CN107193559A - 一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法 - Google Patents

一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法 Download PDF

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王西超
丁云飞
朱晨煊
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Abstract

本发明涉及一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，属于系统设计领域。一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，包括以下步骤：S1抽象出复杂系统中各个领域模型的统一行为与功能模型；S2基于扩展的SysML的复杂系统设计方案建模；S3基于统一模型，从多个领域进行复杂系统的行为交互与结构功能建模；S4基于分布式协同设计的复杂系统虚拟样机设计。相比现有技术，本发明的复杂系统虚拟样机设计方法可以快速验证复杂系统设计方案的优劣，避免到研制后期才发现由于设计方案先天不足而造成不必要的循环设计。

Description

一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法
技术领域
本发明涉及一种系统设计方法，特别涉及一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法。
背景技术
由于复杂系统设计面临的复杂度日益增加，导致其系统功能、行为和数据交联关系的复杂程度成几何级往上增长，传统的文档驱动式的设计方式已不再适应工业发展的需要，新的快速的复杂系统设计方法已越来越迫切。
现有的复杂系统设计方法主要包括：基于虚拟样机(VP，Virtual Prototype)的设计方法、基于HLA(High Level Architecture)的设计方法和基于模型的设计方法(MBD，Model Based Design)。基于虚拟样机的设计方法具有设计效率高和设计成本低的优势，但是目前的虚拟样机设计技术主要集中于若干个软件的联合设计上，不能从总体上把握设计效果：首先，虚拟样机所涉及的分系统是在领域设计工具内完成，而领域设计工具很少考虑与其它设计工具之间的协同问题，这需要设计者进行二次开发，容易造成设计信息丢失；其次，复杂系统一般包含多个子系统，如卫星包含结构分系统、能源分系统、推进分系统、姿态测量和控制分系统、热控制分系统、通信分系统以及指令和数据处理分系统等众多分系统，而虚拟样机技术一般采用三个以上的设计工具时会造成设计冗余和仿真步长不一致等问题，不能全面把握设计效果；最后，虚拟样机技术对各个领域模型进行行为协同与调度方面尚存在不足。基于HLA的设计方法具有标准的高层体系框架，它定义了构成各分布式仿真成员的功能和相互关系，能够将各仿真成员挂载到软总线上进行大系统的协同仿真，但HLA缺少联邦成员间形式化的多学科集成机制，难以实现联邦的形式化顶层描述，也不能对嵌入式代码的生成提供机制；基于模型的设计方法是一种以模型为中心的设计方法，它将系统模型分为平台独立模型(Platform Independent Model，PIM)和平台相关模型(PlatformSpecific Model，PSM)，其中PIM模型仅仅从系统层描述系统的功能、行为等业务逻辑特性，并不涉及在具体平台上的实现因素；PSM模型增加了相关实现平台的元素，是PIM模型映射到具体平台上的实现模型。MDB将系统业务逻辑设计与系统具体实现分开，使得设计人员专注于系统业务逻辑模型设计，而无需考虑具体实现的繁琐细节，PSM能够直接生成嵌入式代码，大大提高系统设计效率，但MBD目前尚不支持跨领域协同设计和系统的顶层设计。
尽管通过将三种综合使用可以有效提高复杂系统设计效率，但是就技术本身和目前我国的现状而言，在复杂系统设计存在如下两个方面的问题：
(1)就技术本身而言，无论是VP还是HLA，由于其需要通过对相关领域工具进行二次开发才能实现模型集成和协同仿真，这一方面需要投入大量的人力物力，另一方面由于领域工具核心技术大都掌握在外国企业中，如果领域工具接口没有开放，我们就无法利用API进行相应的二次开发。
(2)就我国的现状而言，目前国内各大研究机构和企业之间的技术储备差异很大，少数大型研究机构和企业掌握了VP、HLA和MBD等技术，而多数中小型研究机构由于成本控制等问题还没有掌握这类技术。
为此，非常有必要开展新的低成本的复杂系统设计方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供了一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，能够保证在系统设计过程中设计方案模型与不同领域模型之间的无缝连接和信息共享。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1抽象出复杂系统中各个领域模型的统一行为与功能模型；
S2基于扩展的SysML的复杂系统设计方案建模；
S3基于统一模型，从多个领域进行复杂系统的行为交互与结构功能建模；
S4基于分布式协同设计的复杂系统虚拟样机设计。
其中，所述S2具体包括以下步骤：
S2.1基于元模型，对SysML进行基本衍型扩展和Simulink衍型扩展，基于扩展的SysML，构建复杂系统设计方案的若干种原子模型；
S2.2通过若干种原子模型的不同组合合成若干种不同的耦合模型；
S2.3对不同耦合模型进行模型推演，获得最优的复杂系统设计方案。
其中，所述S3具体包括以下步骤：
S3.1利用MODELICA转换工具，将最优的复杂系统设计方案由SysML模型转换为MapleSim模型，
S3.2基于MODELICA统一建模语言，从机械、传动、液压、控制、电气、磁偶等多个领域对复杂系统的各个分系统模型进行参数化设计，完成其行为交互和结构功能仿真；
S3.3将各分系统模型封装为高层次体系架构的联邦成员模型。
其中，所述S4具体为：设计各个分系统领域的高层次体系架构适配器，将不同领域的联邦成员模型通过适配器加入高层次体系架构联邦进行协同仿真，进而将各个分系统模型构建为复杂系统虚拟样机。
本发明的有益效果为：相比现有技术，本发明的复杂系统虚拟样机设计方法可以快速验证复杂系统设计方案的优劣，避免到研制后期才发现由于设计方案先天不足而造成不必要的循环设计；提供了快速构建复杂系统虚拟样机的方法，通过设计方案建模和多领域模型集成，快速完成复杂系统HLA联邦模型进行全面协同仿真验证，将传统设计中软硬件连调的大部分工作移到对复杂系统HLA模型进行分析、测试及验证阶段，在提高设计效率的同时降低了设计费用
附图说明
图1为复杂系统虚拟样机的设计步骤。
图2为复杂系统虚拟样机的模型体系。
图3为复杂系统虚拟样机的设计流程。
图4为复杂系统虚拟样机设计的整体实施方案。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
本具体实施方式中，复杂系统虚拟样机(VPCS)是由不同设计部门，不同专业领域的多种异构模型构成，为表达规范，分别从顶层模型(A)、成员模型(B)和各领域组件(C)三个方面对基于HLA的VPCS联邦模型进行描述，用UML描述的VPCS模型体系如图1所示。VPCS由顶层模型和成员模型构成，顶层模型又细分为原子模型、耦合模型和行为模型，成员模型则由元素组件、复合组件及面向中间件的适配器(HLA接口)组合而成。其中，原子模型和元素组件是指具有完备功能和行为、不可再分的基本模型，所不同之处在于原子模型是由SysML(System Model Language，系统工程建模语言)描述的顶层模型，是一种虚拟模型，不具备实际的物理功能；而元素组件则是由领域建模工具设计的实际模型，如用Adams软件设计的系统动力学模型。
如图1所示，一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，具体设计步骤如下：
S1抽象出复杂系统中各个领域模型的统一行为与功能模型。
S2基于扩展的SysML的复杂系统设计方案建模，具体步骤如下：
S2.1基于元模型，对SysML进行基本衍型扩展和Simulink衍型扩展，基于扩展的SysML，构建复杂系统设计方案的若干种原子模型；
S2.2通过若干种原子模型的不同组合合成若干种不同的耦合模型；
S2.3对不同耦合模型进行模型推演，获得最优的复杂系统设计方案。
S3基于统一模型，从多个领域进行复杂系统的行为交互与结构功能建模，设计流程如图2所示，具体步骤如下：
S3.1利用MODELICA转换工具，将最优的复杂系统设计方案由SysML模型转换为MapleSim模型，
S3.2基于MODELICA统一建模语言，从机械、传动、液压、控制、电气、磁偶等多个领域对复杂系统的各个分系统模型进行参数化设计，完成其行为交互和结构功能仿真；
S3.3将各分系统模型封装为高层次体系架构的联邦成员模型。
S4基于分布式协同设计的复杂系统虚拟样机设计，设计各个分系统领域的高层次体系架构适配器，将不同领域的联邦成员模型通过适配器加入高层次体系架构联邦进行协同仿真，进而将各个分系统模型构建为复杂系统虚拟样机，整体实施方案如附图3所示。

Claims (4)

1.一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1抽象出复杂系统中各个领域模型的统一行为与功能模型；
S2基于扩展的SysML的复杂系统设计方案建模；
S3基于统一模型，从多个领域进行复杂系统的行为交互与结构功能建模；
S4基于分布式协同设计的复杂系统虚拟样机设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，其特征在于，所述S2具体包括以下步骤：
S2.1基于元模型，对SysML进行基本衍型扩展和Simulink衍型扩展，基于扩展的SysML，构建复杂系统设计方案的若干种原子模型；
S2.2通过若干种原子模型的不同组合合成若干种不同的耦合模型；
S2.3对不同耦合模型进行模型推演，获得最优的复杂系统设计方案。
3.根据权利要求2所述的一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤：
S3.1利用MODELICA转换工具，将最优的复杂系统设计方案由SysML模型转换为MapleSim模型，
S3.2基于MODELICA统一建模语言，从机械、传动、液压、控制、电气、磁偶等多个领域对复杂系统的各个分系统模型进行参数化设计，完成其行为交互和结构功能仿真；
S3.3将各分系统模型封装为高层次体系架构的联邦成员模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于元模型的复杂系统虚拟样机设计方法，其特征在于，所述S4具体为：设计各个分系统领域的高层次体系架构适配器，将不同领域的联邦成员模型通过适配器加入高层次体系架构联邦进行协同仿真，进而将各个分系统模型构建为复杂系统虚拟样机。
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