CN105303004A - 一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，包括：抽象出复杂系统涉及的多个不同学科领域的模型共性；根据不同学科领域的模型共性，对SysML进行扩展；根据SysML扩展元素，构建原子模型和耦合模型，并对原子模型和耦合模型进行形式化定义；根据确定的复杂系统业务需求，对复杂系统业务进行层次化分解，以便利用原子模型和耦合模型的形式表达复杂系统业务；将各个原子模型和耦合模型融合起来构成复杂系统顶层模型，并进行协同仿真与验证。

Description

一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法

技术领域

本发明涉及系统设计领域，更具体地说，本发明涉及一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法。

背景技术

复杂系统是指那些结构组成复杂且同时包括离散状态行为和连续动态行为两种动态特征的耦合系统。飞行器控制系统、汽车电子控制系统等都是典型的复杂反应型系统。

在复杂系统设计过程中，设计人员首先进行系统顶层设计。在该阶段，设计人员采集用户需求，并对其进行分析、分解和精化，并基于用户需求进行系统的分析与设计，得到系统总体设计方案。其中总体设计方案是后续设计工作的依据，它决定了最终设计出的物理样机是否运行正确并满足用户需求，因此设计人员应首先保证总体设计方案正确且满足用户需求。

传统的复杂系统设计方法即是一文档驱动式设计方法，设计流程包括从方案设想系统分析、系统设计直到系统验证分析的一系列步骤，随着CAD/CAM/CAE技术的发展，当前复杂系统设计方法转变为基于文档和CAD模型混合的设计方法，但其本质上还是文档驱动式的设计方法。文档驱动式的设计方法主要有两种表现方式，一是各阶段的设计成果以文字、图表等文档的形式呈现，二是在各阶段之间传递的信息也是各种文档。该方法虽然在过去相当长一段时间内成功支持了各类复杂系统的设计，但也存在如下的缺点和不足。

①设计方案表达不充分

文档驱动式的设计方法中，无论是需求分析阶段、顶层建模阶段还是各个子系统设计阶段，设计方案都是使用文字、图表、图像等自然语言甚至是设计人员之间的口头交流来表示，这并不能充分的表达设计人员的意图；

②信息表达的二义性

文档偏向于自然语言的表达方式，主观意愿难于避免，使得文档形式的设计方案存在歧义，即同一份设计方案不同设计人员的认识和理解也可能不尽相同，从而造成信息孤岛；

③领域设计之间存在鸿沟

由于复杂系统是一种涉及众多学科领域的系统，并且每个领域均存在多种建模工具和建模语言，导致建模语言繁多，设计人员之间难以以规范、统一的方式进行信息沟通；

④文档的不可执行性

由于文档缺乏形式化定义，各阶段的设计信息缺乏必要的分析和验证手段，难以进行有效的仿真验证，因此难以发现各阶段设计方案中存在的错误；

⑤软件测试工作量大

文档驱动式的设计方法，由于缺乏统一的设计规范，最终的软件测试需借助专业的工具软件，工作量巨大，难度高。

传统的复杂系统传统设计方法在系统顶层设计阶段给出的设计方案是文档形式且该阶段设计工作缺乏必要的系统级辅助设计及仿真验证手段，因此设计人员无法保证总体设计方案运行正确且满足用户需求。而一旦总体设计方案中存在歧义和错误，那么这些歧义和错误会在后续设计阶段甚至硬软件联调阶段得到放大和蔓延，等到发现时再进行修改，其代价是巨大的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够消除传统复杂系统开发方式的不足的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，包括：

第一步骤：抽象出复杂系统涉及的多个不同学科领域的模型共性；

第二步骤：根据不同学科领域的模型共性，对SysML进行扩展；

第三步骤：根据SysML扩展元素，构建原子模型和耦合模型，并对原子模型和耦合模型进行形式化定义；

第四步骤：根据确定的复杂系统业务需求，对复杂系统业务进行层次化分解，以便利用原子模型和耦合模型的形式表达复杂系统业务；

第五步骤：将各个原子模型和耦合模型融合起来构成复杂系统顶层模型，并进行协同仿真与验证。

优选地，所述多个不同学科领域包括机械领域、电子领域、控制领域和液压领域。

优选地，利用元对象表示模型共性。

优选地，第二步骤包括：在Rhapsody软件中利用SysML配置文件进行扩展，其中SysML配置文件包括如下六种扩展元素：StateChart配置文件、SIMULINK配置文件、HybridBehavior配置文件、Control配置文件、Dynamic配置文件和Port配置文件。

优选地，第三步骤包括：在Rhapsody软件中利用第二步骤扩展的六种SysML配置文件，基于元对象机制对原子模型和耦合模型进行形式化定义，使之符合多领域模型协同仿真需要。

优选地，第五步骤的协同仿真与验证包括同层次原子模型和耦合模型之间的数据、事件、信号和能量的流通以及耦合模型内部跨层次的数据、事件、信号和能量的流通。

本发明的复杂系统顶层设计方法，将复杂系统涉及到的机械、电子、控制、液压等各个领域的模型均抽象为统一的原子模型或耦合模型。通过对模型的解释、执行或者自动生成代码，原子模型和耦合模型可以自动转化为可工作的软件应用，使得复杂系统开发更加快捷，开发成本更低。同时，开发者不必花费大量的时间和精力在代码编写和测试上，可以更加专注于如何搭建系统功能性构架，花更多的精力去解决复杂系统关键部分的技术攻关。如果开发过程中有人中途加入，不需要阅读大量的源代码，而仅仅需要理解这些原子模型和耦合模型就可以投入工作。另外，由于原子模型和耦合模型是依据功能抽象出来的，避免了文档的二义性，且有更好的易读性。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了MFBS框架下复杂系统设计知识模型。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的模块—功能映射类型。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的功能—行为映射类型。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的行为—结构映射类型。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的顶层设计步骤。

图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的原子模型。

图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的耦合模型。

图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的复杂系统顶层模型。

图9示意性地示出了根据本发明优选实施例的流程图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

本发明方法采取元对象机制和基于模型的系统工程设计方法。如图9所示，复杂系统顶层设计首先对涉及到的机械、电子、控制、液压等不同学科领域的模型进行抽象；在抽象出不同学科领域模型共性的基础上，通过对系统工程建模语言SysML进行扩展，利用扩展的SysML构建模块、功能、行为和结构框架下的系统原子模型，并对原子模型进行形式化定义；最后利用形式化的原子模型对复杂系统的动态行为、静态结构和约束关系进行建模与仿真，验证顶层设计效果。本发明使设计人员可专心于复杂系统顶层设计而不必考虑领域模型设计，实现在方案设计阶段即对复杂系统动态行为、静态结构和约束关系进行建模与仿真，减少甚至消除方案设计阶段的逻辑错误，有效避免后期的循环设计，大幅提高了复杂系统的设计效率。

本具体实施方式中，复杂系统对外的表现都是其功能、行为和结构(Function-Behavior-Structure,FBS)，抛却系统的具体物理实体，将其进行抽象，仅以FBS模型来表示系统即为顶层设计。复杂系统顶层设计方法采用模型抽象方式，将复杂系统抽象为动态行为、静态结构以及若干的约束关系。随着复杂系统的复杂性越来越高，采用FBS模型组合各部分功能的结构形成复杂系统整体方案时，会产生大量的冗余设计方案，造成设计效率低下，借鉴模块化设计在简洁模型求解集合上的优势，提出了模块、功能、行为和结构(Modular-Function-Behavior-Structure,MFBS)框架下复杂系统设计知识模型，并利用SysML配置文件(Profile)扩展机制对MFBS框架下复杂系统设计知识模型进行支持。“模块”是复杂系统的若干基本功能元的组合体；“功能”由设计需求出发，表达复杂系统设计目的，用复杂系统基本功能元表示；“行为”是“功能”和“结构”之间的桥梁，可由行为推断出复杂系统结构；“结构”则是定义设计由哪些元件组成以及元件之间的组成方式。图1为MFBS框架下复杂系统设计知识模型。

在功能的驱动下，复杂系统的行为描述与结构描述是复杂系统描述的两个重要方面，行为是对复杂系统功能、性能以及流程的描述，结构则是对复杂系统组成的描述，行为映射到结构，再加上相互间的约束关系则形成了完整的复杂系统描述。若把行为描述与结构描述分别考虑，那么所期望的某种复杂系统行为模型就可以向若干种不同的复杂系统结构组成映射，从而形成不同的复杂系统实现，因此在一定的复杂系统行为约束下，可以对不同的复杂系统结构进行分析，寻找复杂系统的最优设计方案。MFBS框架下复杂系统设计知识模型通过在模块—功能、功能—行为、行为—结构间建立映射关系，实现从功能空间到结构空间的复杂系统顶层建模。

①模块—功能映射

模块是一个或若干个功能元的组合体，一般由若干个相关联的功能体组合而成。一个模块可能包含一个功能元，也可能包含多个功能元，即模块到功能的映射是一对多的关系；但一个功能元对应的模块是唯一的，即功能到模块的映射是一对一的关系，如将飞行控制计算机模块映射为“解算控制律”和“控制模态转换”两个功能元。模块—功能映射如图2所示。

②功能—行为映射

即通过何种行为实现功能元，归纳功能元的行为实现方法，主要有以下三种映射类型，如附图3所示。

FBI：一个功能元由一个或多个行为实现，多个行为之间的关系为或；

FB2：一个功能元由多个行为实现，多个行为之间的关系为与；

FB3：多个功能元由一个行为实现，多个功能元之间关系为与。

③行为—结构映射

即通过何种结构实现行为，归纳行为的结构实现方法，主要有以下三种映射类型，如附图4所示。可以看出，行为是功能和结构之间的桥梁，同一个功能可由不同的结构来实现。

BSI：一个行为由一个或多个结构实现，多个结构之间的关系为或；

BS2：一个行为由多个结构实现，多个结构之间的关系为与；

BS3：多个行为由一个结构实现，多个行为之间关系为与。

在MFBS框架下，功能可以由行为和结构来描述，故复杂系统顶层建模把复杂系统划分为静态结构模型和动态行为模型。其中静态结构模型是复杂系统所有分系统的集合以及分系统之间的连接关系和约束关系，对外表现为原子模型和耦合模型的耦合连接；动态行为模型是复杂系统响应外部事件的过程，以及在响应外部事件过程中对静态模型的调度过程；通过静态结构模型和动态行为模型实现复杂系统功能，最终满足用户需求。

复杂系统顶层设计以原子模型和耦合为建模基本元素，以层次化的方式从动态行为、静态结构和约束关系三方面对复杂系统进行描述，其方法是对SysML进行若干形式的扩展，使其符合复杂系统顶层设计要求，然后以扩展后的SysML对原子模型和耦合模型进行形式化定义，构建原子模型和耦合模型，最后利用原子模型和耦合模型进行复杂系统顶层设计，其步骤附图5所示。

本发明具体按照以下步骤进行复杂系统顶层设计：

(1)抽象出复杂系统涉及到的机械、电子、控制、液压等不同学科领域的模型共性。机械、液压、电气、热力学等领域系统进行数学建模时，其物理方程具有本质上的一致性，只是各领域变量名称不同。如功率都是通过变量和跨越变量的乘积，能量则是功率对时间的积分等，一个例外是热力系统，因为其通过变量q本身就是功率。表1总结了各物理领域系统进行数学建模时用到的变量以及变量之间的关系。本发明的理论基础即上述各领域模型的共性，依据系统的固有属性、通过变量、跨越变量以及三者所描述的动力学特性进行原子模型的构建。

表1不同物理域变量间关系

(2)根据不同学科领域的模型共性，对SysML进行扩展。从模型机理形式上复杂系统可分为离散行为模型、连续行为模型和混合行为模型；从模型领域上复杂系统可分为机械、电子、控制、液压等不同领域模型，并且不同模型之间传递的信息也不尽相同，如控制系统和测量系统之间传递的是电信号，而机械系统之间传递的则是能量信号。基于以上分析，为适应复杂系统顶层设计，本发明依据顶层模型的类别，在UML元类和SysML配置文件的基础上，对SysML模型元素进行扩展，形成六种子配置文件，使其作为复杂系统顶层设计的基本元素。

①StateChart配置文件：状态图的扩展，状态图附属于某个Block，故其模型元素从SysML块定义图(BDD)和状态图的相关元素扩展而来，它对状态图中的转移语义进行修改，使之符合统离散行为建模，并为混合行为建模提供低层支持机制。

②SIMULINK配置文件：SIMULINK模型扩展，其模型元素从SIMULINKModel、SIMULINKRTW和SysML块定义图这三种元素扩展而来，结合参数图，使之符合连续系统建模，也为混合行为建模提供低层支持机制。

③HybridBehavior配置文件：该配置文件建立在StateChart配置文件、SIMULINK配置文件和Parametric配置文件基础之上，包含对复杂系统连续、离散、混合三种行为进行建模的相关模型元素。

④Control配置文件：类似于HybridBehavior配置文件，该配置文件建立在HybridBehavior配置文件之上，并对SysML块定义图进行扩展而来，提供对控制器中离散、连续和混合三种行为进行建模，并使之蕴含控制领域内的知识语义，用于对控制器进行建模。

⑤Dynamic配置文件：用于对复杂系统中物理子系统的属性和行为进行建模，虽然复杂系统涉及多种物理子系统(机械、控制、液压等)，但均遵循统一的动力学原理。因此，本文在动力学层面上对各个物理系统进行统一形式的建模，而不区分其各自领域内的特定领域知识语义。

⑥Port配置文件：该配置文件附属于Control配置文件和Dynamic配置文件，由SysML块定义图中的Standardport和Flowport扩展而来，用于对系统中建模的不同模块进行耦合连接，构建复杂系统整体模型。

(3)根据步骤2中SysML的六种扩展元素，构建原子模型和耦合模型，并对原子模型和耦合模型进行形式化定义。原子模型和耦合模型示意图如附图6和附图7所示。

原子模型形式化定义如下：

AM：<InputFlowE,InputFlowS,InputFlowD,InputEventP,OutputFlowE,OutputFlowS,OutputFlowD,OutputEventP,FlowAttribute,FlowOperation,FunctionEffect，Algorithm,fsm,BasicEvent,ProcessEvent,Constraint,InitialInterface,SemanticInterface>。

InputFlowE是输入能量流端口集合，

InputFlowE＝{(ife1,ife2,…ifen)︱ife1∈Ue1,ife2∈Ue2,…ifen∈Uen}，

其中Uei为ifei的数值集合。

InputFlowS是输入信号流端口集合，

InputFlowS＝{(ifs1,ifs2,…ifsn)︱ifs1∈Us1,ifs2∈Us2,…ifsn∈Usn}，

其中Usi为ifsi的数值集合。

InputFlowD是输入数据流端口集合，

InputFlowD＝{(ifd1,ifd2,…ifdn)︱ifd1∈Ud1,ifd2∈Ud2,…ifdn∈Udn}，

其中Udi为ifdi的数值集合。

InputEventP是输入事件集合，

InputEventP＝{ie1,ie2,…,ien}。

OutputFlowE是输出能量流端口集合，

OutputFlowE＝{(ofe1,ofe2,…ofen)︱ofe1∈Ye1,ofe2∈Ye2,…ofen∈Yen}，

其中Yei为ofei的数值集合。

OutputFlowS是输出信号流端口集合，

OutputFlowS＝{(ofs1,ofs2,…ofsn)︱ofs1∈Ys1,ofs2∈Ys2,…ofsn∈Ysn}，

其中Ysi为ofsi的数值集合。

OutputFlowD是输出信号流端口集合，

OutputFlowD＝{(ofd1,ofd2,…ofdn)︱ofd1∈Yd1,ofd2∈Yd2,…ofdn∈Ydn}，

其中Ydi为ofdi的数值集合。

OutputEventP是输出事件集合，

OutputEventP＝{oe1,oe2,…,oen}。

FlowAttribute为流的属性，包括材料属性、能量属性和信号属性。

FlowOperation为流的操作。

FunctionEffect为模型的功能效应，

FunctionEffect＝{TypeChange,PropertyChange,ChangeTrend,EventChange}，

其中TypeChange表示流的类型被改变，PropertyChange表示流的属性被改变，ChangeTrend表示被改变的流属性的变化趋势，EventChange表示事件被改变。

Algorithm为仿真算法，主要为模型的定量描述，仿真算法可以改变流的属性值和类型。

fsm为基本行为状态机，指复杂系统动态行为空间，

fsm＝(S,S0,ie0,g)，

S＝{(“Init”,A1),(“Run”,A2),(“Stop”,A3),(“Pause”,A4),(“Exit”,A5)}，

Ai是Si的动作，表示对仿真算法的调度，

ie0＝{evInit,evRun,evStop,evPause}，

g:状态转换集合，S×ie0→S。

BasicEvent为定性系统内的基本事件集合，

BasicEvent＝{be1,be2,…,ben}。

ProcessEvent定性系统内的过程事件集合，过程事件是由基本事件导出的一些中间事件，

ProcessEvent＝{pe1,pe2,…,pen}。

Constraint表示输入输出流端口之间的约束关系，一般情况下为基本数学表达式，如0≤f(of1,of2,…ofn)≤1。

InitialInterface表示对端口进行初始化，包括输入/输出流端口和输入/输出事件端口；

SemanticInterface为模型附言，主要表示该原子模型对应的元素模型所属学科领域；

耦合模型形式化定义如下：

CM：<InputFlowE,InputFlowS,InputFlowD,InputEventP,OutputFlowE,OutputFlowS,OutputEventD,OutputEventP,Constraint,InitialInterface,SemanticInterface,G,{Mg︱g∈G},Couplings,FSM>。

其中InputFlowE,InputFlowS,InputEventD,InputEventP,OutputFlowE,OutputFlowS,OutputEventP,OutputEventD,Constraint,InitialInterface,SemanticInterface的形式化与AM相同。

G为子模型的索引集合。

{Mg︱g∈G}为AM和CM的集合，Mg即为AM或CM。

Couplings为CM内部耦合连接的集合，

Couplings＝{cl0,cl1,…,cln}，

Cli＝{(Ma,ofj)→(Mb,ofk)︱a,b∈G∪{FSM}∪{CM}}表示模型a到模型b的耦合。

FSM为有限状态机，表示飞控复杂系统内部若干个任务状态，

FSM＝<InputFlowP,InputEventP,OutputEventP,fsms,Rsf>，

Fsms＝{fsm0,fsm1,…,fsmn}，

Rsf：Sij→fsmj，

InputFlowP为FSM的输入流端口，InputFlowP与子模型的输出流端口相连，它是FSM守卫条件或者状态转换的输入检测变量，用以不同状态之间的转换，InputEventP是输入事件，作为状态转换的触发条件。OutputEventP是状态机的输出事件，它输出到CM的子模型中对子模型进行调度。

(4)根据确定的复杂系统业务需求，对其进行层次化分解，直至分解为可以利用原子模型和耦合模型的表达形式；

(5)将各个原子模型和耦合模型融合起来构成复杂系统顶层模型，并进行协同仿真与验证，如附图8所示。

相比现有技术，本发明的复杂反应型系统控制器设计方法具有以下优点：

(1)通过本发明，可实现快速的对复杂系统进行顶层设计。通过在模型层对复杂系统的静态结构、动态行为和约束关系进行设计，提高系统开发层次，使设计人员能专心于系统工程层次的设计，在顶层设计阶段即能消除系统中的逻辑错误，避免到研制后期才发现逻辑错误而造成不必要的循环设计；

(2)在进行新的复杂系统设计时，可以重用原有系统模型，提高设计效率。顶层设计方法是一种利用原子模型、耦合模型及两种模型之间的连接关系进行设计的方法，原子基于扩展的六种SysML配置文件进行形式化定义，其中的主要模型元素均具有可重用性，如Control配置文件中的控制算法，Dynamic配置文件中基于统一动力学原理的物理系统中的固有方程等均可以被实例化多次，被多个原子重用。另外，由于耦合模型具有和原子模型相同的外部特征，并且与外部环境无关，都可作为可重用的概念模型，形成可重用的仿真组件。

(3)实现复杂系统多领域模型的统一设计。顶层设计方法基于扩展的六种SysML配置文件，可以对不同物理领域的模型进行高度抽象，并统一用原子模型和耦合模型描述，即通过StateChart配置文件、SIMULINK配置文件和HybridBehavior配置文件进行离散行为、连续行为和混合行为的建模；通过Control配置文件进行控制器模型的建模；通过Dynamic配置文件进行传感器、执行器等物理器件的建模；通过端口(Port)配置文件实现上述模型的连接，最终建立复杂系统多领域模型统一设计。

需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，其特征在于包括：

第一步骤：抽象出复杂系统涉及的多个不同学科领域的模型共性；

第二步骤：根据不同学科领域的模型共性，对SysML进行扩展；

第三步骤：根据SysML扩展元素，构建原子模型和耦合模型，并对原子模型和耦合模型进行形式化定义；

第四步骤：根据确定的复杂系统业务需求，对复杂系统业务进行层次化分解，以便利用原子模型和耦合模型的形式表达复杂系统业务；

第五步骤：将各个原子模型和耦合模型融合起来构成复杂系统顶层模型，并进行协同仿真与验证。

2.根据权利要求1所述的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，其特征在于，所述多个不同学科领域包括机械领域、电子领域、控制领域和液压领域。

3.根据权利要求1或2所述的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，其特征在于，利用元对象表示模型共性。

4.根据权利要求1或2所述的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，其特征在于，第二步骤包括：在Rhapsody软件中利用SysML配置文件进行扩展，其中SysML配置文件包括如下六种扩展元素：StateChart配置文件、SIMULINK配置文件、HybridBehavior配置文件、Control配置文件、Dynamic配置文件和Port配置文件。

5.根据权利要求4所述的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，其特征在于，第三步骤包括：在Rhapsody软件中利用第二步骤扩展的六种SysML配置文件，基于元对象机制对原子模型和耦合模型进行形式化定义，使之符合多领域模型协同仿真需要。

6.根据权利要求1或2所述的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法，其特征在于，第五步骤的协同仿真与验证包括同层次原子模型和耦合模型之间的数据、事件、信号和能量的流通以及耦合模型内部跨层次的数据、事件、信号和能量的流通。