飞行管理系统中基于四变量模型的需求轻量化

刘力

摘 要 本文针对的主要工作是在系统需求层面以及设计层面上基于轻量级形式化方法对飞行管理系统的系统需求进行分析与研究并且建模，研究了一种基于四变量模型的系统需求建模与分析方法，并在工程化的需求形式化建模及其分析去寻找一种有效地途径。

【关键词】飞行管理系统 系统需求建模与分析 四变量模型 轻量级形式化方法

需求分析是软件开发过程中的重要部分。只有通过需求分析，才能将软件功能和系能的总体概念描述为具体的需求规范。需求分析具有较强的方向性、策略性和决策性，对软件开发过程的整体过程和后续阶段起到决定性的影响。基于模型的系统需求分析建模和分析研究方法在系统工程的安全性领域中体现了其可靠性和实效性的特点。目前状况下，四变量模型已被成功地运用到了基于软件控制的嵌入式系统安全性领域中，其核心的观点是在系统需求方面去分析确定系统行为需求及软件行为需求。该模型是通过指明系统需求以及与系统输入输出相关的硬件接口来对软件需求进行限制。在利用四变量模型对系统进行需求分析的过程中，结合SCR（Software Cost Reduction，SCR）需求分析方法对系统进行需求分析，从而保证系统设计流程的完整性和安全性。

1 飞行管理系统概述

本文所研究的飞行管理系统（Flight Management System，FMS）是现代军用和民用飞机的航空电子设备的基本组成部分，可以实现各种飞行任务的自动化，减少人工工作负载，降低飞行员的驾驶负担，从而确保高效率地完成飞行任务；FMS主要利用传输器输入的飞机状态以及有关导航的数据，在导航数据库、性能数据库提供的参考数据基础上，实时进行飞行引导计算，辅助飞行员控制飞行的轨迹，使其按照预先制定的飞行计划和当前选择的性能模式进行飞行。

一般军用或民用飞机上的飞行管理系统（FMS）由一套运行于综合处理机（IPC）内通用处理模块（CPM）上的应用软件（FMSA）和为其提供功能支持的其他分系统组成的。FMS以显示控制分系统（CDS）提供的主飞行显示（PFD），导航显示（ND），模拟控制显示单元（SCDU）、键盘和轨迹球等作为主要的人机交互界面；以惯性/卫星组合导航设备（INS）、机电管理计算机（EMP）、无线电导航设备和大气数据设备（ADC）作为飞机状态传感器和导航传感器；以自动飞行控制系统（AFCS）作为主要的飞行执行部分。另外，FMSA有配套的加卸载设备来更新数据库中的内容，包括导航和性能数据库，并且可以卸载飞行员数据库的内容。

2 系统需求层面的软件行为定义

在四变量模型中，系统软件行为是通过关系REQ、NAT、IN和OUT来进行描述的。具体来说，关系NAT和关系REQ描述的是当受监控的变量发生变化时，受控制的变量应如何相应的发生变化。NAT描述的是在不考虑系统本身内部结构以及系统行为的情况下系统中所存在的环境行为，而REQ描述的是系统环境是如何被系统本身所约束的。在四变量模型中用关系IN和关系OUT来描述围绕在软件周围的硬件接口，主要是反应了受监控的变量与输入变量，输出变量与受控制的变量之间的映射关系，同时也反应出了输入变量和系统软件之间的交互过程以及输出变量与系统软件之间的交互过程。对关系REQ、NAT、IN和OUT加以规范化可有效地对软件行为进行相关约束。

从总体来看，利用四变量模型构建的需求模型可以同时描述系统需求及软件需求。该模型通过关系REQ和NAT定义了系统需求，反应的是受监控的变量与受控制的变量之间的约束关系。通过关系IN和OUT定义了软件需求，分别反应了受监控的变量与输入变量和输出变量与受控制的变量之间的约束关系。

3 FMS系统需求的四变量模型分析

本节主要是为FMS系统中导航控制模块进行轻量化需求分析，分别从CDS指令处理模块以及传感器配置模块这两个模块进行详细介绍。

3.1 CDS指令处理模块的需求轻量化分析

对CDS指令处理模块进行构建四变量模型，当执行调显导航状态指令时，其四变量模型如图1所示。其中受监控的变量来源有三个：第一个是可以表示当前状态的传感器使用状态senor_state，第二个是可以表示当前状态的无线电定位模式wire_mode，最后一个是可以表示当前状态的导航模式nav_mode；经输入设备后产生的输入变量是：senor_state'、wire_mode'和nav_mode'。三个输入变量输入到CDS指令模块的线路中，经过处理输出符合系统需求的输出变量，用nav_state'表示。最后该输出变量经过输出设备后产生的受控制的变量为导航状态nav_state，作用到外部环境中（输出到显示控制分系统中的人机界面）。

3.2 传感器配置模块的需求轻量化分析

为飞行管理系统中导航控制模块的传感器配置模块构建四变量模型，形式如图2所示。其中受监控的变量是：惯导设备选择、大气设备选择、卫星设备选择、测距设备选择、VOR设备选择、TACAN选择；经过输入设备产生的输入变量是：ins_device、adc_device、satellite_device、dme_device、vor_device、tacan_device；将这六个输入变量输入到传感器配置模块的软件单元进行处理产生符合系统需求的输出变量是：用senor_state'来表示；最后该输出变量经过输出设备后产生的受控制的变量为当前传感器使用状态senor _state，作用到外部环境中，其中监控单元主要对命令单元起到监控作用，用于监控各自对应的命令单元产生的命令是否有效。

4 结束语

本文针对飞行管理系统的需求分析问题，提出了一种基于四变量方法的轻量化需求分析方法。并结合飞行管理系统中的导航控制模块进行了实例研究，给出了具体的四变量模型；本文将提出的基于四变量模型对需求建模与分析研究应用到飞行管理系统的具体系统需求分析中，通过最终的分析结果来说明了该套方法的实用性和可靠性。

参考文献

[1]陈志勇.飞行管理系统与基于性能的导航的历史与发展[J].中国民航飞行学院学报，2010，21（03）：14-18.

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[3]Lid&xE，Sam N.The evolution of Flight Management Systems[C]// Digital Avionics Systems Conference，1994.Dasc.Aiaa/ieee.1994：157-169.

作者單位

南京航空航天大学 计算机科学与技术学院 江苏省南京市 211106