本发明涉及一种控制系统的计算机辅助开发方法，更具体地说是涉及一种基于模型驱动的体系结构的主要用于车载分布式控制系统的计算机辅助开发方法。

分布式控制系统是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它在工业领域中也起着越来越大的作用，尤其在车载控制系统方面，优良的实时性、可靠性和高的性价比正是车载分布式控制系统的突出优点。现代汽车上采用了越来越多的电子控制技术，并且各电子控制单元之间通过网络进行数据交换组成所谓的车载分布式控制系统。分布式控制系统的应用已经成为现代汽车电子控制技术的重要组成部分。车载电子控制单元，特别是车载分布式网络控制系统，具有很多特有的问题，比如在线匹配标定、系统集成调试、网络协议制定和实现等。一方面，针对这些问题，各开发团队的解决方案差别很大，互相之间的技术方案不能通用；另一方面，在某些领域或开发阶段尚缺少合理的技术手段保证开发的质量和效率。因此存在这样的需求，将计算机辅助开发技术应用于车载分布式控制系统的开发过程，将开发过程进行规范化。
车载分布式控制系统计算机辅助开发的核心问题主要有两个：分布式控制系统的静态描述和动态描述。前者着重解决分布式控制系统的结构性描述问题，而后者主要讨论系统的动态行为描述和表达。结构性描述一般包括分布式控制系统的网络拓扑结构、网络节点的逻辑接口特征、网络的通讯协议等方面内容。系统的动态行为描述则包括分布式控制算法、网络管理算法、控制节点的逻辑状态转换特性等行为描述。目前对分布式控制系统的静态描述主要是以德国Vector公司为代表的一些处于技术领先地位的企业标准，但一个业界公认的标准数据模型一直没有形成。相对静态结构描述，对分布式控制系统的动态行为的描述更加显得不够充分，和嵌入式软件开发工作类似，各开发团队根据各自理解按照自身背景选择自己喜欢的文档描述方式表达控制策略和逻辑，其突出问题是技术方案不具有互换性和通用性，难以推广到更大的范围，并且很难直接用于计算机辅助开发。以现有CAN总线控制系统开发过程为例，现在的开发实施过程一般是，首先通过文本文档对网络规范和协议进行描述，然后通过手工编程加以实现。该方法的主要问题是，效率低且容易引起歧义，更主要的是没有给出统一的数据格式，无法在整个总线协议实施过程中实现自动的电子数据转换和交换。针对上述问题，个别研究团体采用数据库方式描述网络通讯协议，这种解决方案在可读性和人机交互方面有很大进步，但仍存在一些技术缺陷：首先，数据库不开放，要用专门的软件工具对数据库进行读取和修改，可互换性差；其次，可扩展性差，必须编制专门的软件工具才能实现扩展功能，如自动格式转换、自动应用到特定平台、自动创建和修改等，限制了该方法在更大的范围内的推广应用。

针对车载分布式控制系统开发中存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题是提出一种整体的车载分布式控制系统计算机辅助开发方法，该方法参照面向对象应用的基本思想，对分布式系统进行静态和动态描述与建模，在建立系统的动静态模型后，统一模型的机读数据格式，将计算机辅助开发技术引入到开发工作的各个阶段和层面，保证开发工作的质量和效率。
本发明所采用的技术方案：一种车载分布式控制系统的计算机辅助开发方法，该方法基于模型驱动的体系结构，其步骤包括：首先基于UML建模语言建立车载分布式控制系统的抽象数学模型，该抽象数学模型同时包括了对分布式控制系统的静态结构描述和动态行为描述；然后，根据所建立的UML模型语义规范建立针对应用的协议数据交换的XML文档；最后，将上述易于数据交换的XML文档作为统一数据交换数据源，用于开发车载分布式控制系统的基于统一数据源的各种计算机辅助分析、设计和测试软硬件工具。
所述的基于UML建模语言建立车载分布式控制系统的抽象数据模型包括建立面向对象的四层体系结构，首先产生“协议语义模型”(PSchema)、“可视化语义模型”(GSchema)和“分布式控制系统开放过程模型”(OPM)三类M1层模型，其中“协议语义模型”进一步具体实例化为M0层的“分布式控制系统互换数据”(DDX)；“可视化语义模型”进一步具体实例化为M0层的“分布式控制图形界面交换数据”(DGX)，DGX是一种与设备无关的基于SVG的控制系统用户图形接口描述方法；“分布式控制系统开放过程模型”进一步实例化为M0层的“过程模型对象”(PMO)，PMO对逻辑和时序关系的描述构成了所述车载分布式控制系统计算机辅助开发方法中的算法逻辑和流程平台无关表述。
本发明的有益效果是：本发明将面向对象应用开发技术UML“统一建模语言”引入到车载分布式控制系统的开发过程中，也将软件工程中通用的做法和先进的开发思想纳入进来，这使得在车载分布式控制系统的开发过程中，开发人员有了一个规范的开发步骤和相应的必要计算机辅助工具，不仅可以提高个人的开发质量和效率，同时为不同开发团队之间的数据和信息交换定义了一个标准和规范。本发明提出了DDX和DGX结构化数据描述的概念，使得开发过程中统一数据交换成为可能。另外，本发明提出OPM的概念，不论是针对测试和调试应用还是嵌入式节点代码实现，OPM可以将逻辑和时序模型与目标算法实现统一起来，为算法代码自动生成奠定了基础。综上，本发明提出的一种车载分布式控制系统计算机辅助开发方法，建立了车载分布式控制系统的动静态模型，建立了所述模型的统一机读数据格式，将计算机辅助开发引入到开发工作的各个阶段和层面，提高了开发工作的质量和效率。
附图说明
图1是遵循OMG四层体系结构的建模方法流程图；图2是统一数据交换模型和基于模型的应用开发实施流程图；图3是分布式控制系统网络通讯协议制定和发布实施流程图；图4是测量、标定、诊断及测试与验证平台相关模型的实施流程图；图5是一个算法实现和自动代码生成的流程图。

与本发明密切相关的两项技术现有技术是UML和XML技术。在包括车载控制器软件在内的软件开发领域，“统一建模语言”(Unified ModelingLanguage，简称UML)得到越来越多的认可和运用。UML是由OMG(ObjectManagement Group)提出的模型驱动体系结构的一个核心技术，它是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的面向对象的统一建模语言，是第三代用来为面向对象开发系统的产品进行说明、可视化、编制文档和自动代码生成的方法。UML是由图和元模型组成的，图是UML的语法，而元模型则给出了图的意思，即UML的语义。UML提供了各种图形，比如用例图、类图、顺序图、协作图、状态图等分别用于不同的描述角度，来把这些模型元素及其关系可视化，让人们可以清楚容易地理解模型。基于UML开发了许多可用UML建模软件系统，利用这些工具，我们可以建立用UML描述的软件系统的模型，而且可以自动生成和维护C++、Java、VB、Oracle等语言和系统的代码。这就为我们根据模型实现车载分布式控制系统的软硬件设计提供了可能。XML是一种元标记语言，所谓“元标记”就是开发者可以根据自己的需要定义自己的标记。“使标记对人和机器都可读”是XML的本质，这也是本发明采用XML的原因，即提供了一种结构化数据描述。将XML应用于特定领域的基本步骤是：首先，定义一套该领域专用的完备的词汇表，该词汇表既可以作为该领域内数据交换的基本标准格式，不同团队之间的信息和开发系统又可以基于此实现最大限度的重用。目前在很多领域已经形成了一些权威的词汇表用于电子数据交换，比如用于2维矢量图描述的SVG(Scalar Vector Graphics)，用于化学领域的CML(ChemicalMarkup Language)，用于数学公式表述的MathML(Mathematical MarkupLanguage)，用于多媒体数据交换的SMIL(Synchronized MultimediaIntegration Language)等。
本发明有三个主要步骤，一种车载分布式控制系统的计算机辅助开发方法，该方法基于模型驱动的体系结构进行设计，其步骤包括：首先基于UML建模语言建立车载分布式控制系统的抽象数据模型，该抽象数据模型同时包括了对分布式控制系统的静态结构描述和动态行为描述，静态建模是在对车载分布式控制系统的结构特点做深入分析的基础上，建立其UML类图描述的数据模型，随后将UML表述为指导XML文档生成的XML语义表(XMLSchema)，而动态行为描述(或称建模)主要利用UML的类图、用例图、状态机图、顺序图、协作图等描述分布式控制算法的逻辑和流程；然后，根据所建立的UML模型语义定义针对应用的协议数据交换的XML文档；最后，将上述易于数据交换的XML文档作为统一数据交换数据源，用于开发车载分布式控制系统的基于模型的各种计算机辅助分析、设计和测试软硬件工具。所述的基于UML建模语言建立车载分布式控制系统的抽象数据模型包括建立面向对象的四层体系结构，首先产生“协议语义模型”(PSchema)、“可视化语义模型”(GSchema)和“分布式控制系统开放过程模型”OPM三类M1层模型，其中“协议语义模型”进一步具体实例化为M0层的“分布式控制系统互换数据”DDX；“可视化语义模型”进一步具体实例化为M0层的“分布式控制图形界面交换数据”DGX，DGX是一种与设备无关的基于SVG的控制系统用户图形接口描述方法；“分布式控制系统开放过程模型”进一步实例化为M0层的“过程模型对象”PMO，PMO对逻辑和时序关系的描述构成了所述车载分布式控制系统计算机辅助开发方法中的算法逻辑和流程平台无关表述。
本发明的建模过程严格遵循OMG提出的基于模型开发的四层体系结构，如图1所示，元-元模型层(M3)的MOF和元模型层(M2)的UML是既有模型，而本发明的建模工作主要集中在模型层(M1)和对象层(M0)。模型层(M1)的建模工作采用M2层的UML语言类图表述被研究对象，即车载分布式控制系统，的行为特征，本发明主要提出如下3方面模型：PSchema(Protocol Schema)：协议语义模型。该类模型运用UML的类图，描述分布式控制系统总线拓扑结构及协议数据传输规则；本发明采用自己开发的一套协议语义模型，但并不局限于此，作为一种开放式的开发方法，本发明开发的协议语义模型既可以供其他类似系统采用，也同时为相关领域的协议语义模型导入提供了接口。从长远来看，采用(现场)总线的车载分布式控制系统的协议语义模型将演化成行业认可的标准语义。GSchema(Graphics Schema)：可视化语义模型，采用UML的类图，描述设备无关用户图形接口模型。OPM(Open DCS Process Model)：分布式控制系统开放过程模型，主要利用UML的类图，依据面向对象的程序开发思想，建立面向对象的分布式控制算法逻辑和流程的基本过程模型。在模型层(M1)建模工作的基础上，对象层(M0)通过实例化模型层的UML类图，可以建立符合对象层各语义/过程模型的具体实例对象。首先将根据模型层的协议语义模型(PSchema)和可视化语义模型(GSchema)生成对应的实例化结构化数据DDX(分布式控制系统互换数据，DCS Data Exchange)和DGX(分布式控制图形界面交换数据，DCS GUI Exchange)。DDX和DGX均为规范的XML文档，并且XML的语法和名称空间均严格符合协议语义模型(PSchema)和可视化语义模型(GSchema)的规定。因为模型层给出的协议语义模型(PSchema)和可视化语义模型(GSchema)将指导生成对象层的结构化数据DDX和DGX，所以，用UML类图描述的PSchema和GSchema将用于检验DDX和DGX的合法性，为此，本发明进一步将UML类图描述的PSchema和Gschema转化为对应的XML语义(XML Schema)表达形式，这样，通用的XML编辑和处理程序就可以识别PSchema和GSchema模型结构，并进一步检验DDX和DGX是否合法。本发明引入DGX，主要为了完成与用户图形接口有关的应用开发任务。首先，DGX采用SVG(Scalar Vector Graphic)格式，这是一种符合XML标准的与平台无关的2维矢量图形描述格式。其次，因为建模的所有信息在DDX和图形库中都有所表达，因此DGX是一类二次模型。DGX的引入使得与用户图形接口有关的应用开发任务同样可以分成PIM和PSM两个阶段完成。比如在一个测量应用中，分布式系统开发者希望将车辆速度以指针的形式显示给车辆驾驶员，为此开发者需要分阶段完成两项工作，首先建立指针图形的DGX描述，这是与显示平台无关的SVG格式描述，这是PIM阶段的工作；随后他/她根据DGX格式选用特定实现平台，建立符合标准的图形显示终端设备，这是PSM阶段的工作。“分布式控制系统互换数据DDX”是根据协议语义模型PSchema生成的实例化数据文档，它具体描述了一个给定的车载分布式控制系统的总线通讯协议实例，它将作为后续工作中数据交换和处理的核心数据库。“分布式控制图形界面交换数据DGX”是根据可视化语义模型GSchema生成的实例化数据文档，它具体描述了一个给定的车载分布式控制系统的特定开发过程中开发测试人员与总线协议数据之间平台无关的可视化交互界面。模型层的OPM类图的实例化生成所谓的“过程模型对象”(PMO)对逻辑和时序关系的描述构成了车载分布式控制系统的算法逻辑和流程平台无关表述，因此PMO采用规范的易于理解的方式将统一的分布控制思想表达出来。对象层(M0层)的XML数据库DDX和DGX，以及平台无关算法逻辑和流程描述PMO构成了后续基于模型的平台相关应用开发的统一数据交换基础。
本发明的建模过程产生的实际上是一类平台无关模型(PIM，PlatformIndependent Model)，在此基础上，为完成特定的基于模型的应用开发任务，必须结合具体的实现平台，即引入所谓的平台相关模型(PSM，PlatformSpecific Models)。本发明的另外一方面内容就是基于模型的应用开发方法，该部分内容可以用图2的过程描述概括。继承图1中建模部分的成果，图2中在第1部分描述的平台无关模型(PIM)中的M1层和M0层内容作为“统一数据交换”的基础上，列举了主要的几个平台特定模型和应用。图2中PSM层次概括了本发明中基于模型的应用开发的主要领域，这包括但不限于如下内容1.基于DDX、DGX和PMO的分布式控制系统网络通讯协议制定和发布；
2.基于DDX和PMO的分布式控制系统嵌入式控制器控制算法的计算机辅助实现和自动代码生成；3.基于DDX、DGX的分布式控制系统网络通讯协议调试和测试工具开发；4.基于DDX、DGX和PMO的分布式控制系统测量、匹配标定和故障诊断软、硬件工具；上述基于模型的扩展和应用，在本发明前面提出的平台无关建模技术和结果的基础上，将计算机辅助开发技术应用到车载分布式控制系统开发过程的各个阶段。
下面简单介绍上述4类应用的具体实施办法。
(1)基于DDX、DGX和OPM的分布式控制系统网络通讯协议制定和发布；图3是分布式控制系统网络通讯协议制定和发布实施步骤流程图，在DDX、DGX和PMO的基础上，利用通用的XML文档转换和处理规范和工具，比如XSL(Extensible Stylesheet Language)和XSLT(XSLTransformations)等，可以对原始XML格式的DDX和DGX文件进行转换和加工处理，输出成包括PDF(Portable Document Format)格式的协议文档；另外实例对象PMO和状态机图、顺序图等也能够以规范化、易于交流的图形形式嵌入到PDF协议文档中。这样，就可以将原始数据交换信息转化为开发人员可以方便读懂的文本协议加以发布。
(2)开发测试人员和设备的交互图4是测量、标定、诊断及测试与验证等平台相关模型实施流程图，基于DDX、DGX的分布式控制系统网络通讯协议调试和测试工具开发以及测量、匹配标定和故障诊断软、硬件工具都可以概括为开发测试人员和设备的交互这样一类应用。因为用JAVA语言处理XML和SVG文档具有很多技术上的优势，所以本发明在实现技术上选用JAVA语言作为基本平台。图4也给出了一个可能的MCD(测量、标定和诊断)应用系统应该具有的基本功能模块。首先，这样的系统必须具备平台无关模型DDX和DGX的平台相关实现SPO(Specific Platform Object)，作为模型的实例化和运行时刻物化对象，从而可以实现对他们的检索等操作。其中DDX的SPO称为“特定平台对象数据接口”(SPODataInterface)，而DGX的SPO称为“特定平台对象图形接口”(SPOGraphicInterface)，分别处理协议数据和图形用户接口。其次，控制逻辑和算法的实现依赖于“过程模型实现”代码PMI(ProcessModel Implement)，这是平台无关模型PMO的平台相关实现。另外，由于必定要对分布式控制系统总线数据进行处理，所以要具有总线信号采集设备和相应的硬件接口软件功能模块。最后，所有模块依托在一个统一的“运行平台”上，该平台负责各功能模块间的进程间数据交换和消息传递。对于这样一个系统，最终使用者或操作者的接口主要有两个，“特定平台对象图形接口”SPOGraphicInterface和“运行平台”，使用者通过系统提供的接口可以完成一个既定的(测量或调试)应用任务。
(3)算法实现和自动代码生成图5给出了一个可能的算法实现和自动代码生成的流程图。根据平台无关算法模型对象PMO和结构化协议数据描述DDX，通过代码生成工具可以分别生成高级语言代码，比如C语言的头文件(.h文件)和源文件(.c文件)代码。经过编译器编译就可以生成目标代码，在组成分布式控制系统的各嵌入式目标节点上运行。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。