呂鎮(zhèn)邦 沈新剛 鄒會榮* 施伯樂

1(航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 陜西 西安 710068)2(復(fù)旦大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 200433)

0 引 言

機載維護系統(tǒng)是從飛機的多個子系統(tǒng)和成員設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)信息，并通過嵌入式計算機實現(xiàn)故障診斷與隔離、飛機狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測和交互式維護等功能，為維護人員提供維修服務(wù)與技術(shù)支持[1-4]的專用系統(tǒng)。

交互式維護是機載維護系統(tǒng)的子系統(tǒng)和核心功能之一。它是由維護人員通過座艙顯示器或便攜式終端啟動的，包含一系列連續(xù)測試步驟的成員設(shè)備狀態(tài)檢測過程。在不拆卸成員設(shè)備的情況下，通過交互式維護過程協(xié)助維護人員完成機載設(shè)備的系統(tǒng)測試、模糊組故障診斷與隔離、故障確認、校準(zhǔn)和調(diào)零以及更換外場可替換單元(Line Replaceable Unit，LRU)之后的設(shè)備接口和性能測試。

目前，國內(nèi)飛機外場維護中存在著維護場景復(fù)雜、專用設(shè)備種類繁多、狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁、維護過程不規(guī)范、智能化支持程度低、維護和維修活動耗時長、成本高昂等諸多問題，常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計方法難以解決。針對上述問題，本文提出了一種基于有限狀態(tài)機的交互式維護系統(tǒng)開發(fā)方法，描述了系統(tǒng)設(shè)計框架和通信協(xié)議，設(shè)計了符合飛機維護領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)(ARINC624標(biāo)準(zhǔn)，A624)的狀態(tài)機模型，并解決了狀態(tài)機模型的多線程設(shè)計和同步問題，實現(xiàn)了人機交互維護過程，使得交互過程規(guī)范、通用和可控。

1 有限狀態(tài)機基本原理

有限狀態(tài)機(Finite State Machine,FSM)簡稱狀態(tài)機，因狀態(tài)都是離散或可枚舉而得名。它是一種有限數(shù)目的狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型[5]，也是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中一種重要的、容易建立的、應(yīng)用較為廣泛的、以描述控制特性為主的建模方法。它貫穿了從系統(tǒng)分析到設(shè)計的所有階段，描述了研究對象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應(yīng)來自外界的各種事件。

FSM一般定義[5]為：M=(Q，I，O，q0，δ,λ)，其中：Q是狀態(tài)集合，包含模型中的所有狀態(tài)；I是模型中的所有輸入；O表示狀態(tài)的所有輸出；q0表示初始狀態(tài)；δ是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，QxI→Q；λ為輸出函數(shù)，QxI→O。FSM由狀態(tài)集、事件集、行為及遷移四大要素組成。

2 交互式維護系統(tǒng)

2.1 設(shè)計框架

交互式維護功能作為機載維護系統(tǒng)的子系統(tǒng)和核心功能之一，為維護人員和成員設(shè)備之間的交互式測試提供了幫助和服務(wù)。它由維護人員手動操作座艙顯示器或便攜式維護終端(Portable Maintenance Access Terminal,PMAT)顯示屏上的可視化測試界面，選擇維護測試界面上所提供的菜單和消息指令，發(fā)送測試請求命令。交互式維護系統(tǒng)將會顯示合適的預(yù)定義測試條件和交互式的消息指令，并將測試請求命令轉(zhuǎn)發(fā)給指定的成員設(shè)備。當(dāng)成員設(shè)備接收到請求命令之后，需要作出響應(yīng)動作，執(zhí)行合適的測試項。最后，利用相關(guān)的通用工具，根據(jù)響應(yīng)內(nèi)容，生成可視化的測試響應(yīng)界面及測試數(shù)據(jù)，返回給兩種顯示屏顯示，供維護人員使用。這一過程可反復(fù)執(zhí)行，直到交互式測試過程結(jié)束為止。

交互式維護系統(tǒng)的設(shè)計框架包括6個功能單元，分別是：配置文件管理單元、A624管理單元、頁面管理單元、XML-RPC(XML-RPC,XML Remote Procedure Call)管理單元、網(wǎng)絡(luò)接口單元和公用庫。如圖1所示。

圖1 交互式維護系統(tǒng)的設(shè)計框架

圖1中，當(dāng)交互式維護系統(tǒng)開始初始化時，配置文件管理單元讀取由相關(guān)通用配置工具開發(fā)的頁面配置數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)源配置文件。頁面配置數(shù)據(jù)庫定義了交互式頁面控件信息、成員設(shè)備信息、通信協(xié)議、成員設(shè)備自定義信息等，而數(shù)據(jù)源配置文件中定義了軟件接口信息等。

A624管理單元負責(zé)控制交互式狀態(tài)機模型，管理各個狀態(tài)之間的躍遷，和成員設(shè)備一起完成交互式測試與維護。當(dāng)A624管理單元監(jiān)聽到來自Web人機界面的維護人員請求，且有請求事件發(fā)生時，狀態(tài)機接收請求，根據(jù)請求類型作出相應(yīng)的處理，之后以XML-RPC的形式將結(jié)果進行封裝并發(fā)送給成員設(shè)備。同時，該管理單元還要監(jiān)聽來自成員設(shè)備的響應(yīng)。當(dāng)成員設(shè)備接收到維護人員請求時，成員設(shè)備作出響應(yīng)，狀態(tài)機模型收到響應(yīng)之后，將其插入一個輸出隊列并設(shè)置輸出事件。A624管理單元必須按照ARINC624標(biāo)準(zhǔn)[6]的要求打包測試命令或響應(yīng)數(shù)據(jù)幀。

頁面管理單元負責(zé)控制交互式維護測試頁面，當(dāng)收到來自Web人機界面的測試請求命令后，向A624狀態(tài)機模型發(fā)送測試請求，從A624管理模塊獲取成員設(shè)備響應(yīng)信息，并從數(shù)據(jù)庫中獲取當(dāng)前頁面的控件信息，組織成可顯示的格式化頁面信息，通過XML-RPC管理單元把頁面內(nèi)容發(fā)往Web人機界面，并在座艙顯示器和PMAT屏幕上顯示相關(guān)頁面內(nèi)容。

XML-RPC管理單元負責(zé)各單元模塊的解析、處理從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送和接收到的XML-RPC命令或頁面信息，它是維護系統(tǒng)和Web人機界面之間進行交互的數(shù)據(jù)接口。

網(wǎng)絡(luò)接口單元負責(zé)套接字管理，為基于TCP、UDP的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收提供接口函數(shù)，為維護系統(tǒng)和Web人機界面、成員設(shè)備之間的通信提供便利。

公用庫主要提供多種函數(shù)，用于支持交互式維護系統(tǒng)的其他功能。如線程函數(shù)、數(shù)據(jù)緩存函數(shù)、鏈表、隊列函數(shù)、校驗等功能函數(shù)。

2.2 通信協(xié)議

由于交互式維護過程比較復(fù)雜，3個狀態(tài)機模型之間進行通信的協(xié)議都是定制協(xié)議。在定制過程中需要最大限度地提高靈活性，使其具有良好的增長潛力。同時，該通信協(xié)議的設(shè)計應(yīng)與機載系統(tǒng)的其他通信協(xié)議保持一致，應(yīng)完全符合飛機維護領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。交互式維護系統(tǒng)的通信協(xié)議格式包含消息頭、消息標(biāo)識、消息狀態(tài)和消息內(nèi)容，共4部分組成。其中：消息頭記錄了發(fā)送消息的應(yīng)用程序ID，表示消息是由哪些功能軟件發(fā)出的，如故障診斷與報告或飛機狀態(tài)監(jiān)測等；消息標(biāo)識記錄了消息名稱和消息的傳送方向，如獲取測試進行中的消息命令，是A624狀態(tài)機發(fā)送請求命令給成員設(shè)備；消息狀態(tài)記錄了4種狀態(tài)：無數(shù)據(jù)、正常操作、功能測試和無需計算數(shù)據(jù)；消息內(nèi)容以字符串的方式記錄了具體的傳送內(nèi)容。

2.3 狀態(tài)機的優(yōu)勢

由于交互式維護系統(tǒng)本身具有復(fù)雜的交互性和多樣的交聯(lián)性，系統(tǒng)共設(shè)計了3個狀態(tài)機模型，分別為：

1) 維護人員狀態(tài)機模型：負責(zé)向成員設(shè)備發(fā)起請求。

2) A624狀態(tài)機模型：負責(zé)接收維護人員發(fā)送的請求，并將請求協(xié)議封裝成測試命令，轉(zhuǎn)發(fā)給成員設(shè)備；根據(jù)成員設(shè)備響應(yīng)反饋，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)形成的頁面信息，將其發(fā)送給維護人員的顯示終端。

3) 成員設(shè)備狀態(tài)機模型：負責(zé)執(zhí)行消息命令，并將響應(yīng)反饋給A624狀態(tài)機模型。

在交互過程中，3個模型相互配合、協(xié)同工作才能完成整個請求響應(yīng)過程。為了滿足復(fù)雜的通信協(xié)議、豐富的消息類型、頻繁的請求響應(yīng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計以A624狀態(tài)機模型為核心，采用雙端設(shè)計，既要考慮維護人員的操作請求狀態(tài)，又要討論成員設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)。3個狀態(tài)機模型根據(jù)不同時刻不同請求命令和響應(yīng)消息，形成閉環(huán)，完成人機交互過程。

為了明確各成員設(shè)備的具體行為，直觀清楚地表述狀態(tài)之間的關(guān)系，交互式維護系統(tǒng)應(yīng)用有限狀態(tài)機的基本原理，設(shè)計了數(shù)量較多的狀態(tài)集和事件集，通過當(dāng)前的一組輸入和已知的狀態(tài)，根據(jù)不同的測試指令和反饋消息完成狀態(tài)遷移并進行交互測試。

3 交互式維護系統(tǒng)中有限狀態(tài)機

3.1 狀態(tài)機模型交互關(guān)系

為了順利地完成維護人員和成員設(shè)備之間的交互式維護過程，需要維護人員狀態(tài)機模型、A624狀態(tài)機模型及成員設(shè)備狀態(tài)機模型三者之間的協(xié)同工作。它們?nèi)咧g通過事先約定的通信協(xié)議，采用請求命令和響應(yīng)命令(XML-RPC方式)的應(yīng)答模式，利用3個狀態(tài)機模型的狀態(tài)遷移，將維護人員的請求命令通過A624狀態(tài)機模型轉(zhuǎn)發(fā)給成員設(shè)備狀態(tài)機模型。當(dāng)成員設(shè)備接收到請求命令之后，首先響應(yīng)請求命令，然后進行相應(yīng)動作的處理，使用通用配置工具組織交互式維護測試頁面，獲取數(shù)據(jù)信息，最后將準(zhǔn)備好的頁面信息發(fā)送給A624狀態(tài)機模型，將頁面信息回顯到座艙顯示器和PMAT顯示屏上。3個狀態(tài)機模型之間的請求、響應(yīng)的交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 狀態(tài)機模型之間的交互關(guān)系

3.2 狀態(tài)機模型設(shè)計

交互式維護系統(tǒng)中設(shè)計了維護人員狀態(tài)機模型、A624狀態(tài)機模型和成員設(shè)備狀態(tài)機模型。此處著重講述A624狀態(tài)機模型的具體設(shè)計。為了符合飛機維護領(lǐng)域的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，A624狀態(tài)機模型設(shè)計時完全遵循ARINC624協(xié)議[6-7]。該狀態(tài)機模型定義了6個測試狀態(tài)，8個消息及命令，主要負責(zé)交互式測試過程中6個狀態(tài)之間的遷移，當(dāng)收到觸發(fā)事件，狀態(tài)機模型就根據(jù)事件集進行狀態(tài)躍遷。

3.2.1 狀態(tài)集設(shè)計

在設(shè)計交互式維護系統(tǒng)中的狀態(tài)機模型前，首先需要確定維護人員的3個狀態(tài)和4個事件，完成維護人員狀態(tài)機模型的設(shè)計。然后，根據(jù)交互式維護系統(tǒng)的需求定義，確定A624狀態(tài)機模型的6個狀態(tài)和8個事件。最后，確定成員設(shè)備狀態(tài)機模型的3個狀態(tài)和7個事件，完成成員設(shè)備狀態(tài)機模型設(shè)計。

A624狀態(tài)機模型提取出如下的6個狀態(tài)，形成狀態(tài)集合：

① 維護等待禁止響應(yīng)狀態(tài)；

② 維護正常狀態(tài)；

③ 維護等待測試狀態(tài)；

④ 維護執(zhí)行測試狀態(tài)；

⑤ 維護等待操作狀態(tài)；

⑥ 維護等待終止響應(yīng)狀態(tài)。

3.2.2 事件集設(shè)計

通過狀態(tài)集可以設(shè)計出狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件所需的事件。A624狀態(tài)機模型的設(shè)計過程中，事件集大致包含如下消息及命令：

① 發(fā)送維護測試運行請求命令；

② 發(fā)送維護測試中止請求命令；

③ 發(fā)送顯示命令請求；

④ 發(fā)送維護測試繼續(xù)請求命令；

⑤ 接收正在維護測試響應(yīng)；

⑥ 指明當(dāng)前存在的禁止條件，接收禁止維護測試響應(yīng)；

⑦ 確認當(dāng)前維護測試中止命令；

⑧ 測試完成，發(fā)送維護測試完成命令。

3.2.3 事件和狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

當(dāng)交互式維護系統(tǒng)加電初始化之后，A624狀態(tài)機模型處于“正常狀態(tài)”，開始監(jiān)聽維護人員的請求命令及成員設(shè)備的響應(yīng)命令。當(dāng)維護人員發(fā)出維護測試請求命令，傳輸測試運行命令操作，狀態(tài)機模型進入“等待測試”命令狀態(tài)。若狀態(tài)機模型接收到成員設(shè)備的測試中響應(yīng)命令，則向Web人機界面顯示成員設(shè)備測試中，進入“執(zhí)行測試”狀態(tài)，等待成員設(shè)備狀態(tài)機模型響應(yīng)，并生成具體的測試數(shù)據(jù)。如果狀態(tài)機模型接收到成員設(shè)備的狀態(tài)信息，且測試完成位有效，則向Web人機界面顯示測試結(jié)束命令，并返回“正常狀態(tài)”。若狀態(tài)機模型接收到維護人員的繼續(xù)請求命令，則向成員設(shè)備發(fā)送“繼續(xù)測試”命令，并返回“執(zhí)行測試”狀態(tài)，重復(fù)上述過程。若狀態(tài)機模型接收到設(shè)備中止響應(yīng)，則向Web人機界面顯示測試中止命令，并返回“正常狀態(tài)”。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型如圖3所示。

圖3 A624事件和狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型

3.2.4 狀態(tài)機多線程設(shè)計

為完成人機界面和成員設(shè)備之間的交互測試，交互式維護系統(tǒng)需要同時創(chuàng)建4個線程，實施A624狀態(tài)機多線程同步運行管理模式。創(chuàng)建的4個線程分別是：網(wǎng)絡(luò)管理線程、A624狀態(tài)機線程、事件管理線程和XM-LRPC管理線程。其中，網(wǎng)絡(luò)管理線程和事件管理線程定義為周期性線程，其余的2個線程定義為非周期性線程。4個線程之間的運行關(guān)系如圖4所示。

圖4 A624狀態(tài)機多線程運行關(guān)系

圖4中，網(wǎng)絡(luò)管理線程主要負責(zé)實時監(jiān)聽端口，接收來自成員設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，解析A624命令或響應(yīng)消息，把消息加入A624輸入隊列，并設(shè)置消息事件。

A624狀態(tài)機線程主要負責(zé)狀態(tài)機的6種狀態(tài)之間的條件遷移。A624狀態(tài)機基于不同的輸入，包括維護人員的操作指示和成員設(shè)備的命令或響應(yīng)消息，在各個狀態(tài)之間躍遷，并向成員設(shè)備發(fā)送操作命令，向維護測試頁面反饋執(zhí)行結(jié)果。

事件管理線程主要負責(zé)檢索事件列表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有事件項被設(shè)置時，觸發(fā)事件。事件管理線程是周期性線程，每秒執(zhí)行1次，它為網(wǎng)絡(luò)管理線程、A624狀態(tài)機線程、XML-RPC管理線程之間的同步提供支持。

XML-RPC管理線程主要負責(zé)接收來自Web人機界面的XML-RPC請求、創(chuàng)建A624狀態(tài)機請求，并設(shè)置請求事件，等待狀態(tài)機返回請求執(zhí)行結(jié)果，組織頁面控件信息，和執(zhí)行結(jié)果一起生成維護測試頁面，以XML-RPC的形式輸出到Web人機界面顯示。

3.2.5 狀態(tài)機多線程同步

A624狀態(tài)機的輸入、輸出數(shù)據(jù)必須同步，以確保機載設(shè)備測試狀態(tài)和維護終端顯示內(nèi)容的實時性和一致性。交互式維護系統(tǒng)采用4個線程同步運行,并通過隊列事件實現(xiàn)各線程之間的數(shù)據(jù)同步。

當(dāng)交互式維護系統(tǒng)運行時，網(wǎng)絡(luò)管理線程和A624狀態(tài)機線程之間的同步需要A624輸入隊列作為接口。當(dāng)收到來自成員設(shè)備的命令或響應(yīng)后，網(wǎng)絡(luò)管理線程把A624命令或響應(yīng)消息加入A624輸入隊列。A624狀態(tài)機線程從A624輸入隊列取出命令或響應(yīng)消息，基于消息內(nèi)容產(chǎn)生狀態(tài)躍遷。

當(dāng)交互式維護系統(tǒng)運行時，XML-RPC管理線程和A624狀態(tài)機線程之間的同步需要A624請求隊列作為接口。當(dāng)收到來自Web人機界面的操作指示后，XML-RPC管理線程創(chuàng)建A624請求，并加入A624請求隊列。A624狀態(tài)機線程從A624請求隊列取出維護人員操作指示，根據(jù)指示內(nèi)容產(chǎn)生狀態(tài)躍遷。

當(dāng)交互式維護系統(tǒng)運行時，A624狀態(tài)機線程和XML-RPC管理線程之間的同步需要A624輸出隊列作為接口。當(dāng)收到成員設(shè)備命令或響應(yīng)后，A624狀態(tài)機把命令或響應(yīng)消息加入A624輸出隊列。XML-RPC管理線程從A624輸出隊列取出命令或響應(yīng)消息，同當(dāng)前頁面控件信息一起，組織成頁面信息輸出到Web人機界面。

網(wǎng)絡(luò)管理線程、XML-RPC管理線程通過事件列表和A624狀態(tài)機線程同步需要事件列表作為接口。運行時，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)管理線程、XML-RPC管理線程、A624狀態(tài)機線程向各個同步隊列中插入命令或響應(yīng)消息后，設(shè)置隊列事件，事件管理線程周期性的檢索事件列表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一同步隊列中的事件被設(shè)置后，觸發(fā)事件，通知其他線程從隊列中提取命令或響應(yīng)消息。

3.3 狀態(tài)機模型實現(xiàn)

機載維護系統(tǒng)中交互式維護功能的實現(xiàn)是借助于SCADE、Eclipse、Java和VxWorks等開發(fā)環(huán)境，以維護人員操作的測試頁面、交互式維護系統(tǒng)和成員系統(tǒng)數(shù)據(jù)仿真平臺所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息組成，實現(xiàn)了維護人員和成員設(shè)備之間的交互式維護過程。并為維護人員呈現(xiàn)了可視化的測試界面，完成了維護人員、交互式維護系統(tǒng)和成員設(shè)備之間的數(shù)據(jù)請求和響應(yīng)功能，確認了成員設(shè)備的正常狀態(tài)或故障狀態(tài)，驗證了3個有限狀態(tài)機模型在交互式維護系統(tǒng)開發(fā)中的正確性。狀態(tài)機模型實現(xiàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 狀態(tài)機模型實現(xiàn)結(jié)果

通過在機載維護仿真平臺中的使用，具有狀態(tài)機模型的交互式維護功能符合飛機維護領(lǐng)域的規(guī)范，支持多種測試場景的用戶可配置操作，提供測試前置信息、測試抑制信息、測試干擾信息、測試交互信息、測試狀態(tài)信息和測試結(jié)果信息的規(guī)范化顯示；支持多線程處理機制，在每個線程中分別獨立運行圖2中的3個狀態(tài)機，同時，并發(fā)管理多個成員設(shè)備的交互式測試，處理響應(yīng)速度快，并支持處理能力的進一步擴展。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于有限狀態(tài)機的交互式維護系統(tǒng)開發(fā)方法，描述了系統(tǒng)設(shè)計框架和通信協(xié)議，設(shè)計了3個典型的符合飛機維護領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)機模型，詳述了各狀態(tài)之間的狀態(tài)遷移，解決了狀態(tài)機多線程設(shè)計和同步問題，實現(xiàn)了維護人員和成員設(shè)備之間的交互式維護過程。通過在機載維護仿真平臺中的實際應(yīng)用和檢驗，證實了采用有限狀態(tài)機的設(shè)計理念可準(zhǔn)確描述被測對象的行為，提高復(fù)雜軟件系統(tǒng)的通用性和健壯性。該設(shè)計理念完全可用于同類或其他相關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計與開發(fā)中[8-9]。交互式維護功能作為機載維護系統(tǒng)的主要支撐技術(shù)，為后續(xù)飛機型號的機載維護系統(tǒng)開發(fā)奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。