CN111176658B - 基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法，用于解决现有AADL到Simulink模型转换方法灵活性差的技术问题。技术方案是使用元对象机制实现模型转换，采用分层结构描述模型，这样转换的创建则由建模者针对元模型来完成。其中，元模型是模型的抽象表示，用于指定模型所包含的对象、数据以及对象间的关系，并采用Ecore标准来描述和存储。与之不同的是，转换模型由ATL模型转换语言描述，并作为转换模型来保存。由于转换模型的设计独立于模型的开发过程，尽可能地减少转换与模型之间的耦合，让开发者更多的关注于设计转换模型而非模型描述形式，最大程度的保证了转换模型的重用，灵活性好。

Description

基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法

技术领域

本发明涉及一种AADL到Simulink模型转换方法，特别涉及一种基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法。

背景技术

文献“申请公布号是CN110442338A的中国发明专利”公开了一种基于结构分析与设计语言AADL模型的仿真方法。该方法主要针对AADL模型的端口、构件以及行为模块进行转换，针对该行为模块生成可仿真AADL模型的Simulink模型，同时还对生成的Simulink模型进行验证。该方法可用来指导领域相关工作者根据AADL模型来创建与之对应的Simulink模型，有效地解决了AADL模型在实时性分析及仿真方面不能较好地满足设计人员需求的问题，保证嵌入式实时系统的可靠性与实时性，提高了嵌入式应用软件的开发效率。文献所述的方法是在模型层次上建立的转换关系，若转换关系需要扩展，更新会随之复杂，灵活性不强。同时，该方法的步骤S3仅针对AADL行为模块进行转换并生成Simulink模型，该过程仅涉及部分AADL模型，转换不够全面。此外，方法中未指出转换关系的实施方式是人为创建还是工具执行，成效不甚突出。

发明内容

为了克服现有AADL到Simulink模型转换方法灵活性差的不足，本发明提供一种基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法。该方法使用由对象管理组织提出的元对象机制实现模型转换，采用分层结构描述模型，转换的实现前提是最高层次的元模型采用统一的描述规范，这样转换的创建则由建模者针对元模型来完成。其中，元模型是模型的抽象表示，用于指定模型所包含的对象、数据以及对象间的关系，并采用Ecore标准来描述和存储。与之不同的是，转换模型由ATL模型转换语言描述，并作为转换模型来保存。在元模型层建立转换的好处在于：转换模型的设计独立于模型的开发过程，尽可能地减少转换与模型之间的耦合，让开发者更多的关注于设计转换模型而非模型描述形式，最大程度的保证了转换模型的重用，灵活性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、分析AADL模型，采用Ecore元模型标准建立AADL元模型。AADL元模型包含一个名为aadl2的Package用来表示AADL包的概念。包内含AADL的所有构件类型，每一种构件类型都由抽象类和具体类共同刻画。抽象类定义具体类的基本组成属性和引用，具体类实现自抽象类，又细分为构件类型类和构件实现类。

步骤二、分析Simulink模型，建立Simulink的Ecore元模型。所述Simulink元模型包含一个Package以建模模型库的概念。包内含一个Simulink模型的通用图形接口GraphInterface元类以及一个描述模型结构的System元类。System元类拥有对模块元类、端口元类、信号线元类和SFunction元类的引用。Simulink元模型用来指导XML格式的Simulink模型的生成。

步骤三、针对AADL和Simulink元模型，建立AADL到Simulink的转换模型。借助模型转换框架ATL，转换模型采用模型转换语言ATL描述，作为.atl格式的文件保存。该文件中包含一个匹配规则Matched Rule和多个懒惰规则Lazy Rule，其中懒惰规则的调用由匹配规则完成，匹配规则作为转换的入口点在转换启动后由ATL引擎自动调用。

步骤四、执行ATL转换，自动生成模型。为步骤三所建立的AADL到Simulink转换模型文件指定相应的输入输出模型，并对转换所基于的AADL源元模型和Simulink目标元模型进行配置，随后启用转换，得到生成模型。

步骤五、解析步骤四生成的模型，进行格式转换得到Simulink模型。该模型存储格式为.mdl，支持Matlab的操作和修改。

步骤六、采用Eclipse插件，完成AADL模型到Simulink模型的自动转换。

本发明的有益效果是：该方法使用由对象管理组织提出的元对象机制实现模型转换，采用分层结构描述模型，转换的实现前提是最高层次的元模型采用统一的描述规范，这样转换的创建则由建模者针对元模型来完成。其中，元模型是模型的抽象表示，用于指定模型所包含的对象、数据以及对象间的关系，并采用Ecore标准来描述和存储。与之不同的是，转换模型由ATL模型转换语言描述，并作为转换模型来保存。在元模型层建立转换的好处在于：转换模型的设计独立于模型的开发过程，尽可能地减少转换与模型之间的耦合，让开发者更多的关注于设计转换模型而非模型描述形式，最大程度的保证了转换模型的重用，灵活性好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法的流程图。

图2是AADL元模型。

图3是Simulink元模型。

图4是基于元对象机制的模型转换原理图。

图5是从AADL输入输出数据端口转换的Simulink端口、模块组合。

图6是从AADL输入事件端口转换的Simulink端口、模块组合。

图7是从AADL输入输出事件端口转换的Simulink端口、模块组合。

图8是从AADL输入事件数据端口转换的Simulink端口、模块组合。

图9是从AADL输入输出事件数据端口转换的Simulink端口、模块组合。

图10是从AADL提供数据访问转换的Simulink端口、模块组合。

图11是从AADL请求数据访问转换的Simulink端口、模块组合。

图12是从AADL提供子程序访问转换的Simulink端口、模块组合。

图13是从AADL请求子程序访问转换的Simulink端口、模块组合。

图14是AADL模型到Simulink模型自动转换工具的功能设计图。

图15是AADL模型到Simulink模型自动转换工具的执行流程图。

具体实施方式

参照图1-15。本发明基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法具体步骤如下：

步骤一：分析AADL模型，建立AADL Ecore元模型。

在对AADL模型分析时，发现AADL的硬件构件语义是描述系统真正运行的硬件环境。而Simulink模型是在系统真正运行前对所建立的模型进行仿真，若出现错误，则进行修改直至功能全部正确。因此，将AADL模型的软件构件和系统构件进行转换，因为Simulink模型中无法描述AADL硬件构件的语义。也就是说，针对AADL模型的system、thread、threadgroup、process、data、subprogram、subprogram group构件来进行转换。

在采用Ecore规范建立元模型时，AADL元模型需要符合Ecore的结构特性，并作为AADL.Ecore文件来存储。Ecore的结构中定义了4种类型的对象，即4个类：(1)EClass，是为类本身建立模型。EClass由名称标识，拥有许多EAttribute和EReference，EClass支持继承。(2)EAttribute，是为属性建立模型，代表对象的组成数据。它由名称标识，并且有类型。(3)EDataType，是用来表示没有为其细节建立EClass的简单类型。它们与Java中定义的基本类型或对象类型关联，由名称标识，用以表示EAttribute的类型。(4)Efference在EClass之间关联时使用。它在建立关联的一端时，与EAttribute相同，用名称标识，并且有类型。然而，在关联的另一端，这种类型必须是EClass。若关联支持反向引用，就由另一个引用来表示这种双向关联性，并指定关联的多重性上下界。除了引用之外，Ecore允许EClass之间的继承。继承是在一个已定义的EClass的基础上构造一种新的EClass，与Java中的继承相似，由已存在的EClass作为基础。

在采用上述结构特性所建立的AADL元模型中，AADLObject是所有其他EClass的超类，其他EClass都继承自AADLObject并作为AADLObject的子类。表示AADL附录子句的AnnexSubclause,表示AADL软件包的AADLPackage以及表示构件分类器的Component Classifier是AADLObject的三个子类。其中Component Classifier是表示构件的Component类的超类，Component则是所有表示AADL构件类型的超类。该构件类型一共有九种。Component元类拥有Properties和Flows的元类引用。

步骤二：分析Simulink模型，建立Simulink Ecore元模型。

Simulink元模型的创建方式与AADL元模型的创建方式相同。由于Simulink模型拥有多种模块，考虑到AADL到Simulink模型转换所涉及的语义中包含的模块，建立出的Simulink元模型主要包括：Model模块、Block模块、System模块、Subsystem模块、SFunction模块、Constant模块、Inport模块、Outport模块、Reference模块、Branch分支和Line连接线。其中，Model元类表Simulink模型，它涵盖模型缺省信息、模块默认属性和用户指定信息。信号线用Line元类来表示，它引用的Branch元类表示Simulink信号线的分支。模块用Block元类表示，由System元类来引用。Block元类的子类包括：SFunction、Constant、Inport、Outport和Reference。其中，SFunction和Constant元类继承自Block元类，用来表示Simulink的系统函数和常数模块。Inport和Outport元类则表示模块之间数据传输和交互端口。Reference元类是Matalab Level-2 S Function模块，Function Call Generator模块和TriggerPort模块的超类。

步骤三：针对AADL和Simulink元模型，建立AADL到Simulink的转换模型。转换模型是通过ATL模型转换框架来实现的，以.atl文件来存储。转换模型包含了实现AADL到Simulink转换的一系列规则。规则的建立需要开发人员仔细分析模型的语义之后，归纳并总结出从AADL到Simulink模型的转换关系。随后参照建立的转换关系，使用ATL语言编写相应的转换规则以完成转换模型的设计。在这一步骤中，归纳出的转换关系包括：

(T-1)AADL模型的软件包package转换到Simulink的model，表示AADL模型到Simulink模型的转换；

(T-2)AADL模型的构件类型Component type及构件实现Componentimplementation按照表1,转换到Simulink的Block。其中，Component type的identifier转换为Block的name；Component type的Features按照表2，表3和表4转换为Simulink模块的Port。Component implementation的connection转换到Simulink的Line，其中connection的identifier转换到name，connection的source和end转换到line所连的源和目的端口；Component Implementation的subcomponents转换为block的子系统模块subsystem，其中subcomponent的identifier转换为子系统模块的name。Component type和ComponentImplementation所含property中的property type，按照表5转换到Block的data type。

表1 AADL和Simulink构件转换关系

AADL构件	Simulink模块	转换关系说明
			System	Subsystem	系统构件转换为Subsystem模块
Process	Subsystem	进程构件转换为Subsystem模块
			Thread	Subsystem	线程构件转换为Subsystem模块
Thread Group	Subsystem	线程组构件转换为Subsystem模块
			Subprogram	Function Call Subsystem	子程序构件转换为Function Call Subsystem模块
Subprogram Group	Function Call Subsystem	子程序组构件转换为Function Call Subsystem模块
			Data(Simple)	Data Store Memory	简单类型数据构件转换到Data Store Memory模块
Data(Complex)	Subsystem	复合类型数据构件转换到Subsystem模块

表2 AADL和Simulink端口转换关系

表3 AADL访问和Simulink端口转换关系

表4 AADL参数和Simulink端口转换关系

表5 AADL和Simulink属性类型转换关系

(T-3)AADL行为附录behavior annex转换到Simulink的stateflow。具体来说，是将AADL行为附录中的state转换为stateflow中的state，其中initial state转换为entrypoint,final state转换为final state，variable condition转换为choice pseudostate，transition转换为stateflow中的transition，并且transition的转换条件condition转换到相应的transition guard。

根据上述定义的(T-1)-(T-3)的转换关系，建立的ATL转换规则包括：

(R-1)AADL2Simulink：作为唯一的匹配规则，是ATL转换的入口。规则的from和to字段分别指定AADL Package和Simulink Model，并按照do字段定义的转换动作完成AADLpackage到Simulink model的转换，do字段的执行会调用(R-2)和(R-6)懒惰规则以创建模块和stateflow。

(R-2)createBlock：是实现AADL Component type和Component implementation到Simulink Block转换的懒惰规则。do字段的执行内容与转换关系(2)对应，内容包括：Component type的identifier直接转换为Block的name；通过调用匹配规则(R-3)将Component type的Features转换到Simulink模块的Port；通过调用规则(4)将Componentimplementation的connection转换到Line；调用规则(5)将Component type和ComponentImplementation的property转换到Simulink模块的property；以及通过调用规则(6)将AADL行为附录转换到Sateflow。

(R-3)createPort：是实现AADL Compoent type的features到Simulink模块的Port转换的懒惰规则。它的from字段对应于一个具体的AADL构件类型，to字段对应Simulink的Block组合，do字段会读取from字段指定的构件类型的features信息，为其调用一系列ATL助手，这些助手定义在ATL库中，是表1，表2，表3，表4中转换关系的ATL描述，以创建端口的完整信息。

(R-4)createLine：是实现AADL Component Implementation的connection到Simulink line转换的懒惰规则。它的from字段对应一个具体的AADL构件实现，to字段对应Simulink的line组合，do字段读取from字段指定的构件实现的connection的信息，根据connection的source,end，以创建完整的Simulink Line信息。

(R-5)createPropertyType：是实现AADL property type到Simulink data type转换的懒惰规则。它的from字段对应一个AADL构件类型和一个AADL构件实现，to字段对应一个Simulink的Block，do字段是表5定义的转换关系的ATL描述，它读取from字段指定的构件类型及实现的property type的信息，以创建模块data type的完整信息。

(R-6)createStateFlow：是实现AADL的behavior annex到Simulink Stateflow转换的懒惰规则。它的from字段对应一个AADL行为附录，to字段对应一个Stateflow，do字段根据(T-3)定义的转换关系，读取from字段指定的state和transition信息，以创建stateflow的完整信息。

步骤四：执行ATL转换，自动生成模型。

这一步骤是通过ATL模型转换框架来实现的，ATL是ATLAS TransformationLanguage的简称，它是ATLAS研究组开发出来的一种符合OMG的一个QVT提案的模型转换语言。目前ATL已经实现为ADT的一个组成部分，ADT是一个Eclipse插件，是Eclipse著名的GMT项目的子项目。ATL是基于Eclipse模型框架的，其元模型、模型采用Ecore、XMI的格式。从本质上来说，ATL属于基于规则的模型转换语言，其中使用了OCL约束描述语言。

借助ATL模型转换框架，运行前需要为ATL转换执行指定相应的源元模型AADL.ecore、目标元模型Simulink.ecore和转换模型AADL2Simulink.atl，并设置好输入模型和输出模型的路径。接着启动ATL转换，ATL引擎会动态添加并注册AADL Ecore元模型和Simulink Ecore元模型，读取AADL模型的信息，并与转换模型中规则的from字段进行匹配，如果匹配到相应的规则，则执行该规则的do字段，生成相应的to字段的Simulink模型内容。匹配完AADL模型的所有信息后，转换完成，得到生成的模型。生成的模型是XMI格式的。

步骤五：将转换得到的模型进行格式转换，得到Simulink模型。这一步骤是通过编写相应的Java类来实现的。该类采用Dom解析技术来解析步骤四的生成模型，创建相应的类来存储读取到的信息。在存储完所有的信息之后，调用Matlab引擎的Java API，根据类中存储的信息，调用相应的Matlab命令来分别完成Simulink模型、模型的组成模块、模型的信号线和Stateflow的创建，最终生成Simulink模型。这个Simulink模型就是从AADL架构模型自动生成的。

步骤六：开发AADL模型到Simulink模型自动转换的工具。该工具的开发借助了Eclipse插件开发技术来完成，插件可以方便使用者在对安全关键嵌入式系统进行AADL建模的基础上，将其自动转换为Simulink模型以进行仿真，有利于在系统架构层对系统功能属性进行验证，节约开发成本。AADL到Simulink模型转换工具是基于ESMEAT平台开发的插件，ESMEAT是专利申请人所在工作团队基于开源工具OSATE开发的一套支持AAL建模、分析评估的开发环境ESMEAT平台。该工具支持对AADL模型的编辑和创建，同时提供对AADL模型文件解析与实例化的功能，并生成相应的AAXL2格式文件。该文件可为AADL到Simulink模型自动转换工具所用，它将该文件内容进行解析，并为其转换到相应的Simulink模型。

工具的实现主要分为四部分：人机界面模块、模型解析模块、模型转换模块和模型生成模块。人机界面模块主要提供读取AADL实例化文件和Simulink模型显示；模型解析模块用来解析AADL实例化模型文件，解析的主要内容包括架构模型的构件类型及构件实现，以及行为模型附录；模型转换模块按照制定的AADL到Simulink模型转换规则将AADL实例化模型转换到XML格式的Simulink模型。模型生成模块用来将XML格式的Simulink模型转换为MDL格式的Simulink模型。其中模型解析模块和模型转换模块借助ATL技术，模型生成模块借助DOM解析技术。

根据AADL模型到Simulink模型自动转换工具的功能结构，对应设计各功能模块之间的先后操作顺序和各功能之间的信息传递，这个过程包括5步。

(1)在工程下选择需执行转换的AADL实例化文件，启动AADL到Simulink模型自动转换插件。

(2)ATL引擎自动启动，并对AADL实例化模型文件进行解析。

(3)解析完成之后，按照指定的转换模型，分别对构件层次、构件特征、构件实现和构件连接进行转换，转换结果在工程下保存为.xmi格式的文件。

(4)调用模型生成模块对.xmi文件进行解析和格式转换，最终生成完整的Simulink.mdl模型。

(5)转换完成，显示模型转换过程的信息。

Claims (1)

1.一种基于元对象机制的AADL到Simulink模型自动转换方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、分析AADL模型，采用Ecore元模型标准建立AADL元模型；AADL元模型包含一个名为 aadl2的Package用来表示AADL包的概念；包内含AADL的所有构件类型，每一种构件类型都由抽象类和具体类共同刻画；抽象类定义具体类的基本组成属性和引用，具体类实现自抽象类，又细分为构件类型类和构件实现类；

步骤二、分析Simulink模型，建立Simulink的Ecore元模型；所述Simulink的Ecore元模型包含一个Package以建模模型库的概念；包含一个Simulink模型的通用图形接口GraphInterface元类以及一个描述模型结构的System元类；System元类拥有对模块元类、端口元类、信号线元类和SFunction元类的引用；Simulink的Ecore元模型用来指导XML格式的Simulink模型的生成；

步骤三、针对AADL元模型和Simulink的Ecore元模型，建立AADL到Simulink的转换模型；借助模型转换框架ATL，转换模型采用模型转换语言ATL描述，作为.atl格式的文件保存；该文件中包含一个匹配规则Matched Rule和多个懒惰规则Lazy Rule，其中懒惰规则的调用由匹配规则完成，匹配规则作为转换的入口点在转换启动后由ATL引擎自动调用；

步骤四、执行ATL转换，自动生成模型；为步骤三所建立的AADL到Simulink转换模型文件指定相应的输入输出模型，并对转换所基于的AADL元模型和Simulink的Ecore元模型进行配置，随后启用转换，得到生成模型；

步骤五、解析步骤四生成的模型，进行格式转换得到Simulink模型；该模型存储格式为.mdl，支持Matlab的操作和修改；

步骤六、采用Eclipse插件，完成AADL模型到Simulink模型的自动转换。

Images