞机的转弯指令信号，采集地速信号，并将这些信号发送给前轮转弯控制盒系统，控制盒系统根据飞机当前的运行状态、指令信号和转弯控制律进行逻辑运算，将控制信号发送给执行控制机构驱动液压系统按指令动作，同时发送信号灯控制信号指示系统当前的工作状态。反馈机构采集飞机前轮位置信息，并将其发送给前轮转弯控制盒系统，作为控制盒系统进行逻辑解算的输入。在维护状态时，由地面维护计算机发送维护指令信息，控制盒系统将维护和故障信息发送给地面维护计算机。由此识别前轮转弯控制盒系统的边界，与控制盒系统相互交联的外部参与者包括电源、转弯开关、传感器组、导航系统、指示灯、伺服阀组、地勤维护人员等。同时，确定控制盒系统与所有的外部参与者之间的功能接口和物理接口定义。用例模型考虑飞机前轮转弯控制盒系统全生命周期的所有运行场景。考虑飞机前轮转弯控制盒系统在控制转弯运行场景下、故障运行场景下、维护运行场景下的不同的活动，将系统划分为控制转弯用例、检测和响应故障用例、接受维护用例。分析与各个用例相互关联的外部参与者，建立各个用例与外部参与者之间的交互关系，建立用例模型如图2所示；

3)将需求链接到用例，分析前轮转弯控制盒系统需求和三个用例之间的关联关系，将系统需求分别链接到三个用例，并建立需求追踪矩阵；

第二步：功能分析，通过建立系统用例黑盒模型，分析每一个系统用例的功能流程，进而识别系统与外界的交互，最终完整描述系统的状态行为，具体内容如下：

1)功能流程分析，通过分析系统实现控制转弯功能每一步所执行的动作建立活动图模型。活动图模型包括主活动图、读取和处理数据活动图、处理和输出控制信号活动图。图3为控制转弯用例主活动图，描述了系统完成控制转弯功能从上电开始执行的一系列活动。传感器上电，通过上电自检后读取传感器、转弯开关、导航系统的数据，对每一路数据进行处理。系统初次上电的时候自动回中，CPU读取中位信息，实时自检通过后进行自动回中的逻辑控制，然后将控制信号发送至转弯灯、故障灯、伺服阀、电磁阀。自动回中结束后，CPU读取传感器、转弯开关、导航系统数据，实时自检通过后根据转弯控制律、纠偏控制律、减摆控制律进行逻辑运算，然后将控制信号发送至转弯灯、故障灯、伺服阀、电磁阀；

2)场景分析，根据活动图模型和对象之间发送消息的时间顺序和对象之间的交互关系，建立控制转弯用例顺序图模型。包括主顺序图、读取和处理数据顺序图、处理和输出控制信号顺序图。该模型按照时间顺序描述转弯控制用例的动作，以及电源、传感器组与转弯控制用例之间的交互关系；

3)定义端口与接口，通过定义系统的端口和接口表示系统与外部的交互，生成端口、接口和IBD图；

4)行为分析，通过分析控制转弯用例的状态行为，从系统启动之后等待上电状态到上电状态、处理输入数据状态、逻辑运算状态、处理输出数据状态，以及各个状态迁移的条件、伴随状态转移的动作，建立控制转弯用例状态机模型，如图4所示。

5)模型执行，编译执行状态机模型，根据前轮转弯控制盒系统处于自动回中、转弯状态、减摆状态、纠偏状态、故障状态、维护状态等不同运行场景设置相应的属性值，启动仿真观察系统，根据仿真结果验证模型是否准确完整。仿真控制转弯用例运行场景：系统上电之后，触发转弯开关、传感器、导航系统给前轮转弯控制盒系统发送数据；自动回中结束，转弯开关接通，设置地速为20，系统按照转弯控制响应；设置地速为150，系统按照减摆控制响应。

第三步：设计综合，通过分析前轮转弯控制盒系统的功能，对系统进行统一架构分析与设计，将前轮转弯控制盒系统分解为三个子系统，并将每一个用例按子系统功能进行分解和分配，在此基础上进行子系统的行为状态分析，通过系统动态运行状态机模型验证子系统的行为状态逻辑。

1)架构设计，通过分析前轮转弯控制盒系统的功能，综合权衡若干个备选的系统架构后选择最合理的系统架构。前轮转弯控制盒系统通过系统架构分解为三个子系统：CPU子系统、信号处理回路、电源子系统，建立BDD图模型。

2)用例实现

a.功能分配,在黑盒活动图模型的基础上，将黑盒阶段定义的动作分配到各个子系统，建立白盒活动图模型；

b.基于架构的场景分析,根据子系统不同的运行场景分析三个子系统之间的交互行为，以及子系统与外部参与者之间的交互行为，建立白盒顺序图模型；

c.基于架构定义端口与接口,根据系统内部三个子系统：CPU、信号处理回路、电源之间的交联关系，以及三个子系统与各自相关的外部参与者之间的交联关系，建立前轮转弯控制盒系统白盒IBD图模型，如图5所示；

d.基于架构的行为分析，对子系统在其生命周期内的活动进行分析，建立子系统的状态图模型。

3)用例合并，将前轮转弯控制盒系统所有用例合并，建立完整的系统功能模型，并通过模型测试工具对系统模型分别进行自动和手动测试，验证模型的完整性和元素覆盖率。如发现问题，则通过模型与需求之间的追溯体系进行针对性修改，快速完成设计迭代，最终实现模型元素的完全可执行验证，确保模型的准确性。

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。