基于模型(数字样机)的数字化软件工程及其实践

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1 基于模型设计 在机载安全关键领域中的应用 武方方 1

2 目录 1 技术应用背景 2 MBSE 流程 3 4 工具建设 应用实例 2

3 基于模型设计广泛应用于航空航天领域 JSF-F35 Orion Spacecraft 猎户座 Space X 模型作为系统设计和开发的数据载体, 在设计开发流程中进行传递, 实现跨专业多部门的协同 统一的模型设计规范 : 标准, 经验, 知识 可复用的标准模型库 : 算法, 对象, 环境 集成一体的工程应用 : 流程, 自动, 易用 3

4 洛克希德马丁 -JSF 联合攻击机 Library files :+ 266 Blocks:16,143 Subsystem:871 Instances of utility subsystems:998 Logical code lines:~47,000 Code files:750 Single Electronic Source for All Software Requirements, Design, and Implementation Graphical Representation of Software Design - No Paper Diagrams or Separate Block Diagrams All Textual Documentation Embedded in Model Automatic Code Generation Process to Eliminate Coding Defects Eliminate Errors Normally Incurred From Translating Requirements Into Design and Code Model Thoroughly Evaluated in Analytical and Simulation Environment Code Supplied to Six DOF Simulation (ATLAS) for Dynamic Analysis and Piloted Simulator Prototype Design Changes Rigorously Tested in Simulator with Test Pilots 4

5 NASA 猎户座飞船项目的流程改进 5

6 NASA 猎户座项目实施 6

7 NASA- 猎户座飞船 GNC 系统设计 模型规范 工具链 模型库 GNC 软件级封装模型 CSU 模型 7

8 Honeywell- 安全子集库 模型示例 主界面 模型库 8

9 目录 1 技术应用背景 2 MBSE 流程 3 4 工具建设 应用实例 9

10 MBSE 功能性分析 飞机级需求分析 利益相关方需求 建造前飞行 Fly Before Built 试飞验证 系统需求分析 场景 ( 连续操作 ) 系统确认计划 系统验收 系统功能分析设计综合 测试场景系统构架基线 软件分析与设计 模型与需求库 系统验证计划 部件验证程序 模块综合与测试 ( 子 ) 系统级综合与测试 功能综合与测试 嵌入式软件工程 硬件分析与设计 软件生成及单元测试 硬件制造 硬件模块综合与测试 需求分析 : 采用 SysML 建模工具进行需求捕获和分析 10

11 MBSE 设计综合 飞机级需求分析 利益相关方需求 建造前飞行 Fly Before Built 试飞验证 系统需求分析 场景 ( 连续操作 ) 系统确认计划 系统验收 系统功能分析设计综合 测试场景系统构架基线 软件分析与设计 模型与需求库 系统验证计划 部件验证程序 模块综合与测试 ( 子 ) 系统级综合与测试 功能综合与测试 嵌入式软件工程 硬件分析与设计 软件生成及单元测试 硬件制造 硬件模块综合与测试 功能分析 : 利用 SysML 语言或 Simulink 分析系统的功能性需求 ( 内部逻辑关系 ) 11

12 MBSE 模型之间的传递关系 不同模型间的转换关系 12

13 Rhapsody 模型与 Simulink 模型间的转换 Automatic import 13

14 MBSE 设计综合 飞机级需求分析 利益相关方需求 建造前飞行 Fly Before Built 试飞验证 系统需求分析 场景 ( 连续操作 ) 系统确认计划 系统验收 系统功能分析设计综合 测试场景系统构架基线 软件分析与设计 模型与需求库 系统验证计划 部件验证程序 模块综合与测试 ( 子 ) 系统级综合与测试 功能综合与测试 嵌入式软件工程 硬件分析与设计 软件生成及单元测试 硬件制造 硬件模块综合与测试 14

15 MBSE 功能性与非功能性设计 设计综合阶段 架构分析 架构设计 功能性设计 (Sysml/Sim ulink) 非功能性设计 ( 系统级 AADL) 输出 阶段产品 运行时架构 15

16 MBSE 软件分析与设计 飞机级需求分析 利益相关方需求 建造前飞行 Fly Before Built 试飞验证 系统需求分析 场景 ( 连续操作 ) 系统确认计划 系统验收 系统功能分析设计综合 测试场景系统构架基线 软件分析与设计 模型与需求库 系统验证计划 部件验证程序 模块综合与测试 ( 子 ) 系统级综合与测试 功能综合与测试 嵌入式软件工程 硬件分析与设计 软件生成及单元测试 硬件制造 硬件模块综合与测试 16

17 MBSE 软件分析与设计 运行时架构 输出 软件分析与设计 软件架构分析与设计 ( 软件级 AADL) 软件详细设计 (Simulink/SCADE) 输出 SCADE 模型 ( 应用 A) 部署 Simulink 模型 ( 应用 B) 手工编码 ( 应用 C) 17

18 MBSE 工具链 飞机级需求分析 系统需求分析 SysML SysML 系统功能分析 Simulink 综合设计 系统构架基线 利益相关方需求 SysML AADL 场景 ( 连续操作 ) AADL 运行时架构分析 建造前飞行 测试场景 SysML 设计类工具 AADL 设计与分析工具 模型化设计工具 Schema ( 应用商店 ) TTOS/MRTOS 任务规划 可信编译器 GNC-IDE ClearCase SVN 行为模型库 架构模型库 设计模型库 构件库 自主操作系统 样例工程库 系统确认计划 系统验证计划 部件验证程序 系统级综合与测试 软件集成与测试 系统验收 试飞验证 功能综合与测试 MBD 软件分析与设计 面向对象 分布式调试器 加载器 代码生成器软件生成 开发 / 配置虚拟验证平台 虚拟验证平台 18

19 目录 1 技术应用背景 2 MBSE 流程 3 4 工具建设 应用实例 19

20 基于模型设计的企业成熟度标准 模型设计 团队管理 仿真与分析 流程 工具与平台 设计实现 模型设计仿真分析代码生成验证确认流程工具组织管理 验证与确认 当前存在的问题分析 20

21 模型应用成熟度相关因素 Simulink 只用于仿真 工程师使用 Simulink 仅用于算法仿真, 并没有将 Simulink 平台作为全流程的开发工具, 关键是仍没有突破自动代码生成的技术和心理障碍, 模型验证更是无从谈起 模型无法在开发中传递 Simulink 模型仿真完成后, 工程师又忙于琐碎的文档和编码工作, 模型无法向下传递, 还没有成为知识传递与积累的载体, 模型也没有实现标准化的设计 开发流程无法自动化 Simulink 提供了建模 / 仿真 / 验证 / 代码生成等一些列工具, 但这些工具都相对独立, 并没有与特定的流程进行集成, 所以导致工程师在使用时没有目标, 或者就不知何时使用 缺少模型库和架构参考 在模型设计过程中, 不同的功能有不同的设计方法, 选择多样化, 但是, 对于嵌入式系统, 什么样的模块是安全的, 什么样的架构是安全的, 设计人员也不清楚 21

22 模型开发环境构建思路与实施 系统仿真平台 需求模型追踪 系统架构设计快速原型平台 控制模块代码生成 一键下载运行自动报告系统 系统描述报告 算法仿真设计平台 控制算法迭代设计 图像 / 信号 / 通信算法设计 多域被控对象模型设计自动报告系统 详细设计报告 模型早期验证平台 基于需求的功能测试 基于结构的覆盖率测试 测试用例自动生成 模型运行时缺陷检查 模型规范符合性检查自动报告系统 模型测试报告 模型规范检查报告 代码自动生成平台 代码生成配置优化 手工代码封装集成 代码自动集成编译 代码模型自动走查 软件在环自动测试 处理器在环自动测试自动报告系统 代码生成分析报告 代码模型追溯报告 软件实时测试平台 硬件在环测试环境 测试用例重用 被控对象代码生成 测试结果管理分析自动报告系统 硬件在环测试报告 需求确认仿真设计模型验证代码生成实时测试 符合航空标准的建模规范 符合航空标准的代码生成模块库 符合航空标准的自动代码生成配置项 可重用的标准算法库 / 型号特定模块库 / 硬件驱动库 航空型号专用模型自动检查项 代码自动静态检查项 符合航空标准的中文自动报告模板库, 包括系统描述报告 / 详细设计报告 / 模型测试报告 / 代码测试报告等 基于模型的项目管理体系, 包括项目配置管理 / 模型管理 / 数据管理 / 模型配置管理 / 模型库管理 / 项目应用脚本管理等 22

23 模型开发环境 关键技术 黑盒转白盒 高安全代码生成机制研究 高安全可靠代码生成原理解析 代码生成配置解析 模型检查项解析 可复用手工编码反向生成机制分析 基于 EC 的代码生成对比分析 高安全系统模型设计规范制定 NASA/Honeywell/MATHWORKS 等航空航天企业模型设计和代码生成规范研究 1 2 性能优化 3 4 符合 DO-178B/C 的基于模型项目管理体系研究 MBD 符合 DO-178 流程制定 符合 DO-178 的项目模板设计 基于模型的 DO 文档梳理 功能自动化脚本开发 高安全代码自动生成配置项研究 以安全子集库生成代码为基准制定高安全代码生成配置参数 制定高安全代码生成的技术策略和实现过程, 确保模型和代码的一致性 通过配置项的设计保证生成代码符合 MISA C 标准 汽车行业成熟模型设计标准研究 飞控所现有模型设计经验总结 模型规范的自动化检查与评判 5 高安全代码模型库测试 模型库单一模块单元级测试 子系统级别代码生成对比分析 系统级别代码生成对比分析 23

24 模型开发环境 核心内容 系统主体框架开发及代码生成 高安全代码生成模型库开发 模型设计与代码生成规范建立及自动化检查项开发 完成 MDE 流程设计与系统功能划分 完成主体框架设计与软件界面开发 实现了功能应用的独立开发与集成 160 多个库模块 自建部分伺服软件二级模块库 参考 Honeywell/NASA/Mathworks 建模规范, 构建 FACRI 自有建模规范 24

25 系统主体框架开发及代码生成 完成 MDE 流程设计与系统功能划分 完成主体框架设计与软件界面开发 实现了功能应用的独立开发与集成 单模型开发 -> 工程开发, 集成 SVN/GIT 独立的配置和参数文件 用可认证工具 Simulink Code Inspector(TQL-4/TQL-5) 作为代码检查工具 更严格的建模环境 25

26 高安全代码生成模型库 160 多个库模块 自建部分伺服软件二级模块库 对模块配置参数加以限制, 如查表模块 对模块使用加以限制, 如 Switch 模块 用简单模块组合白盒实现复杂功能, 如限幅模块 26

27 建模规范及自动化检查项 参考 Honeywell/NASA/Mathworks 建模规范, 构建 FACRI 自有建模规范 自定义规范检查 50 项高安全相关检查 33 项代码模型一致性检查 54 项 27

28 工程应用 1 伺服控制算法建模 以伺服控制系统为例, 进行高可靠系统的建模 位置环生成 C 代码, 通过代码模型一致性检查 位置环和速度环, 纯 Simulink 模型 PWM 控制环, 封装的原有 C 代码 28

29 工程应用 2 自动驾驶仪 以自动驾驶仪为例, 进行复杂逻辑建模 形成复杂状态逻辑的设计方案 29

30 目录 1 技术应用背景 2 MBSE 流程 3 4 工具建设 应用实例 30

31 基于模型设计完成 C919 项目的核心维护功能调度 需求分析 顶层设计 测试调度 BIT 基于状态机的 BIT 调度 软 硬件处理隔离 基于状态机的 BIT 过程 IO 处理分区 ( 硬件读写与时序控制, 实现逻辑与 I/O 操作的分离 ) MNT 分区 实现逻辑处理 DEOS 支持

32 BIT 调度逻辑 基于状态机方法对 BIT 调度逻辑进行设计 基于状态机的 BIT 调度 32

33 复杂的测试调度条件采用形式化方法, 基于真值表进行设计基于真值表的形式化设计方法 基于形式化方法, 通过真值表描述复杂的状态跃迁条件 33

34 基于状态机及 Simulink 模块的 BIT 算法设计 BIT 步骤基于状态机设计 BIT 算法基于 Simulink 模型设计 BIT 具体过程设计 基于状态机的 BIT 过程设计 逻辑与算法设计 34

35 Simulink 模型测试 基于脚本和场景序列的完成 Simulink 模型的测试 35

36 状态机模型测试 36

37 打造支撑机载嵌入式实时系统的 MBSE 生态环境 飞机级需求分析 系统需求分析 利益相关方需求 系统功能分析 综合设计 系统构架基线 Fly Before Built 场景 ( 连续操作 ) 测试场景 运行时架构分析 GNC-IDE 特征建模 (PLM) SySML 设计工具 架构开发平台 (FACE) AADL 设计与分析工具 模型设计工具 ( 商用 KCG) 应用商店 TTOS/MRTOS 任务规划 可信编译器 ClearCase SVN 行为模型库 架构模型库 模型与需求库 设计模型库 组件库 操作系统 样例工程库 形式化分析与验证平台 自动化测试工具链 系统确认计划 系统验证计划 部件验证程序 系统级综合与测试 软件集成与测试 系统验收 试飞验证 功能综合与测试 软件分析与设计 分布式调试器 加载器 虚拟 CPU(ARM PPC) 软硬件综合测试平台 软件生成 开发 / 配置虚拟验证平台 虚拟验证平台 37

38 谢 谢 38

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