Integrated model-based design and simulation of critical embedded systems

Abstract

A partir da introdução do sistema de controle fly-by-wire nos programas Concorde e A320 de aviação civil, a complexidade dos sistemas aviônicos embarcados aumenta constantemente. A operação dos aviões atuais e futuros é fortemente dependente para seu funcionamento dos seus sistemas aviônicos embarcados. A inovação em termos de computação dessa aviônica embarcada nos permitiu aperfeiçoar a segurança de vôo, bem como a relação entre a aeronave e o ambiente, voando de maneira mais ecologicamente consciente, além de reduzir custos e permitir melhor sustentabilidade para as companhias aéreas. Com o aumento da complexidade devido à constante integração de inovação na aviônica embarcada, as técnicas de Engenharia de Sistemas empregadas atualmente no desenvolvimento desses sistemas estão se tornando insuficientes para gerenciar os requisitos e a dinâmica existentes no projeto, no desenvolvimento e na produção de uma aeronave. Duas atividades que mais sofrem a pressão com o aumento da complexidade são o projeto e a simulação dos sistemas aviônicos embarcados. Ao projeto compete o desenvolvimento dos equipamentos aviônicos, atendendo aos requisitos dos stakeholders. À simulação compete a validação e o refinamento do projeto de um equipamento, bem como o desenvolvimento de simuladores para treinamento de pilotos do avião. Mesmo sendo duas atividades altamente inter-relacionadas, o atual estado da prática na AIRBUS para a Engenharia de Sistemas do projeto e da simulação as distancia; não intencionalmente, mas sim devido à inexistência de formalização e padronização na especificação do projeto e simulação, bem como na implementação das especificações. Atualmente, realizam-se as especificações de projeto e simulação com uma abordagem centrada em documentos textuais, o que acarreta em dificuldade de implantação de técnicas as quais permitam rastrear como as decisões tomadas no projeto restringem a simulação, e como os requisitos de simulação refinam o projeto. Com o intuito de pavimentar o crescimento sustentável da complexidade dos sistemas aviônicos embarcados nas aeronaves futuras, sendo ainda economicamente viável, além de continuamente agregar inovação nesses sistemas, este trabalho propõe uma abordagem de Engenharia de Sistemas Baseada em Modelos para integrar as atividades de projeto e simulação contidas no ciclo de projeto de uma aeronave, adotando UML/SysML como linguagem de especificação. Ao se adotar um formalismo único para o projeto e para a simulação, faz-se possível rastrearmos como os elementos de projeto restringem a simulação, e como os elementos de simulação refinam os de projeto. Alcança-se rastreabilidade somente através de construções padrão da linguagem UML/SysML. Validamos a nossa proposta com modelos de simulação e artefatos de projeto real do avião A380, demonstrando boa escalabilidade da proposta.

Since the introduction of the fly-by-wire system in the Concorde and A320 civil aircraft programs, overall aircraft embedded systems complexity is continuously increasing. Current and forthcoming aircrafts highly depends on embedded avionics to operate. Computer innovation in these embedded avionics enabled us to improve flight safety, and the relation between the aircraft and environment, flying greener, cleaner, quieter, and, furthermore, being economically cheaper and sustainable for airlines. As the complexity grows due to continuous innovation in embedded avionics on aircrafts, Systems Engineering techniques currently employed to devise such systems are becoming insufficient to cope with existing requirements and dynamics in aircraft design, development, and production. Two activities that suffer the most with the pressure when complexity increases are design and simulation of embedded avionics systems. Design concerns the development of avionics equipments, answering to stakeholders’ requirements. Simulation concerns both the validation and refinement of designed equipment, and the development of aircraft simulators for training purposes. Despite the fact that design and simulation are very dependent of each other in order to prospect and to validate embedded avionics, respectively, current state-of-the-practice on Systems Engineering in AIRBUS put them somehow apart; not intentionally, but due to the lack of formalism and standardization when specifying design and simulation requirements, and when realizing them into concrete implementations. The specifications of design and simulation are currently performed in a textual document-centered approach, making very difficult the deployment of techniques to trace how design decisions constrain simulation, and how simulation requirements and results refine design. To enable sustainable growth in complexity of forthcoming embedded avionics systems, while being economically viable, and continuously add innovation on these systems, this work proposes a Model-Based Systems Engineering approach to integrate design and simulation activities in the aircraft development cycle, adopting UML/SysML as specification language. By adopting a unified specification formalism to design and simulation, we can trace how design elements constrain simulation, and how simulation ones refine design, only by having them connected with UML/SysML language constructs. We have validated the approach with real design artifacts and simulation models from the A380 aircraft, showing a good scaling for complex models.