基于MBSE的机载操作系统环境建模与仿真

案例描述

采用MBSE方法，面向机载操作系统建模仿真环境项目构建体系化模型，以模型为中心贯穿需求分析、架构设计、详细设计、代码生成、仿真验证和运行确认全过程。围绕中断异常等关键模块的典型场景，基于SMAVE建模与代码生成工具构建需求模型、功能模型、行为模型和场景模型，开展模块功能分解、接口关系建模和运行逻辑设计，并在模型设计的先期同步开展仿真验证，以确保设计逻辑的合理性以及各项功能指标满足要求。通过将模型成果直接生成代码并集成到天脉操作系统源码中，在FTE2000板卡上完成部署和运行验证，实现从模型到代码、从代码到目标环境的全链路贯通，推动机载操作系统研发由"基于文档的手工编码"向"基于模型驱动的正向设计"转型。

系统架构图

功能架构与开发流程图

案例实施的具体内容

• 1. 基于机载操作系统的功能需求，对关键模块进行功能划分和归类，构建需求模型和功能模型。以中断异常模块为例，分析其对外部事件响应、内部异常捕获、故障管理和错误处理的需求，得到模块的核心功能定义和初步指标。
• 2. 分析功能与模块架构的关系，评估模块拆分方案对功能实现的支撑情况，从而获得架构设计的优选结果。明确各组成部分之间的输入输出关系、内部数据结构和函数职责，形成模块组成方案。
• 3. 基于架构设计结果，在SMAVE建模与代码生成工具中开展详细建模，构建行为模型和场景模型。对模块的函数功能、处理流程、状态变化和功能逻辑进行建模描述，分析模块运行的规模和约束条件，确定设计改进需求。
• 4. 设计模块内部的数据流与控制流，构建模块层的接口交互关系，从功能角度设置模块的接口定义，分析交互的实际数据结构和传递机制。
• 5. 基于构建的功能模型和行为模型，开展模块运行的逻辑验证。结合模块功能（提供功能的输入输出）和运行逻辑，用活动图对执行的业务进行整合，通过SMAVE工具生成目标代码，将代码替换进天脉操作系统源码中进行编译和使用。
• 6. 在FTE2000板卡上启动天脉操作系统，结合数字仿真激励器开展场景驱动的仿真验证分析。系统部署的应用软件数据、操作系统运行状态信息以及Windows侧仿真激励数据通过DDS成功转发，并在机载软件运行监控工具和操作系统运行状态监控工具上显示，从而验证全模态功能级模型的集成和确认。

案例亮点

该机载操作系统建模仿真环境项目以MBSE理论和模型驱动开发方法为基础，将需求模型、功能模型、行为模型和场景模型与机载操作系统研发需求相结合，实现了关键模块设计过程的数字化和正向化。

建模方法包括建模流程（V模型导航）、模型视点的选择（需求、功能、行为、场景）、模型元素的设置与表达（接口、数据流、控制流）等内容，强调模块在体系中的功能定位和内在的交互关系，从多种维度来分析模块的运用从而实现对关键功能的精细化设计。

通过SMAVE工具实现从模型到代码的自动生成，消除了传统手工编码过程中的逻辑薄弱环节，构建了复杂的逻辑关系和交互网络，使设计与实现保持一致性。

围绕典型场景、功能需求和运行约束开展了充分的建模和量化分析，建立了一套适合于机载操作系统研发特点的、针对复杂场景的模块设计与验证的流程与方法。

实践效果及应用价值

采用MBSE方法下的模型驱动开发完成了机载操作系统关键模块在复杂场景下的正向设计，消除了体系设计过程中前期的逻辑薄弱环节，构建了复杂的逻辑关系和交互网络。围绕功能需求、运行场景和接口交互开展了充分的论证和量化分析，建立了一套适合于机载操作系统研发需求的、针对复杂场景的模块设计与论证的流程与方法。

通过在设计阶段同步开展仿真验证，较早发现并验证了关键逻辑、接口关系和运行行为，减少了后期集成阶段的问题暴露风险。项目实现了从模型到代码、从代码到目标环境运行验证的全链路贯通，为复杂机载软件的数字化设计、快速验证和工程落地提供了可复用的方法参考，也可作为借助MBSE推动软件研发模式转型的典型案例。