機(jī)載軟件的安全性是一個(gè)永不過(guò)時(shí)的話題，通常我們都會(huì)從系統(tǒng)架構(gòu)、故障保護(hù)、冗余備份等技術(shù)層面來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題，但是當(dāng)面對(duì)民用航空特別是大型民用飛機(jī)嚴(yán)格的適航性要求時(shí)，僅僅擁有技術(shù)上的保障是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。我們需要換個(gè)角度來(lái)思考設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)工具以及設(shè)計(jì)管理等方面的問(wèn)題。我們有能力設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的系統(tǒng)和算法，但是如果設(shè)計(jì)過(guò)程不可靠或者即使是可靠的我們卻無(wú)法證明，我們研制的飛機(jī)在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)中會(huì)受到極大的挑戰(zhàn)。

基于模型設(shè)計(jì)（Model Based Design，簡(jiǎn)稱MBD）是開(kāi)發(fā)復(fù)雜控制系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的有效途徑。邁斯沃克（MathWorks）公司為MBD提供了完整的MATLAB/Simulink工具鏈，在眾多行業(yè)特別是航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)以及機(jī)載航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，已被霍尼韋爾和貝爾直升機(jī)等航空企業(yè)所采用。

在最新發(fā)布的DO-178C標(biāo)準(zhǔn)中，MBD以附件DO-331的形式出現(xiàn)，對(duì)MBD相關(guān)的目標(biāo)和輸出都進(jìn)行了詳細(xì)的定義，可以從適航標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展看到MBD必然成為機(jī)載軟件設(shè)計(jì)的行業(yè)趨勢(shì)，采用MBD對(duì)于機(jī)載軟件的適航取證也是最為有效的。

MBD設(shè)計(jì)思想

MBD總體講是一種設(shè)計(jì)思想或者設(shè)計(jì)方法，具體講就是MBD的流程、工具與平臺(tái)。顧名思義，MBD的核心是模型，也就是我們通常所說(shuō)的Simulink模型，圍繞模型，MBD思想中包括以下四個(gè)關(guān)鍵要素：可執(zhí)行的需求描述、仿真環(huán)境下的設(shè)計(jì)、由模型自動(dòng)生成的代碼和貫穿始終持續(xù)性的驗(yàn)證。

MBD關(guān)鍵要素

看似非常簡(jiǎn)單的四句話，但每一個(gè)要素都深刻反映著對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)。在MBD中，傳遞信息的載體已經(jīng)不僅僅是文檔，而是可以圖形化表述并且產(chǎn)生運(yùn)行結(jié)果的模型；設(shè)計(jì)過(guò)程不再是靜態(tài)的或者依賴于眾多硬件環(huán)境的方式，而是可以通過(guò)仿真快速設(shè)計(jì)和修改的多輪次迭代設(shè)計(jì)過(guò)程；模型可以自動(dòng)生成更加標(biāo)準(zhǔn)化的源代碼，使設(shè)計(jì)師從繁瑣的手寫編碼中解脫出來(lái)；驗(yàn)證不再需要等到編碼完成之后的系統(tǒng)集成時(shí)，而是在模型設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始早期的驗(yàn)證，將設(shè)計(jì)缺陷發(fā)現(xiàn)并解決于早期，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高和成本的降低。

需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)，大家有時(shí)會(huì)認(rèn)為MBD僅僅是設(shè)計(jì)層面的事情，對(duì)于軟件的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證似乎還涉及不到，這主要是由于大家對(duì)MATLAB/Simulink的認(rèn)識(shí)還停留在仿真工具的層面造成的。從上述的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)不難看出，我們所講的MBD，不僅僅局限于基本的設(shè)計(jì)范疇，已經(jīng)擴(kuò)展到實(shí)施甚至驗(yàn)證的范疇。也就是說(shuō)完整的MATLAB/Simulink工具鏈不僅僅是仿真工具，而是涵蓋了建模、仿真、代碼生成、驗(yàn)證與確認(rèn)、項(xiàng)目管理、文檔管理、工具定制和適航認(rèn)證等多種功能的全流程綜合性系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

國(guó)內(nèi)機(jī)載軟件研制存在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)單位大多仍在沿用傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程，雖然越來(lái)越多的單位正在積極嘗試MBD流程，但總體來(lái)講仍然處于MBD能力建設(shè)的初級(jí)階段，對(duì)于MATLAB/Simulink工具鏈的應(yīng)用還處于從算法仿真向自動(dòng)代碼生成和模型早期驗(yàn)證的過(guò)渡階段。工具的應(yīng)用需要與流程有效集成才能發(fā)揮其最大的效用，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程過(guò)于粗放，采用MBD需要重新構(gòu)建詳細(xì)的可執(zhí)行流程，并配合相應(yīng)的工具集成與定制，這是機(jī)載軟件研制過(guò)程改進(jìn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的改進(jìn)目前存在以下具體問(wèn)題：對(duì)應(yīng)DO-178B要求，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程多項(xiàng)驗(yàn)證環(huán)節(jié)缺失，想要實(shí)現(xiàn)全部環(huán)節(jié)需要巨大的工作量。如若采用MBD流程，設(shè)計(jì)單位需要提高工程師的能力，如需求定義能力、建模能力、代碼生成能力等；需要改變部門間的工作接口，由傳統(tǒng)的文檔交互變?yōu)槟Ｐ徒换?，所有部門將圍繞共同的模型開(kāi)展工作；需要重新定義不同工程師的工作重心，如控制工程師的工作將從單純的需求定義和算法設(shè)計(jì)擴(kuò)展延伸到代碼的生成和模型驗(yàn)證，而軟件工程師的工作將重點(diǎn)關(guān)注在軟件架構(gòu)、代碼生成工具配置及代碼的生成、底層軟件開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)集成等。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)單位型號(hào)多、任務(wù)緊、人員少的客觀現(xiàn)實(shí)造成流程改進(jìn)的優(yōu)先級(jí)不高，從而進(jìn)展緩慢。但是值得一提的是，越來(lái)越多的單位已經(jīng)意識(shí)到了MBD的必要性，并且已經(jīng)開(kāi)始了積極的嘗試。

MBD確保設(shè)計(jì)符合適航標(biāo)準(zhǔn)

MBD可以從流程、工具和平臺(tái)三個(gè)層面來(lái)考慮，流程是靈魂，工具是骨骼，平臺(tái)是軀干，三者融為一體才能發(fā)揮最大的效用。首先需要建立基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證流程，然后選用合適的工具輔助流程的實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行工具和流程的集成從而構(gòu)建組織統(tǒng)一的工作平臺(tái)。

MBD設(shè)計(jì)技術(shù)路線

總體流程

相比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，MBD流程在完整性上得到很大的提升，包含了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、實(shí)施環(huán)節(jié)、驗(yàn)證環(huán)節(jié)等，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中需求理解差異、早期驗(yàn)證困難、代碼編寫耗時(shí)等問(wèn)題。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)基于高層需求進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，在模型設(shè)計(jì)過(guò)程中可以不斷通過(guò)仿真檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果從而反復(fù)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。模型所代替的就是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔。實(shí)施環(huán)節(jié)通過(guò)自動(dòng)生成代碼實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)（Design）到實(shí)施（Implementation）的過(guò)渡。這樣極大地簡(jiǎn)化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中多次建模的重復(fù)勞動(dòng)，使工程師可以更加專注于各自的專業(yè)。驗(yàn)證環(huán)節(jié)是貫穿于項(xiàng)目始終的，這在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中是很難實(shí)現(xiàn)的，特別是在模型設(shè)計(jì)階段，就可以開(kāi)展針對(duì)設(shè)計(jì)的基于需求的功能性測(cè)試，以及模型的覆蓋率測(cè)試，而且早期驗(yàn)證的測(cè)試用例可以在代碼驗(yàn)證階段得到重用。驗(yàn)證環(huán)節(jié)最為重要的是完整性，在這個(gè)環(huán)節(jié)中每一個(gè)驗(yàn)證活動(dòng)都會(huì)對(duì)應(yīng)DO-178B中的具體條款，保證符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下滿足系統(tǒng)的安全性要求。

MBD符合DO-178B/C流程

（注：粗實(shí)線代表設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；細(xì)實(shí)線代表實(shí)施環(huán)節(jié)；虛線代表驗(yàn)證環(huán)節(jié)）

工具平臺(tái)

工具的價(jià)值在于實(shí)現(xiàn)工作流程，減少手工勞動(dòng)，提高工作效率，工具應(yīng)用的基礎(chǔ)是流程的存在。對(duì)應(yīng)MBD符合DO-178B/C的流程，MATLAB/Simulink完整的工具鏈在每個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的工具輔助實(shí)現(xiàn)這個(gè)流程，并且產(chǎn)生DO-178B/C要求的各類輸出結(jié)果。

MATLAB/Simulink本身也是一個(gè)開(kāi)放的工具開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了各類工具以及其它外部工具（如DOORS、LDRA、SVN等）的接口。在MATLAB/Simulink的平臺(tái)下，結(jié)合用戶定義的詳細(xì)流程，可以方便的將各類設(shè)計(jì)、仿真、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證工具集成在一起，也可以定制開(kāi)發(fā)相關(guān)的自動(dòng)化腳本、規(guī)范檢查項(xiàng)以及標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告模版等，構(gòu)建統(tǒng)一的MBD工作平臺(tái)。

MBD符合DO-178B/CMATLAB/Simulink工具平臺(tái)

（注：SLVNV代表工具Simulink Verification and Validation）

微流程

這是相對(duì)于總體流程來(lái)講的，也是國(guó)內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)單位最容易忽視的部分。我們每個(gè)管理者和工程師都可以很容易的描述出軟件開(kāi)發(fā)的“V”流程，對(duì)于MBD的總體流程也比較容易理解，但是工程師真正坐在電腦前開(kāi)始工作時(shí)卻往往會(huì)陷入無(wú)從下手的境地，從哪里獲取需求，創(chuàng)建模型有什么要求，完成設(shè)計(jì)后需要提交什么內(nèi)容、提交到哪里，提交前需要做那些檢查，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題有誰(shuí)來(lái)更改、在那個(gè)版本更改等等這些具體的問(wèn)題都需要通過(guò)微流程定義出來(lái)。

微流程可以理解為可執(zhí)行的流程，對(duì)于項(xiàng)目中各個(gè)角色（如項(xiàng)目經(jīng)理、開(kāi)發(fā)工程師、驗(yàn)證工程師等）各個(gè)環(huán)節(jié)（如模型設(shè)計(jì)、模型驗(yàn)證、問(wèn)題追蹤等）的具體操作，使用的工具和配置，以及每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出都有明確的定義，所有項(xiàng)目成員都是在統(tǒng)一的微流程指導(dǎo)下進(jìn)行工作，這對(duì)于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的協(xié)作至關(guān)重要，也是真正實(shí)現(xiàn)MBD的關(guān)鍵所在。