CN115361300B - 一种网络系统数字孪生体建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种网络系统数字孪生体建模方法，属于数字孪生体建模技术领域，解决了现有SysML语言难以应用于基于网络系统的数字孪生体建模方案的问题。该方法包括：对各类网络系统进行功能及架构分析，得到功能元模型和架构元模型；分别基于功能元模型和架构元模型，创建相应的功能配置文件和架构配置文件；分别基于功能配置文件、架构配置文件中的构造型，创建功能库和组件库；对待建模网络系统依次进行需求、功能及架构分析，根据待建模网络系统的架构分析结果，从组件库选取相应组件，形成网络系统架构；根据待建模网络系统的功能分析结果，基于功能库对网络系统架构中的每一组件进行功能配置，从而建模得到待建模网络系统的数字孪生体。

Description

一种网络系统数字孪生体建模方法

技术领域

本发明涉及数字孪生体建模技术领域，尤其涉及一种网络系统数字孪生体建模方法。

背景技术

元宇宙是近年来发展起来的新型应用场景概念和技术发展载体。过去几十年，基于互联网和移动互联网的虚拟内容不断创新，场景数字化趋势显著，为技术发展提供了丰富的、和未来潜在的发展方向。

另一方面，随着国家产业和工业的数字化转型，复杂的工业系统及产品数字化也不断深入与扩展。各行业基于虚拟世界构建物理世界实体系统的数字孪生体也在不断完善。工业方面的数字孪生体与社交娱乐方面相比，具有系统更复杂、鲁棒性要求更高等特点，需要从数字模型建设之初就对物理世界实体进行准确的模型构建；同时，当前是元宇宙发展的初级阶段，未来发展的具体形态会有较强的不确定性，因此数字模型的可扩展性就显得尤为重要。这样，才能够随着元宇宙整体发展的技术路线不断演进，最终同步实现数字孪生体的最终形态。

复杂系统的数字孪生体承载多样的系统功能，具有复杂的逻辑架构，并且涉及到多个领域的知识。作为一种设计复杂系统数字孪生体的方法，系统工程目前已被在各领域得到了广泛应用。在系统工程发展初期，各个开发环节输入和输出的信息均是以文档形式来记录和表示。

但是在信息量极度膨胀、系统日益复杂的应用背景下，这种基于文档的系统工程逐渐显出其弊端，如信息表示不准确、易产生歧义、难以从庞杂的文档中抽取有效信息、维护难度高等。因此，基于模型的系统工程(Model-BasedSystemsEngineering，MBSE)便应运而生。

采用MBSE方法与传统的基于文档的系统工程最显著的区别在于，在MBSE中，系统设计开发过程中的所有信息均是以模型来表示。模型是对现实世界进行抽象、聚合、泛化等的产物，通过模型可以从不同视角观察实物。与传统的信息载体文档相比，它具备数字化、结构化的特性，因此具有可复用、可维护、可追溯性、数据同源等诸多优点。

因此，与传统的基于文档的系统工程方法相比，MBSE具有如下几个优点：

(1)知识表示的无二义性。模型是一种高度形式化的表示方法，它具有模块化、无歧义、可重用等优点，采用模型可以准确统一地表示系统的各个方面，如功能、结构、行为等。

(2)便于交流和传播。由于开发团队以及项目参与者的分散性，系统相关信息需要在不同人群之间进行交流和传播。由于模型本身的精确性，它在不同涉众之间建立起了无二义的交流规则，使得不同人对同一模型具有统一的理解。

(3)支持信息的转换。系统生命周期中包含着许多信息转换过程，如设计人员需要根据需求信息产生系统的设计。基于模型的表示使得信息转换能够更加方便甚至自动化进行，如从设计模型生成仿真模型从而便于对设计的验证。

(4)支持模型的集成。模型可以清晰地表示各种信息之间的关系，这不仅使得系统层的需求模型、结构模型、行为模型可以有机地联系在一起，也使得各领域的详细设计模型可以与抽象的系统层模型之间建立关联，从而支持各种模型的集成。

为了支持系统设计，对象管理组织(ObjectManagementGroup，OMG)和国际系统工程学会(InternationalCouncilofSystemsEngineering，INCOSE)在统一建模语言(UnifiedModellingLanguage，UML)的基础上，提出了系统建模语言(SystemsModellingLanguage，SysML)。

作为一种通用目的的图形化建模语言，SysML可以支撑涉及到硬件、软件、控制等多个领域的复杂产品数字孪生体的细化、分析、设计和校验等各个阶段。它可提供系统需求、行为、结构和参数的图形化建模。

因此，SysML表示的数字孪生体系统设计模型是系统设计的核心，它对整个产品的成功与否至关重要。首先，它既是概念设计的结果，又是后续详细设计的起点。其次，作为产品概念设计的结果，它体现了早期的设计决策，是其他系统级相关工作如系统优化、系统仿真、系统校验等的基础。最后，相比于最终产品，它是一个相对小的、易于理解的模型，该模型描述了系统如何构成以及组件之间如何交互。因此，它为产品设计过程中不同团队之间开展交流提供了平台。

然而，虽然MBSE及其标准系统建模语言SysML具有强大的通用性，但这也造成了其以下一些缺点：

(1)由于SysML是通用目的的建模语言，即它适用于所有产品的全生命周期设计过程，因此它的语义表达能力有限，例如对于所有的产品组件在SysML中都是表达成Block的形式。如何根据系统的领域相关语义以及设计过程语义对SysML进行扩展，从而支持不同领域设计师的交流，支持不同设计阶段信息的无歧义表达仍然是一个有待解决的问题。

(2)由于领域语义的缺失，使得SysML建立的模型无法被计算机准确理解。例如，对于系统的所有组成部分，由于其均采用Block进行表达，因此，数字孪生体无法区分为其所归属的类别，因此，也无法采用相应的处理方法对该类组件进行自动处理。这使得系统设计过程必须依靠设计人员的经验采用手工过程来实现，开发成本高且易于出错。因此，如何在领域相关语义的基础上实现数字孪生体的系统设计自动化是亟待解决的问题。

当将SysML应用于网络系统数字孪生体建模时，由于SysML存在上述缺点，需要对网络系统领域的元模型重新定义领域语义、元模型扩展，尤其当后续建模越来越细致深入时，网络系统模型的准确表述的难度会更大。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种网络系统数字孪生体建模方法，用以解决现有SysML语言难以应用于基于网络系统的数字孪生体建模方案的问题。

本发明公开了一种网络系统数字孪生体建模方法，包括：

对各类网络系统进行功能及架构分析，得到功能元模型和架构元模型；

分别基于功能元模型和架构元模型，创建相应的功能配置文件和架构配置文件；并基于功能配置文件中的构造型，创建功能库；基于架构配置文件中的构造型创建组件库；

对待建模网络系统依次进行需求、功能及架构分析，根据待建模网络系统的架构分析结果，从组件库选取相应组件形成网络系统架构；根据待建模网络系统的功能分析结果，基于功能库对网络系统架构中的每一组件进行功能配置，从而建模得到待建模网络系统的数字孪生体。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，所述功能元模型包括功能模型元素和功能流；其中，功能模型元素包括基本功能、辅助功能；

对各类网络系统进行功能分析，得到所述功能元模型，包括：

分析各类网络系统的基础功能，构建所述基本功能；所述基本功能包括生成、发送、传递、接收和回收；

分析各类网络系统必要的辅助功能，构建所述辅助功能；所述辅助功能包括转发、交换及路由；

分析各类网络系统中功能模型元素之间的信息流向，构建所述功能流；所述功能流包括信号流，所述信号流包括无线信号流和有线信号流。

进一步，所述功能模型元素还包括特定功能和演进功能；

对各类网络系统进行功能分析，得到所述功能元模型，还包括：

分析各类网络系统的特定功能，构建特定功能；所述特定功能包括单向下行的广播类信息交互和单向上行的采集类信息交互；

分析各类网络系统在未来设定应用场景下的演进功能，构建演进功能。

进一步，所述架构元模型包括架构模型元素和架构端口；

对各类网络系统进行架构分析，构建所述架构模型元素；构建所述架构模型元素包括构建段和构建组件；

根据架构模型元素之间的关系，构建架构端口；所述架构端口包括能量端口和信号流端口。

进一步，构建的段包括用户段、空间段及地面段；其中，用户段包括若干类用户终端，空间段包括接入节点和中继节点，地面段包括地面控制中心和/或资源管理中心；

构建的组件包括传输组件、处理组件和介质组件；其中，传输组件包括无线或有线传输过程中发送或接收的实体；处理组件包括网络系统中实现计算和存储功能的实体；介质组件包括无线或有线信道对所传输的信息产生衰减或损耗的介质。

进一步，所述构建功能配置文件，包括：

构建功能及其子类，以表示构建各种类型的功能，由SysML中的模型元素Activity扩展形成相应的Activity构造型作为构造出的相应功能，并通过Activity构造型的子构造型作为各功能的不同子类；

构建功能之间的流，以表示构建功能之间的信息传递关系，由SysML中的ObjectFlow扩展形成相应的ObjectFlow构造型；

构建流信息及其子类，以表示构建功能之间的流上传递的信息，由SysML中的Block继承形成FlowInformation构造型，并通过FlowInformation构造型的子构造型区分不同类型的流信息。

进一步，所述构建架构配置文件，包括：

构建段、组件及组件子类，表示系统的各种组成部分的类型定义，由SysML中的模型元素Block处理段扩展形成相应段的构造型，由SysML中的模型元素Block处理组件扩展形成相应组件的构造型，并通过Block处理组件的子类扩展形成相应组件的子类的构造型；

构建组件端口，表示组件之间通过端口进行信息传输，由SysML中的模型元素Port扩展形成相应的构造型；

构建端口类型及其子类，表示端口上所能够传输的信息类型，由SysML中的模型元素Block扩展形成相应端口类型的构造型，并通过Block处理端口类型的子类扩展形成相应端口类型的子类的构造型。

进一步，对待建模网络系统依次进行需求、功能及架构分析，包括：

对待建模网络系统进行需求分析，获得待建模网络系统的所有应用场景和传输模式；

分别组合每一种应用场景和传输模式，形成相应的建模场景；

分别在每一种建模场景下对待建模网络系统依次进行功能及架构分析，得到相应建模场景下的功能分析结果和架构分析结果。

进一步，所述架构分析结果指待建模网络系统在当前建模场景下所包含的组件；所述功能分析结果指待建模网络系统在当前建模场景下各组件的功能。

进一步，所述应用场景包括手持和船载，所述传输模式包括实时和非实时。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提供的网络系统数字孪生体建模方法，从不同角度出发，对网络系统进行了详尽的需求、功能及架构分析，得到了需求元模型、功能元模型及架构元模型，然后，创建相应的配置文件，最终建模得到了网络系统数字孪生体。

上述过程能够充分利用SysML语言定义网络系统领域特定元模型，这样可以在后续系统模型深入和复杂化以后，仍然能保证模型的准确性。该方法能够建模得到集成度较高、功能性较强的网络系统数字孪生体，且各个元模型之间相互独立，可以根据网络系统的实际情况进行适应性调整或元模型的重组，适应性较强。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例提供的网络系统数字孪生体建模方法流程图。

图2为本发明实施例提供的功能元模型示意图；

图3为本发明实施例提供的架构元模型示意图；

图4为本发明实施例提供的功能配置文件示意图中功能及其子类、功能之间的流的构造型示意图；

图5为本发明实施例提供的功能配置文件中流信息及其子类的构造型示意图；

图6为本发明实施例提供的架构配置文件示意图；

图7为本发明实施例提供的网络系统通信总任务分析示意图；

图8(a)为船载实时通信建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图；图8(b)为船载非实时通信建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图；图8(c)为手持实时通信建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图；图8(d)为手持非实时通信子功能建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种网络系统数字孪生体建模方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：对各类网络系统进行功能及架构分析，得到功能元模型和架构元模型；

步骤S2：分别基于功能元模型和架构元模型，创建相应的功能配置文件和架构配置文件；并基于功能配置文件中的构造型，创建功能库；基于架构配置文件中的构造型创建组件库；

步骤S3：对待建模网络系统依次进行需求、功能及架构分析，根据待建模网络系统的架构分析结果，从组件库选取相应组件形成网络系统架构；根据待建模网络系统的功能分析结果，基于功能库对网络系统架构中的每一组件进行功能配置，从而建模得到待建模网络系统的数字孪生体。

对各类网络系统的功能及架构分析的过程做如下描述：

整体上，在步骤S1的建模过程中，首先分析各类网络系统的各种需求，然后基于需求，分析这些需求应当对应系统实现出哪些功能，在这些功能中分析哪些特征需要设置功能相关的模型元素，由此构建功能元模型；最后基于功能进行“功构映射”，分析系统功能需要通过哪些架构来实现，由此构建架构元模型。三个步骤之间是依次开展的关系。

步骤S11：分析各类网络系统的需求；所述需求包括应用需求、系统需求及运营需求；首先从面向各类网络系统中用户的业务，需要形成应用需求，其内容为用户关心的功能及指标；然后基于应用需求，需要形成对各类网络系统的系统需求，其内容为从应用需求推演得到的、系统的设计和建造方需要具体实施的功能及指标；最后面向系统建成后的运营，形成对运营的需求，其内容为在系统交付用户后的运营阶段和运营提供方所关心的功能及指标。三个方面的需求在网络系统数字孪生体建模过程中依次构建，并在网络系统生命周期相应阶段作为设计和实施输入。基于以上限定，数字孪生体构建者对相应功能和指标进行确定。具体地，

步骤S111：分析各类网络系统中面向用户的信号传输业务，构建所述应用需求；

构建应用需求为面向各类网络系统的用户应用的需求，描述各类网络系统中用户所关心的功能及指标。示例性地，应用需求包括的内容可以为面向各类网络系统的实现类型，根据用户业务，构建用户关心的功能及指标。对各类网络系统构建应用需求，需要考虑信息容量、对各种如传输/采集/广播等不同类型的业务、对各类信息传输终端的支持能力等方面。常见地，应用需求包括：用于实现信号传输的终端及其网络容量。其中，用于实现信号传输的终端如手持终端传输和车载终端传输、数据采集传输和广域广播传输等。

步骤S112：分析各类网络系统中信号传输的实时性要求，构建所述系统需求；

构建系统需求为各类网络系统建造方在设计和建造系统时应满足的功能及性能指标。示例性地，系统需求包括的内容为基于应用需求，形成对各类网络系统的设计和建造方需要具体实施的功能及指标。对网络系统构建系统需求，需要考虑各类网络系统实现信息的实时或非实时传输所实现的架构复杂度等方面。常见地，系统需求包括：非实时传输、实时传输和应急传输。

实际实施过程中，在构建系统需求时，执行：

步骤S1121：根据设计各类网络系统时应满足的功能和性能指标，构建设计需求；

具体实施时，构建设计需求为各类网络系统设计方在设计系统时应满足的功能及性能指标，其包括的内容为各类网络系统设计时应体现的系统功能、组成等方面，还应包括面向全生命周期的使用稳定性相关的可靠性和安全性等需求。对各类网络系统构建设计需求，应当包括时延、容量、速率等与信息传输相关的特性。常见地，设计需求包括：时延、容量、速率与信息传输相关的特性。

优选地，构建设计需求包括构建功能需求和构建架构需求。其中，构建功能需求为各类网络系统应满足的功能需求，其具体包括的内容为各类网络系统基于应用需求推演出应当实现哪些功能。各类网络系统中的功能需求，基于面向传输/采集/广播等多种类型的业务，需要分别识别对于不同业务系统需要通过哪些类型的功能或功能组合实现。构建架构需求为各类网络系统应满足的架构约束，其具体包括的内容为各类网络系统基于功能类型需要实现的架构特征。各类网络系统中的架构需求，需要根据功能特征，如需要实现实时或非实时传输的功能，需要考虑相应架构实现时通过哪些实体实现，如带宽、功率、处理、计算等各种资源。

在数字孪生体建模过程中，对需求类型的定义及细分取决于建模所要解决的问题。对于设计阶段的数字孪生体，架构设计和优化是目的，因此，本实施例仅对设计需求进行细分，而其他需求类型可根据所面对的任务进行进一步细化，并对当前的元模型进行扩展。各种类的需求之间具有一定的关联关系。首先，需求之间具有包含关系，即一个需求可以包含多个子需求。此外，系统需求和运营需求可由应用需求导出。

在完成需求分析后，即可基于需求分析情况中不同系统需求对应的功能需求进行功能分析、基于不同系统需求对应的架构需求进行架构分析。具体描述如下：

步骤S12：对各类网络系统进行功能分析，得到功能元模型。功能元模型包括功能模型元素及功能流；其中，功能模型元素包括基本功能、辅助功能，还可以包括特定功能和演进功能。构建功能元模型依次包括描述系统功能所需要的构建功能模型元素，并构建其之间的关系：构建功能流。二者在实施过程中是先后关系，即先构建功能模型元素，然后构建各模型元素之间的连接关系，即功能流。具体地，

步骤S121：构建功能模型元素；

在该步骤中，依次按照顺序依次包括构建基本功能、构建辅助功能、构建特定功能、构建演进功能。其各步骤依次实施，首先需要构建所有系统或领域特定的所有系统都有的共性基本功能，其次构建对于该类系统实现所必须的辅助功能，再次构建对于各类网络系统特定的某些类型系统特有的功能，最后的演进功能是为系统后续扩展所用，为可能的扩展留下位置，便于不重置当前建模架构的情况下满足多样化的演进能力。

步骤S1211：分析各类网络系统的基础功能，构建所述基本功能；构建基本功能为各类网络系统都应具有的最基本功能模块，其具体包括的内容为满足普遍应用或领域特定应用的行业的公知功能。对各类网络系统构建基本功能时，都应包括信息的产生、发送、传递、接收、回收等类型。

步骤S1212：分析各类网络系统必要的辅助功能，构建所述辅助功能；构建辅助功能为各类网络系统网络协议中各层级信息处理的功能，其具体包括的内容为在基本功能基础上，实现普遍应用或领域特定应用所必须的辅助类别功能，大多是基于该领域实现的深层技术。对各类网络系统构建辅助功能时，需要考虑如转发、交换、路由等技术的功能实现。

步骤S1213：分析各类网络系统的特定功能，构建特定功能；构建特定功能为各类网络系统中除了基本和辅助功能之外的特殊的应用，其具体包括的内容为领域特定应用的多样化应用场景的满足，丰富所构建系统的可用性的功能设置。对各类网络系统构建特定功能时，在基本的双向信息流程基础上，单向下行的广播类信息交互和单向上行的采集类信息交互即可以作为特定功能。

步骤S1214：分析各类网络系统的演进功能，构建演进功能；构建演进功能是指以上没有列出的其它功能，用于表示目前还未考虑到的、未来可能会引入的新增功能，其具体包括的内容为面向系统未来技术发展趋势，所探索的新型功能。对各类网络系统构建演进功能时，需要面向未来应用场景设定，结合技术发展构建相应新型功能。

步骤S122：分析各类网络系统中功能模型元素之间的信息流向，构建所述功能流；所述功能流包括信号流，还可以包括能量流，其中，所述信号流包括无线信号流和有线信号流。

优选地，构建功能流包括构建能量流、构建信号流。这三类在实施过程中没有固定顺序，可以依照系统具体特征安排实施顺序，且可以根据实际系统特征选择其中一项或多项流进行构建。如对于网络系统，由于信号传输处于核心位置，可以先构建信号流、再构建能量流。其中，

步骤S1221：基于各类网络系统中功能之间传递的能量，构建能量流。能量流中具体包括的内容为能量在各功能之间的传递并考虑其对系统功能的影响。对各类网络系统构建能量流时，构建如热能、电能等在个功能之间传递。

步骤S1222：基于各类网络系统中功能之间传递的电子信号，构建信号流。信号流具体包括的内容为通过有线或无线方式对电子信号的传递。对各类网络系统构建信号流时，可以包括连接建立信号、业务传输信号、接收反馈信号等。

优选地，构建信号流包括构建无线信号流和构建有线信号流。这两类在实施过程中没有固定顺序，可以依照系统具体特征安排实施顺序。其中，构建无线信号流表示各类网络系统中功能之间传递的无线信号。具体包括的内容为不通过实体的线缆或介质进行信号传递的流。如对网络系统构建无线信号流，可通过空气、大气层、真空等进行传播的流。构建有线信号流表示各类网络系统中功能之间传递的有线信号。具体包括的内容为通过实体的线缆或介质进行信号传递的流。如对各类网络系统构建有线信号流，可通过电缆、光纤、波导等进行传播的流。

步骤S13：对各类网络系统进行架构分析，构建架构元模型；架构元模型包括架构模型元素和架构端口；面向各类网络系统构建架构元模型定义描述系统架构所需要的构建架构模型元素及其之间的关系：构建架构端口。二者在实施过程中是先后关系，即先构建架构模型元素，然后构建各模型元素之间的连接关系，即架构端口。

步骤S131：构建模型元素；

优选地，构建架构模型元素包括构建段和构建组件。其各步骤依次实施，即首先依照架构对功能实现的整体划分，构建架构中的段；然后构建共性基线的组成部分，即组件。

步骤S1311：构建段；

构建段为构建各类网络系统中架构组成的某个部分，包含多个具有相似功能的组件。具体包括的内容为面向功能的划分，将实现类似功能的部分结合到一起形成。对各类网络系统构建段时，将面向应用的、面向运维管理的、面向中间传输过程的功能类型分别组织分配到相应的段中。具体地，构建的段包括用户段、空间段及地面段；这三类在实施过程中没有固定顺序，可以依照系统具体特征安排实施顺序。其中，

构建用户段为各类网络系统中包含多个应用用户的段，具体包括的内容为在系统中与用户应用紧密相关的部分划分到该段。如对网络系统构建用户段，可以包括各类用户终端，如手持类、便携类、车船机载类等满足不同应用的终端都属于该段。

构建空间段为各类网络系统中包含多个用于向用户传输数据的空间实体的段，具体包括的内容为系统中实现传输“管道”功能的部分划分到该段。空间段包括接入节点和中继节点。

构建地面段为各类网络系统中进行服务管理及组件控制的段。它同时作为服务和应用的提供方。具体包括的内容为面向运维管理的功能部分划分到该段。如对各类网络系统构建地面段时，可以包括系统运维的地面控制中心或资源管理中心等。

步骤S1312：构建组件；

构建组件为各类网络系统架构组成的某个部分，在各类网络系统的信息传输过程中提供特定的功能。具体包括的内容为在各个功能段中的共性组成部分。如对各类网络系统构建组件时，将组件划分为传输组件、处理组件、介质组件等部分。其中，构建组件包括构建传输组件、构建处理组件、构建介质组件。这三类在实施过程中没有固定顺序，可以依照系统具体特征安排实施顺序。其中，

构建传输组件为构建各类网络系统的传输部分，它将各类网络系统中计算机信息转换为传播发送的信号。具体包括的内容为将信息传输出去的功能实现实体。如对各类网络系统构建传输组件，可以包括无线或有线传输过程中的发送或接收等实体。

构建处理组件为构建各类网络系统的处理部分，根据预定的协议处理信号。具体包括的内容为除了在实体之间传输以外，在实体内部进行的相关功能实现。如对各类网络系统构建处理组件时，可以实现其计算、存储等功能的实体。

构建介质组件为构建各类网络系统的介质部分，用作信号传输媒介。具体包括的内容为在系统各实体之间传递所经过的介质。如对各类网络系统构建介质组件时，可以包括无线或有线信道等对所传输的信息产生衰减或损耗的介质。

示例性地，组件包括天线和处理器，其中，处理器实现为物理层转发和网络层路由等。

步骤S132：根据架构模型元素之间的关系，构建架构端口；所述架构端口包括能量端口和信号流端口。具体实施过程中，构建架构端口包括构建能量端口和构建信号流端口。这两类在实施过程中没有固定顺序，可以依照系统具体特征安排实施顺序。其中，

构建能量端口用于传递各类网络系统中的能量。具体包括的内容为系统之间传递能量的接口。如对网络系统构建能量端口，包括热能或热能散发或接收的端口。

构建信号流端口用于传递各类网络系统中的电子信号，具体包括的内容为系统直接按传递信号流的接口。如对网络系统构建信号流端口时，可以包括无线信号或有线信号发送或接收的端口。构建信号流端口包括构建无线信号端口和构建有线信号端口。这两类在实施过程中没有固定顺序，可以依照系统具体特征安排实施顺序。其中，构建无线信号端口用于传递各类网络系统的无线信号。构建有线信号端口用于传递各类网络系统的有线信号。

需要说明的是，在本实施例中，功能元模型及架构元模型可以基于MOF2.0语法实现。由于MOF2.0与UML类图的语言元素完全一致，因此，也可以采用UML类图建模。具体地，可以采用EcoreTools创建元模型，它是Eclipse对于MOF2.0的一种具体实现。上述功能元模型、架构元模型的内容及内部层级关系确定之后，即可基于UML类图建模方式构建得到功能元模型、架构元模型，示例性地，构建得到的功能元模型、架构元模型的示意图分别如图2、图3所示。

基于上述形成的各类网络系统的功能元模型和架构元模型，对系统建模语言SysML扩展，以形成网络系统领域相关的建模配置文件(profile)，并创建得到相应的构造型(stereotype)，从而提供包含网络系统领域相关语义的特征。在上述元模型基础上，选取与网络系统领域概念在语义和语法上最为接近的模型元素并创建相应构造型。这些构造型共同组成数字孪生体系统的配置文件。构建好元模型后，即可构建相应的配置文件，其构建方法与基于元模型的建模方法相对应，保持一致性，这样可以基于新构建的元模型框架基础上进行较好的继承延续，能够适应领域特定特征。同时SysML固有的元模型，如基于Block或基于Activity的扩展机制在此框架下按需使用，这样就可以充分利用SysML语言原有的成熟建模机制。

由于需求分析只用于前期分析，以引出功能元模型和架构元模型，因此，在步骤S2的执行过程中，也只分别基于功能元模型和架构元模型创建相应的功能配置文件和架构配置文件。具体地，步骤S2的执行过程包括：

步骤S21：基于功能元模型的框架，基于SysML的语法和语义，形成相应的构造型，并依照SysML中的生成机制构建功能配置文件；

构建功能配置文件的内容为：基于功能元模型中的框架，在SysML中语法和语义上接近的元模型基础上进行扩展，形成相应的构造型，并综合所有构造型，依照SysML中的生成机制生成配置文件。具体面向功能配置文件在SysML中的扩展基线和构造型组成如下所述。

构建功能配置文件主要由构建功能及其子类、构建功能之间的流、构建流信息及其子类三部分组成。所述构建功能配置文件，包括：

步骤S211：构建功能及其子类，以表示构建各种类型的功能，由SysML中的模型元素Activity扩展形成相应的Activity构造型作为构造出的相应功能，并通过Activity构造型的子构造型作为各功能的不同子类；

步骤S212：构建功能之间的流，以表示构建功能之间的信息传递关系，由SysML中的ObjectFlow扩展形成相应的ObjectFlow构造型；

步骤S213：构建流信息及其子类，以表示构建功能之间的流上传递的信息，由SysML中的Block继承形成FlowInformation构造型，并通过FlowInformation构造型的子构造型区分不同类型的流信息。其中，每种构造型还具有一些属性来对流所传递的信息进行精确描述，这些属性被定义为构造型的标签(Tag)。

功能配置文件示意图中功能及其子类、功能之间的流的构造型示意图如图4所示，功能配置文件中流信息及其子类的构造型示意图如图5所示。

步骤S22：基于架构元模型的框架，基于SysML的语法和语义，形成相应的构造型，并依照SysML中的生成机制构建架构配置文件。

构建架构配置文件和前述构建的架构元模型的对应关系是：基于架构元模型框架，结合SysML已有的相似特征元模型，综合形成模型元素，并形成架构配置文件。

构建架构配置文件的内容为：基于架构元模型中的框架，在SysML中语法和语义上接近的元模型基础上进行扩展，形成相应的构造型，并综合所有构造型，依照SysML中的生成机制生成配置文件。具体面向架构配置文件在SysML中的扩展基线和构造型组成如下所述。

构建架构配置文件主要由组成系统的构建段和组件及组件子类、构建组件端口、构建端口类型及其子类三部分组成。其中，所述构建架构配置文件，包括：

步骤S221：构建段、组件及组件子类，表示系统的各种组成部分的类型定义，由SysML中的模型元素Block处理段扩展形成相应段的构造型，由SysML中的模型元素Block处理组件扩展形成相应组件的构造型，并通过Block处理组件的子类扩展形成相应组件的子类的构造型；基于这些构造型，可以定义各种类型的具体模块从而描述系统的组成部分。通过属性来对这些模块进行详细描述，这些属性定义为模型元素Block的值属性Valueproperty。这里，组件可以指一类总的组件，组件的子类可以包括当前类别的组件的具体组件，可以通过组件的型号进行区分。

步骤S222：构建组件端口，表示组件之间通过端口进行信息传输，由SysML中的模型元素Port扩展形成；Block之间通过Port进行信息传输。从该元类扩展出FlowPort。

步骤S223：构建端口类型及其子类，表示端口上所能够传输的信息类型，由SysML中的模型元素Block扩展形成相应端口类型的构造型，并通过Block处理端口类型的子类扩展形成相应端口类型的子类的构造型。从该元类扩展出端口类型FlowPortType。通过Tag来描述Port上传输信息的具体属性。通过Tag的Valueproperty来定义这些属性。这里，端口类型可以指的是一类总的端口类型，端口类型的子类可以包括当前类别的端口的具体端口，可以通过端口的型号进行区分。

功能配置文件确定之后，即可基于功能配置文件中的构造型，创建功能库；架构配置文件确定之后，即可基于架构配置文件中的构造型创建组件库；功能库、组件库的组织方式可以根据实际需要进行调整。示例性地，当功能库、组件库仅用于某一类特殊网络系统时，可以根据该特殊网络系统的功能、架构情况对完整的功能库和组件库进行适当裁剪，以去除用不到的功能和组件，减少内存占用，方便用户从功能库和组件库中快速选取合适的功能和组件。

架构配置文件示意图如图6所示。在步骤S3中，具体执行以下操作：

步骤S31：对待建模网络系统进行需求分析，获得待建模网络系统的所有应用场景和传输模式；

步骤S32：分别组合每一种应用场景和传输模式，形成相应的建模场景；

步骤S33：分别在每一种建模场景下对待建模网络系统依次进行功能及架构分析，得到相应建模场景下的功能分析结果和架构分析结果。其中，架构分析结果指待建模网络系统在当前建模场景下所包含的组件；功能分析结果指待建模网络系统在当前建模场景下各组件的功能。

步骤S34：根据当前建模场景下的功能分析结果和架构分析结果，从组件库中选取相应的组件形成网络系统架构，并基于功能库为每一组件进行功能配置，从而得到当前建模场景下的待建模网络系统的数字孪生体，并将所有建模场景下的待建模网络系统的数字孪生体，作为最终的网络系统数字孪生体建模结果。

具体地，根据待建模网络系统在当前建模场景下的架构分析结果，从组件库选取相应组件形成在当前建模场景下的网络系统架构；根据待建模网络系统在当前建模场景下的功能分析结果，基于功能库对在当前建模场景下的网络系统架构中的每一组件进行功能配置，从而建模得到在当前建模场景下的待建模网络系统的数字孪生体。

示例性地，对待建模网络系统进行需求分析后，获得待建模网络系统的所有应用场景和传输模式，并获得网络系统的通信总任务，网络系统通信总任务的模型如图7所示。示例性地，应用场景包括手持和船载，所述传输模式包括实时和非实时。以通信总任务作为功能分析的起点，示例性地，通信总任务被建模为一个构造型为Communication的活动，表示系统需要执行的通信类任务。该任务具有手持和船载两种应用场景(简称“场景”)，通过构造型的Tag值来表示。每种应用场景还有实时和非实时两种传输模式(简称“模式”)。用户可以对场景和模式进行扩展来描述多种类型的功能分析和架构分析。

以应用场景包括手持和船载、传输模式包括实时和非实时为例，绘制了该网络系统在多个建模场景下的数字孪生体示意图。其中，图8(a)为船载实时通信建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图，图8(b)为船载非实时通信建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图，图8(c)为手持实时通信建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图，图8(d)为手持非实时通信子功能建模场景下的网络系统数据孪生体结构示意图。

综上所示，本发明实施例提出的方法，具体如下优势：

第一，扩展了通用SysML的语义表达能力，根据网络系统领域相关语义以及设计过程语义对SysML进行了扩展，支持网络系统领域设计师的交流，支持不同设计阶段信息的无歧义表达。

第二，在元模型和领域语义基础上定义了配置文件，使得SysML建立的数字孪生体能够被系统软件准确理解。同时数字孪生体能够区分为其所归属的类别，为后续功能和组件自动化处理提供了条件。通过这种方式，可以避免传统的依靠设计人员经验采用手工过程实现的手段，降低了开发成本。

第三，本发明对SysML进行的扩展，构建了支持网络系统领域建模语言，为设计人员对模型的准确理解和分析提供基础。在网络领域相关语义的模型的支撑下，即可以实现自顶向下的数字孪生体模型驱动设计，从而提高设计效率和质量。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，包括：

对各类网络系统进行功能及架构分析，得到功能元模型和架构元模型；

分别基于功能元模型和架构元模型，创建相应的功能配置文件和架构配置文件；并基于功能配置文件中的构造型，创建功能库；基于架构配置文件中的构造型创建组件库；

对待建模网络系统依次进行需求、功能及架构分析，根据待建模网络系统的架构分析结果，从组件库选取相应组件形成网络系统架构；根据待建模网络系统的功能分析结果，基于功能库对网络系统架构中的每一组件进行功能配置，从而建模得到待建模网络系统的数字孪生体；

所述功能元模型包括功能模型元素和功能流；其中，功能模型元素包括基本功能、辅助功能；

对各类网络系统进行功能分析，得到所述功能元模型，包括：

分析各类网络系统的基础功能，构建所述基本功能；所述基本功能包括生成、发送、传递、接收和回收；

分析各类网络系统必要的辅助功能，构建所述辅助功能；所述辅助功能包括转发、交换及路由；

分析各类网络系统中功能模型元素之间的信息流向，构建所述功能流；所述功能流包括信号流，所述信号流包括无线信号流和有线信号流。

2.根据权利要求1所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，所述功能模型元素还包括特定功能和演进功能；

对各类网络系统进行功能分析，得到所述功能元模型，还包括：

分析各类网络系统的特定功能，构建特定功能；所述特定功能包括单向下行的广播类信息交互和单向上行的采集类信息交互；

分析各类网络系统在未来设定应用场景下的演进功能，构建演进功能。

3.根据权利要求2所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，所述架构元模型包括架构模型元素和架构端口；

对各类网络系统进行架构分析，构建所述架构模型元素；构建所述架构模型元素包括构建段和构建组件；

根据架构模型元素之间的关系，构建架构端口；所述架构端口包括能量端口和信号流端口。

4.根据权利要求3所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，构建的段包括用户段、空间段及地面段；其中，用户段包括若干类用户终端，空间段包括接入节点和中继节点，地面段包括地面控制中心和/或资源管理中心；

构建的组件包括传输组件、处理组件和介质组件；其中，传输组件包括无线或有线传输过程中发送或接收的实体；处理组件包括网络系统中实现计算和存储功能的实体；介质组件包括无线或有线信道对所传输的信息产生衰减或损耗的介质。

5.根据权利要求4所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，构建所述功能配置文件，包括：

构建功能及其子类，以表示构建各种类型的功能，由SysML中的模型元素Activity扩展形成相应的Activity构造型作为构造出的相应功能，并通过Activity构造型的子构造型作为各功能的不同子类；

构建功能之间的流，以表示构建功能之间的信息传递关系，由SysML中的ObjectFlow扩展形成相应的ObjectFlow构造型；

构建流信息及其子类，以表示构建功能之间的流上传递的信息，由SysML中的Block继承形成FlowInformation构造型，并通过FlowInformation构造型的子构造型区分不同类型的流信息。

6.根据权利要求5所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，构建所述架构配置文件，包括：

构建段、组件及组件子类，表示系统的各种组成部分的类型定义，由SysML中的模型元素Block处理段扩展形成相应段的构造型，由SysML中的模型元素Block处理组件扩展形成相应组件的构造型，并通过Block处理组件的子类扩展形成相应组件的子类的构造型；

构建组件端口，表示组件之间通过端口进行信息传输，由SysML中的模型元素Port扩展形成相应的构造型；

构建端口类型及其子类，表示端口上所能够传输的信息类型，由SysML中的模型元素Block扩展形成相应端口类型的构造型，并通过Block处理端口类型的子类扩展形成相应端口类型的子类的构造型。

7.根据权利要求6所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，对待建模网络系统依次进行需求、功能及架构分析，包括：

对待建模网络系统进行需求分析，获得待建模网络系统的所有应用场景和传输模式；

分别组合每一种应用场景和传输模式，形成相应的建模场景；

分别在每一种建模场景下对待建模网络系统依次进行功能及架构分析，得到相应建模场景下的功能分析结果和架构分析结果。

8.根据权利要求7所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，所述架构分析结果指待建模网络系统在当前建模场景下所包含的组件；所述功能分析结果指待建模网络系统在当前建模场景下各组件的功能。

9.根据权利要求8所述的网络系统数字孪生体建模方法，其特征在于，所述应用场景包括手持和船载，所述传输模式包括实时和非实时。