CN106484972A - 一种基于uml的系统行为逻辑建模工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UML的系统行为逻辑建模工具，涉及工业电子和嵌入式系统领域。该工具包括：用例图、活动图、顺序图和状态机图，通过使用这些图，可以实现对系统行为的完整描述，系统运行场景的建立，场景逻辑关系的转换，场景内部行为的交互和单独设备的逻辑接口模型的建立，进而实现基于UML/SysML标准的电子系统功能模型建模和物理模型建模，实现数据的统一管理和应用，提高设计效率，减少设计工作量，保证上下游数据的统一。所以，采用本发明实施例提供的工具可以从根本上将航电系统设计从文字转向模型，从非结构化转向结构化，从逻辑抽象转向图形化形象表达，从游离零散转向中心关联，实现了针对结构化模型的早期的分析。

Description

一种基于UML的系统行为逻辑建模工具

技术领域

本发明涉及工业电子和嵌入式系统领域，具体涉及系统的行为逻辑的模型构建技术领域，尤其涉及一种基于UML的系统行为逻辑建模工具。

背景技术

在当前的工业电子设计过程中，需要定义系统的架构、ICD、行为逻辑等内容。现有的设计方案均采用文字处理软件(如Microsoft Word)以文档方式描述，不仅文字工作量大，而且文字之间隐含的设计关联性无法保证，设计、变更等协同无法实现，错误难以发现，给后期进一步的研制工作带来潜在隐患。为解决此问题，需为系统构建数学模型，从而基于模型进行分析、检查和仿真来实现保障系统设计结果的正确性。

现有的文字性非结构化设计结果无法用于建模、仿真，且传统的仿真手段主要集中在结构、电磁场有限元、控制律等方向，缺乏针对工业电子系统架构和行为逻辑的仿真。在系统设计的早期无法对设计结果进行验证，增加了后期设计迭代的成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于UML的系统行为逻辑建模工具，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于UML的系统行为逻辑建模工具，包括：用例图、活动图、顺序图和状态机图；所述用例图包含用例、系统边界及使用系统或功能的参与者；所述活动图用于描述各所述用例内的数据流及具体内部活动，所述顺序图用于描述所述用例内部的数据处理及逻辑关系，所述状态机图用于描述单一系统或设备的输入输出信号在不同状态下的逻辑和时序关系。

优选地，所述用例图中包括元素：用例、关联关系、泛化关系、扩展关系和包含关系，所述用例用于表示系统的某个动态功能；所述关联关系用于表示系统中用例与用例、用例与参与者之间的关系；所述泛化关系，用于表示用例间的继承关系；所述扩展关系用于表示用例间的扩展关系；所述包含关系，用于表示用例间的包含关系。

优选地，所述活动图中包括元素：活动、事件、分支、合并、判断、汇合、等待时间动作、接收事件动作、发送信号动作、活动终止点、流终止点、泳道、控制流和对象流；

活动为系统的用例或子活动，所有活动被系统数据流驱动；

事件用于关联所有活动；

合并用于整合两个并发条件的执行，并输出一条命令，包括两个个输入和一个输出；

分支用于将一个命令复制为多条相同命令，发送至不同的接收端；

汇合用于将多条命令进行归集，经过处理后发送同一条命令，即，无论输入端输入什么命令至汇合，最终都将输出同一条命令；

判断包括单一的输入，两个或多个输出，判断输入的条件是否成立后，根据条件选择输出信息；

等待时间动作用于延迟或影响信号的传输，在信号或事件输入后，触发等待时间动作中的影响条件，在条件完成后，继续传输事件或信号；

泳道用于将不同的一个或多个动作实现的过程及结果进行分类；

发送信号动作和接收事件动作总是成对的出现，数据信息发送至发送信号动作模型中后，无论接收事件动作在哪个位置，输入是什么，都将触发接收事件动作运行，输出指定信息。

优选地，所述事件中包括开始元素和结束元素，其中，开始元素是活动图中事件的起点，开始元素被触发表示事件开始；结束元素有两种，一种为活动终止，一种为流终止，活动终止是活动图中整个事件的终点，活动终止被触发代表事件结束，流终止是活动图中某条命令的结束，整个活动图事件中包括一个开始元素，多个结束元素。

优选地，所述顺序图用于描述用例图内所包含对象按时间顺序的消息交换，即随想之间的动态交互关系；所述顺序图包括元素：对象、生命线、消息和条件；

对象表示系统内参与交互的对象；

生命线用于表示某个对象在某段时间内是存在的，每个对象都有各自的生命线；

消息用于表示各个对象之间的交互信息，包括同步消息、异步消息；

条件是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励，由于状态与输入输出消息相关联，条件即与消息、事件以及逻辑关系相关联，状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成。

优选地，所述状态机图用于描述系统或系统内某个对象的不同状态之间的转换关系；

所述状态机图包括元素：状态、条件和动作；

状态表示当前设备的在满足某些输入、执行某些活动或等待某些事件时的条件或状况；其中起始状态表示开设备执行的起点，终止状态表示设备的一个最终状态；一个设备有一个起始状态和一个或多个终止状态；状态与顺序图中某个设备同一时间的输入输出消息相关联，状态机图的状态可以在顺序图完成后自动生成；

条件是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励，由于状态与输入输出消息相关联，条件即与消息、事件以及逻辑关系相关联，状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成；

动作是一个设备状态发生转换时，产生的一系列行为，动作与设备中的逻辑关系中的输出函数部分相关联，状态机图的动作可以在顺序图完成后自动生成。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供了一种用于工业电子系统的研发的行为逻辑建模工具，该工具包括：用例图、活动图、顺序图和状态机图，通过使用这些图，可以实现对系统行为的完整描述，系统运行场景的建立，场景逻辑关系的转换，场景内部行为的交互和单独设备的逻辑接口模型的建立，进而实现基于UML/SysML标准的电子系统功能模型建模和物理模型建模，实现数据的统一管理和应用，提高设计效率，减少设计工作量，保证上下游数据的统一。所以，采用本发明实施例提供的工具可以从根本上将航电系统设计从文字转向模型，从非结构化转向结构化，从逻辑抽象转向图形化形象表达，从游离零散转向中心关联，实现了针对结构化模型的早期的分析。

附图说明

图1是“安全系统”的用例图；

图2是“进入控制系统”用例内动作处理的活动图；

图3是建模方法的示意图；

图4是建模方法的流程图；

图5是以飞控系统内，塔康进场为功能用例的用例图；

图6是“塔康进场”用例的内部动作描述活动图；

图7是系统内对象间消息交互设置框图；

图8是以“进入进场”为例的逻辑关系设计图；

图9是以IMP设备为例的状态机图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种基于UML的系统行为逻辑建模工具包括：用例图、活动图、顺序图和状态机图；所述用例图包含用例、系统边界及使用系统或功能的参与者；所述活动图用于描述各所述用例内的数据流及具体内部活动，所述顺序图用于描述所述用例内部的数据处理及逻辑关系，所述状态机图用于描述单一系统或设备的输入输出信号在不同状态下的逻辑和时序关系。

其中，所述用例图中包括元素：用例、关联关系、泛化关系、扩展关系和包含关系，所述用例用于表示系统的某个动态功能；所述关联关系用于表示系统中用例与用例、用例与参与者之间的关系；所述泛化关系，用于表示用例间的继承关系；所述扩展关系用于表示用例间的扩展关系，例如手机与外置内存扩展卡的关系；所述包含关系，用于表示用例间的包含关系，例如手机与手机内部电池的关系。

通过上述元素可以完整的描述系统的完整功能及操作条件。

所述活动图中包括元素：活动、事件、分支、合并、判断、汇合、等待时间动作、接收事件动作、发送信号动作、活动终止点、流终止点、泳道、控制流和对象流；

活动为系统的用例或子活动，所有活动被系统数据流驱动；

事件用于关联所有活动；

合并用于整合两个并发条件的执行，并输出一条命令，包括两个个输入和一个输出；

分支用于将一个命令复制为多条相同命令，发送至不同的接收端；

汇合用于将多条命令进行归集，经过处理后发送同一条命令，即，无论输入端输入什么命令至汇合，最终都将输出同一条命令；

判断包括单一的输入，两个或多个输出，判断输入的条件是否成立后，根据条件选择输出信息；

等待时间动作用于延迟或影响信号的传输，在信号或事件输入后，触发等待时间动作中的影响条件，在条件完成后，继续传输事件或信号；

泳道用于将不同的一个或多个动作实现的过程及结果进行分类；

发送信号动作和接收事件动作总是成对的出现，数据信息发送至发送信号动作模型中后，无论接收事件动作在哪个位置，输入是什么，都将触发接收事件动作运行，输出指定信息。

其中，事件是活动图内所有活动关联“桥梁”。事件本身与系统中相关的数据流相关联，系统的所有活动均被数据流驱动，使得活动图模型没有独立，而是通过信号与ICD模型、系统架构模型相关联，达到了“统一模型”的目的。

所述事件中包括开始元素和结束元素，其中，开始元素是活动图中事件的起点，开始元素被触发表示事件开始；结束元素有两种，一种为活动终止，一种为流终止，活动终止是活动图中整个事件的终点，活动终止被触发代表事件结束，流终止是活动图中某条命令的结束，整个活动图事件中包括一个开始元素，多个结束元素。

在分支中，当输入为多个活动输出时，将多个活动输出之间的逻辑关系进行编辑后，得到两个输出的互斥条件。

所述顺序图用于描述用例图内所包含对象按时间顺序的消息交换，即随想之间的动态交互关系；所述顺序图包括元素：对象、生命线、消息和条件；

对象表示系统内参与交互的对象；

生命线用于表示某个对象在某段时间内是存在的，每个对象都有各自的生命线；

消息用于表示各个对象之间的交互信息，包括同步消息、异步消息；

条件是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励，由于状态与输入输出消息相关联，条件即与消息、事件以及逻辑关系相关联，状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成。

所述状态机图用于描述系统或系统内某个对象的不同状态之间的转换关系；

所述状态机图包括元素：状态、条件和动作；

状态表示当前设备的在满足某些输入、执行某些活动或等待某些事件时的条件或状况；其中起始状态表示开设备执行的起点，终止状态表示设备的一个最终状态；一个设备有一个起始状态和一个或多个终止状态；状态与顺序图中某个设备同一时间的输入输出消息相关联，状态机图的状态可以在顺序图完成后自动生成；

条件是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励，由于状态与输入输出消息相关联，条件即与消息、事件以及逻辑关系相关联，状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成；

动作是一个设备状态发生转换时，产生的一系列行为，动作与设备中的逻辑关系中的输出函数部分相关联，状态机图的动作可以在顺序图完成后自动生成。

本发明实施例提供的活动图、顺序图以及状态机图中的元素可完整的描述系统的功能、物理行为属性、逻辑属性以及实时属性。因此，采用本发明实施例提供的工具，可以建立航电研发统一的系统功能模型和系统物理模型，实现与上游需求管理，与下游ICD设计、POP设计以及验证实现关联与数据复用。

采用本发明实施例提供的工具，可以利用图形化的描述使系统的行为和逻辑更方便的定义和查看。同时，可与其它类型模型如AADL、Simul ink、Model ica等模型相关联，来创建某个系统的完整数字模型。

采用上述实施例提供的基于UML的系统行为逻辑建模工具，可以按照如下步骤实现基于UML的系统行为逻辑建模：

S1，定义系统的应用场景；

S2，编辑应用场景之间的活动流程以及各个应用场景的驱动事件，建立活动图；

S3，根据活动图的事件，编辑顺序图；

S4，根据活动图和顺序图，生成状态机图。

其中，S1具体可以为：依据系统的接口控制文件和系统架构数据，结合实际需求，定义系统的应用场景。

S2中还可以包括步骤：在活动图中，添加分支和合并，为某些有特殊需求的应用场景的驱动事件定义条件。

S3中还可以包括步骤：在顺序图中，将事件更改后作为顺序图的事件并反馈至活动图；添加设备间传递的消息以及设备消息在该时刻响应值；在消息定义完成后，添加消息之间的延时以及输入消息和输出消息之间的逻辑关系。

S4中还可以包括步骤：根据系统设计前期已经设计好的系统接口控制文件和系统架构数据，通过添加状态、条件和动作，自行定义某设备的状态机图。

具体实施例一：功能逻辑建模的实现过程

1、案例概况：

系统主要功能：实现安全系统的功能建模及功能的数字化验证。

系统包含子功能：进入控制系统、退出控制系统、配置安全系统。

2、功能建模过程：

1)从需求开始到功能的详细设计结束，完成案例功能的数字化开发，导出结果模型和文件的同时，实现系统功能的数字化描述，并可应用于数字化仿真。

2)整个安全系统中，一共包括三个主要功能：进入控制系统功能、退出控制系统功能、配置安全系统功能，分别用三个用例：进入控制系统、退出控制系统及配置安全系统表示如图1。

3)使用包含参与者、用例及系统边界的用例图定义系统的整体功能和关系，如图1所示。

4)创建活动图：使用活动图描述各个功能用例内部中数据处理和具体的功能动作的执行，以进入控制系统为例，进入控制系统中，需要人为的扫描安全卡与指纹，在此过程中，首先要扫描安全卡，若安全卡不正确，系统会发出报警，若安全卡正确，则进入下一步扫描指纹，若扫描指纹不成功，则需要重新扫描。若两种验证都成功，则可成功登入系统，具体如图2所示，描述用例“进入控制系统”的活动图中，一共包含9个动作完成用例中完整的功能，9个动作分别为“读取安全卡”、“显示安全卡状态”、“扫描指纹信息”、“登录成功”、“记录登录信息”、“无效安全卡”、“报警”、“扫描失败”、“重新扫描”，动作处理的过程中，使用“安全卡有效”、“指纹匹配”完成动作正确与否的判断，发送下一步命令，用例图中，“进入控制系统”用例与参与者存在关联，及功能的正常运行需要有人的参与，在活动图中，与动作连接的“A”即参与者于用例的控制关系，参与者参与到动作的进行中，“进入控制系统”有一个开始元素和两个结束元素，两份结束元素分别描述“报警”和”记录登录信息“两个动作都会导致整个功能的结束。

具体实施例二：物理逻辑建模

1、案例概况：

系统功能：实现具备人在环的航路飞行、进场及着陆过程的系统功能数字化开发与验证；

系统对象组成：HUD(平视显示器)，MFD(多功能显示器)，UFCP(正前方控制板)、IMP(综合处理单元)、ADLC(大气数据机)、AIP(航电综合按键)、INE(惯性导航仪)、ICNI(综合通信、导航、识别系统)等设备；

人机界面：HUD，MFD(PFD(主要显示器)、ND(导航显示器)、ED(发动机显示器))，UFCP，摇杆。

2、工具实现建模流程：

工具实现物理逻辑建模流程如图5、图6、图7和图8所示。

3、运行流程：

1)从需求开始到详细设计结束，完成案例的数字化开发，导出结果模型和文件的同时，并可直接实现全数字仿真；

2)飞行员可通过UFCP画面按键发起进场、着陆过程，通过驾驶杆控制飞行姿态，各个指令经过IMP处理协调各个显示设备，实现飞机完整过程的状态显示；

3)根据案例需求进行功能分解，得出以下用例如图5所示：该用例图中只包含操纵者和一个用例“塔康进场”，及其后的活动图、顺序图、状态机图都是为实现塔康进场这个功能所进行的建模及描述。

4)根据案例需要，绘制活动图，将以上用例展开，实现用例的活动描述，如图6所示。活动图中包含混航、进场、选择返航进场、自主进场、塔康进场、着陆、微博着陆、仪表着陆8个动作，从开始元素开始，从顶至下，活动图描述了各个动作之间的运行关系。

5)编辑各个场景的顺序图，如图7所示，定义各个场景内部的行为逻辑关系，得到顺序图，如图4所示；其中，“系统开为该场景的开始事件”，事件属性如图5所示(关联ICD信号为“系统开”)；图中实线箭头为消息，以“UFCP状态2”为例，其属性如图6所示：所有的消息延时统一设置，如图8所示；以“进入进场”为例，其逻辑关系为俯仰角<30°并且滚转角<10°，如图8所示；

6)在活动图与顺序图绘制完成后，可自动生成相关设备的状态机图，以IMP设备为例，如图9所示。图中，巡航、塔康进场、自主进场为IMP三个状态，按下进场按钮为转换事件，当按下进场按钮时，系统开&周边键操作号＝不操作时，进入塔康进场状态；系统&UFCP输出数据时，进入自主进场状态。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供了一种用于工业电子系统的研发的行为逻辑建模工具，该工具包括：用例图、活动图、顺序图和状态机图，通过使用这些图，可以实现对系统行为的完整描述，系统运行场景的建立，场景逻辑关系的转换，场景内部行为的交互和单独设备的逻辑接口模型的建立，进而实现基于UML/SysML标准的电子系统功能模型建模和物理模型建模，实现数据的统一管理和应用，提高设计效率，减少设计工作量，保证上下游数据的统一。所以，采用本发明实施例提供的工具可以从根本上将航电系统设计从文字转向模型，从非结构化转向结构化，从逻辑抽象转向图形化形象表达，从游离零散转向中心关联，实现了针对结构化模型的早期的分析。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域人员应该理解的是，上述实施例提供的方法步骤的时序可根据实际情况进行适应性调整，也可根据实际情况并发进行。

上述实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，例如：个人计算机、服务器、网络设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，例如：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于UML的系统行为逻辑建模工具，其特征在于，包括：用例图、活动图、顺序图和状态机图；所述用例图包含用例、系统边界及使用系统或功能的参与者；所述活动图用于描述各所述用例内的数据流及具体内部活动，所述顺序图用于描述所述用例内部的数据处理及逻辑关系，所述状态机图用于描述单一系统或设备的输入输出信号在不同状态下的逻辑和时序关系。

2.根据权利要求1所述的基于UML的系统行为逻辑建模工具，其特征在于，所述用例图中包括元素：用例、关联关系、泛化关系、扩展关系和包含关系，所述用例用于表示系统的某个动态功能；所述关联关系用于表示系统中用例与用例、用例与参与者之间的关系；所述泛化关系，用于表示用例间的继承关系；所述扩展关系用于表示用例间的扩展关系；所述包含关系，用于表示用例间的包含关系。

3.根据权利要求1所述的基于UML的系统行为逻辑建模工具，其特征在于，

所述活动图中包括元素：活动、事件、分支、合并、判断、汇合、等待时间动作、接收事件动作、发送信号动作、活动终止点、流终止点、泳道、控制流和对象流；

活动为系统的用例或子活动，所有活动被系统数据流驱动；

事件用于关联所有活动；

合并用于整合两个并发条件的执行，并输出一条命令，包括两个个输入和一个输出；

分支用于将一个命令复制为多条相同命令，发送至不同的接收端；

汇合用于将多条命令进行归集，经过处理后发送同一条命令，即，无论输入端输入什么命令至汇合，最终都将输出同一条命令；

判断包括单一的输入，两个或多个输出，判断输入的条件是否成立后，根据条件选择输出信息；

等待时间动作用于延迟或影响信号的传输，在信号或事件输入后，触发等待时间动作中的影响条件，在条件完成后，继续传输事件或信号；

泳道用于将不同的一个或多个动作实现的过程及结果进行分类；

发送信号动作和接收事件动作总是成对的出现，数据信息发送至发送信号动作模型中后，无论接收事件动作在哪个位置，输入是什么，都将触发接收事件动作运行，输出指定信息。

4.根据权利要求3所述的基于UML的系统行为逻辑建模工具，其特征在于，所述事件中包括开始元素和结束元素，其中，开始元素是活动图中事件的起点，开始元素被触发表示事件开始；结束元素有两种，一种为活动终止，一种为流终止，活动终止是活动图中整个事件的终点，活动终止被触发代表事件结束，流终止是活动图中某条命令的结束，整个活动图事件中包括一个开始元素，多个结束元素。

5.根据权利要求1所述的基于UML的系统行为逻辑建模工具，其特征在于，所述顺序图用于描述用例图内所包含对象按时间顺序的消息交换，即随想之间的动态交互关系；所述顺序图包括元素：对象、生命线、消息和条件；

对象表示系统内参与交互的对象；

生命线用于表示某个对象在某段时间内是存在的，每个对象都有各自的生命线；

消息用于表示各个对象之间的交互信息，包括同步消息、异步消息；

条件是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励，由于状态与输入输出消息相关联，条件即与消息、事件以及逻辑关系相关联，状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成。

6.根据权利要求1所述的基于UML的系统行为逻辑建模工具，其特征在于，所述状态机图用于描述系统或系统内某个对象的不同状态之间的转换关系；

所述状态机图包括元素：状态、条件和动作；

状态表示当前设备的在满足某些输入、执行某些活动或等待某些事件时的条件或状况；其中起始状态表示开设备执行的起点，终止状态表示设备的一个最终状态；一个设备有一个起始状态和一个或多个终止状态；状态与顺序图中某个设备同一时间的输入输出消息相关联，状态机图的状态可以在顺序图完成后自动生成；

条件是一个设备从一个状态转化成另外一个状态的触发激励，由于状态与输入输出消息相关联，条件即与消息、事件以及逻辑关系相关联，状态机图的条件可以在顺序图完成后自动生成；

动作是一个设备状态发生转换时，产生的一系列行为，动作与设备中的逻辑关系中的输出函数部分相关联，状态机图的动作可以在顺序图完成后自动生成。