从复杂系统观点看国外IMA发展的经验及教训*

陈 颖1，王春蓉

(1.中国西南电子技术研究所，成都610036；2.空军驻电子十所军事代表室，成都 610036)

1 引 言

随着航空电子系统由传统的设备级高度综合集成结构向模块级高度综合集成结构发展，系统的复杂性急剧增加。这种复杂性一方面表现在内部集成的功能项越来越多、耦合程度越来越紧密，另一方面,外部技术不断向前发展,系统需求也在不断变化过程中。本文从复杂系统基本观点及系统复杂性度量因素出发，结合近30年来国外模块级高度综合集成航空电子系统所走过的道路，总结了模块级高度综合集成航空电子系统发展的经验及教训，指出了这类系统设计应考虑的重要方向及关键因素。

2 复杂系统描述方法

文献[1]中给出了复杂系统的基本概念，指出了系统由实体(或元素)、属性与活动(或关联关系)3个要素组成。实体是组成系统的具体对象元素，属性是实体的状态、参数特征，活动是表示对象随时间推移而发生的状态变化。系统模块化设计的目的是将一个抽象划分为多个更小更简单的抽象，通过模块化，可以更好地管理系统更改及其复杂性。内聚性是系统相关性度量标准，说明一个功能实体内的各个部件在逻辑上的相关程度。部件集合的内聚性越高，系统更改越可能被局限在同一功能实体内的那些部件，对系统其它功能实体的影响最小。耦合性是系统依赖性度量标准，说明系统各个功能实体间的依赖力。功能实体之间的耦合越松散，系统更改越可能被局限在各功能实体内部，而不会影响其它实体。简单系统是指系统内功能实体不多，功能实体之间的耦合程度不高的系统。复杂系统是指系统内功能实体较多，功能实体之间的耦合程度比较高的系统。开放系统是指系统与外部环境之间不断进行物质、能量和信息的交换，这种交换使系统可从外界环境输入负熵，从而使系统的总熵减少，增加系统的有序性。

本文进一步研究了复杂系统描述方法。

采用分层结构处理是解决电子信息系统领域复杂性问题的有效方法。通过分层处理，复杂系统划分为若干层次，各层次由不同的功能实体构成，功能实体完成特定的行为功能并具备接口定义，层与层之间、实体与实体之间通过一定的关联关系关联。一种典型的分层模型如图1所示，系统分为应用层、构件层及平台层。应用层包含若干个应用功能线程，应用功能线程之间有一定的关联关系；每个应用功能线程的具体实现由构件层的若干构件组合完成，构件与构件之间有一定的关联关系；构件部署在平台层上，平台层由具体的硬件模块(或处理器)组成，模块与模块之间有一定的关联关系。

图1 复杂系统分层模型Fig.1 Hierarchy model of complex system

系统可以用构成系统的元素及元素与元素之间关联关系的集合进行描述，参考图1复杂系统分层模型，在数学上，对于分层后的复杂系统Y可描述为

Y={S,Rs}

(1)

S={s1,s2,…,si,…，sL}

(2)

RS={Rs,1,2,Rs,2,3,…,Rs,(i-1),i,…，Rs,(L-1),L}

(3)

式中，S表示系统分层集合，si表示第i层，Rs表示层与层之间的关联关系集合，Rs,(i-1),i表示第(i-1)层与第i层之间的关联关系集合。

第i层系统si可进一步表示为该层内元素及元素与元素之间关联关系的集合，即：

si={Ei,REi}

(4)

式中，Ei为第i层系统元素集, 可表示为

Ei={ei1,ei2,…，eij，…，eiNi}

(5)

eij={eij1,eij2,…，eijk，…，eijNij}

(6)

式中，eij表示构成系统第i层的第j类元素种类集，eijk表示构成系统第i层的第j类元素种类集中的第k个元素，Ni表示系统中第i层元素种类数量为Ni种，Nij表示系统中第i层第j类元素总个数为Nij个。

REi为系统第i层元素与元素之间的关联关系集，可表示为

REi={ri1,ri2,…，rij，…，riMi}

(7)

rij={rij1,riji2,…，rijk，…，rijMij}

(8)

式中，rij表示系统第i层的第j类元素间关联关系种类集，rijk表示构成系统的第i层的第j类元素间关联关系集中的第k个元素关联关系，Mi表示系统中第i层包括的元素间关联关系种类为Mi种，Mij表示系统中第i层第j类元素间关联关系的总个数为Mij个。

元素具有属性，可表示为

eijk={Attr(eijk),Attr(rijk)}

(9)

式中，Attr(x)为描述元素x的属性集。

3 系统复杂性度量

系统的复杂性可从系统的静态及动态特性两个方面度量：

(1)在静态方面，从式(1)～(9)可以看出，影响系统复杂性的主要因素包括：根据需要系统分层的层数；构成系统的元素种类数量；构成系统的元素个数数量；元素属性的数量；构成系统元素之间关联关系的种类；构成系统元素之间关联关系的数量；

(2)在动态方面，系统的动态特性主要体现在以下3个方面：

1)系统目标、规模随着时间的增加而演变。在多数复杂系统中，随着时间的增加，系统目标将不断演变，新的功能可能增加，旧的功能可能删除。系统的目标不断发生变化，系统规模也将不断发生变化，新的功能实体在增加，旧的功能实体在删减，导致构成系统的元素种类及数量在发展变化；

2)构成系统的元素及其属性本身随着时间的增加而演变。随着时间的增加，构成系统的元素及其属性本身也在不断发展变化过程中。如在电子信息系统中，微电子技术呈摩尔定律向前发展，每18个月性能提升一倍，导致构成系统的基本硬件模块在不断的更新变化过程中；

3)构成系统的元素与元素之间的关联关系及其属性随时间的增加而演变。随着时间的增加，构成系统的元素与元素之间的关联关系及其属性也将不断变化，构成系统的新元素增加，旧元素的删减都将导致关联关系的变化。同时随着时间的增加，元素与元素之间的关联关系的类型也将不断发生变化。

通常，随着系统动态特性的增加，系统的复杂性急剧增加。

根据复杂系统的基本特点，对复杂系统进行设计，应综合考虑以下几个方面的因素。

(1)对系统的良好分解

系统分解的基本任务是根据系统目标要求，获取对系统构成的基本单元实体(或元素)以及基本单元实体之间交互关系的基本认识。对于复杂的系统，分层处理是一种较好的处理方法。系统分解究竟分为多少个层次，在某层上系统构成元素的粒度多大，因系统本省特性及其复杂性而异。在多数系统中，通常一开始是很难清晰地分解出各层及与之对应的构成元素，因此，需要经过很多反复，才有可能得到比较清晰的分析结果。好的系统分层设计应使得组成系统的基本元素只与其相邻的层发生关联，而与其它层无关联，确保层与层之间的独立性。

(2)对构成系统基本元素的合理划分

对构成系统基本元素的划分应根据系统目标，系统特点进行合理划分。基本元素设计应遵循高内聚性、低耦合性设计原则，同时还应考虑元素的标准化、通用性等设计要素。当元素进行修改、升级时，对系统的影响仅限制在元素内部，而不影响其它元素，确保元素与元素之间的独立性。

(3)对构成系统的基本元素与元素间关联关系的良好管理

元素与元素之间的关联关系包括层与层之间、同层之间的关联关系，通常这些关联关系随着时间的增加而动态发生变化。对复杂系统关联关系的管理维护是一项复杂的工作，采用特定的框架对这些复杂关系进行管理维护是一项较好的选择。

(4)对系统发展变化的适应性

在一个开放式系统中，随着时间的发展，系统与外部环境之间存在能量、信息或物质的交换，系统处在不断发展变化过程中。在对一个复杂开放式系统设计过程中，适应系统需求变化能力是一项重要研究内容。当系统需求发生变化，增加新的功能时，应能确保新功能与其它旧功能实体不发生竞争冲突。

复杂系统的显著特点是开放性、复杂性，同时具有突现性、不稳定性、非线性、不确定性、不可预测性等特征。在电子信息系统领域，随着系统规模的不断增加，系统的复杂性急剧增加，这一点在模块级高度综合集成的航空电子系统中尤为突出。在模块级高度综合集成的航空电子系统中，传统的独立电子装备已经不再存在，取而代之的是将传统的多个功能的独立电子装备作为一个整体进行统一设计，从而在性能、体积、重量、成本等方面具有传统方式不可比拟的优势。

然而，在模块级高度综合集成航空电子系统中，模块之间高度耦合导致系统复杂性急剧增加。同时，系统要有足够的开放性，设计既要考虑到当前技术状态，又要考虑未来数十年的发展变化，使得系统设计相当困难、异常复杂，这一点可以从国外模块级综合集成航空电子系统发展历程看出。

4 从复杂系统观点看国外模块级综合集成航空电子系统发展的经验及教训

从20世纪80年代开始，美空军先后投入了近20亿美元研制经费及大量优秀的工程技术人员率先在航空电子综合化通信导航识别(CNI)领域开展了航空电子系统综合集成设计，主要分为3个阶段，有4个项目研制计划。

4.1 ICNIA计划

ICNIA(Integrated Communication Navigation Identification Avionics)计划始于1983年，当时的主要指导思想为采用通用化模块及可重构技术实现综合化通信、导航、识别功能。ICNIA计划主要集中点为设计通用接收机及数字处理模块，为多种频段、带宽、增益特性、调制方式、抗干扰方式等提供统一的可重配模块。该计划验证了CNI系统综合集成的可行性，但也遇到较多的问题，如采用单一的接收机满足全频段RF要求太复杂、太昂贵；单一波形跨多个处理器，导致时间、接口关系复杂；定制专门的处理器；硬件、软件修改与系统密切相关导致系统成本急剧增加，进度严重滞后等[2]。

4.2 F22 CNI和RAH-66 Comanche CNI计划

F22 CNI项目始于1988年，充分吸收了ICNIA的经验教训，重新设计了软、硬件体系结构，并采用了一些当时出现的功能更强大的新处理器。但由于当时认识水平、硬件技术水平的限制，导致系统体系结构并不开放，系统在可扩展性、可升级性、可测试性、通用性等方面遇到较多的问题[3]，如：

(1)总线形式繁杂多样，开放性不够，导致其他厂家设计的硬件很难满足F22的技术要求；

(2)对未来技术发展、更新变化考虑不周，多条技术落后的部件生产线的关闭导致部件供应困难；

(3)系统未采用开放式总线互连结构导致系统升级困难，采用的通用共享并行总线导致数据、控制拥挤，设计余量小，几乎无法插入新的功能；

(4)系统软硬件可靠性质量不高，软硬件关联关系过于复杂，定位、查找、发现问题困难；

(5)定制大量专用器件，成本过高。

RAH-66 Comanche CNI计划始于1996年，早期沿用了F22 CNI设计思路，但在2003年，重新签订合同，要求设计与软件通信体系结构(SCA)兼容，支持软件重用。通过SCA技术，在Comanche CNI项目中开发的波形软件可直接用于F35 CNI系统。该合同的签订，标志着Comanche CNI系统与F22 CNI系统技术体制上的彻底分离[2]。

4.3 F35综合射频计划

F35从1993年启动论证，最初从383个计划研究点开展论证工作，涉及的范围包括计算机科学、电子器件、集成航空、综合显控、传感器等众多领域。经过四轮迭代过滤论证，最终在1995年5月最终确定核心处理、综合射频系统、综合光电、综合武器及精确目标寻的4个研究领域。1996～2000年开展先期概念验证。

F35 CNI计划始于2000年左右，由于微电子技术的迅猛发展，F35 CNI采用了更加先进的处理器及总线技术，系统的开放性得到进一步提升，部分解决了F22遇到的设计困难。但由于F35 CNI计划早于SCA/CORBA技术(CORBA技术成熟于1999年左右，SCA技术成熟于2003年左右)的出现，早期并未采用SCA技术，软件体系主要采用基于“类”的传统设计思路，为此，F35综合航电系统定义了150余种“类”[4]。但随着SCA技术的逐渐成熟，对SCA技术认识程度的不断提升，F35综合航电系统不断更改其设计，其中CNI部分要求采用SCA设计理念，与SCA技术兼容[2]。

从国外模块级综合集成航空电子系统，尤其是综合化通信、导航、识别系统发展历程来看，也经历了一段由混乱到逐渐成熟的历史进程。早期的ICNIA计划对系统的复杂性认识不清，设计仅局限于硬件模块的通用性及可重构性上，系统在层次划分、基本元素粒度划分、元素的内聚性及耦合性等方面考虑严重不足；F22 CNI计划虽然吸取了ICNIA计划的经验教训，重新设计了软、硬件体系结构，但对软、硬件部件基本元素的划分仍考虑不足，软件部件之间、快速发展变化的硬件部件之间及软硬件部件结合之间耦合关系过于密切，导致系统定位、查找、发现问题困难。同时，系统对开放性设计考虑不足，功能之间资源竞争严重，新功能很难插入，系统很难升级改造；早期F35综合射频计划虽然在硬件上采用了FC、Raceway等先进的开放式总线技术，在一定程度上解决了系统内部功能数据流传输竞争问题，具有一定的开放性。但由于F35计划早于SCA/CORBA技术，体系结构上没有利用SCA/CORBA的技术优势，在软件之间、硬件部件之间及软硬件部件结合之间仍高度耦合。随着对保持系统功能线程之间相互独立、软、硬件部件相对独立、支持系统可成长性、可重构性等复杂系统基本特点的认识日益清晰，SCA/CORBA、SwitchFabric高速总线等技术的日益成熟，F35综合航电系统不断更改其设计，甚至2008年6月的报道显示，F35再次对其航空电子设备开放式结构进行了重新设计定义。

5 结束语

模块级高度综合集成航空电子系统复杂性问题客观存在，良好的系统分层设计、良好的功能实体(或基本元素)划分、确保功能线程之间独立、确保功能实体(或基本元素)之间独立是模块级高度综合集成航空电子复杂系统的设计重点。事实上，F35综合射频系统从ICNIA计划、F22 CNI计划中学到的最大经验教训就是如何确保功能线程之间的独立[2]。而快速变化的硬件与应用软件之间解耦，使开放式复杂航空综合集成电子系统在保护系统功能及应用软件投资的同时，既能支持技术进步、允许新技术插入，又能容忍硬件的滞后更新、新旧共存，是模块级高度综合集成航空电子复杂系统必须解决的基本问题。

参考文献：

[1] 陈颖.从复杂系统观点看模块级综合集成航空电子结构[J].电讯技术，2009,49(4):98-102.

CHEN Ying.The Integrated Modular Avionics Electronic Architecture from Complex System Views[J].Telecommunication Engineering,2009,49(4):98-102.(in Chinese)

[2] Multi-function，Multi-mode Digital Avionics Relevant Military Technology Assessment Report[R].[S.l.]：Computer Network Software Inc.& ViaSat Inc. ，2004.

[3] Moir I,Seabridge A. Military Avionics Systems[M]. [S.l.]：John Wiley & Sons Ltd.,2006.

[4] Sankey J.F35 JSF Mission Systems Architecture Overview[R].[S.l.]：BAE System,2004.