CN116415430B - 面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，该方法包括：将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储；以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；通过图数据库进行存储；根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息。本发明的方法解决了以往SysML模型转换为仿真模型只能应用在特定仿真工具上的缺点，拓宽了仿真验证方式，保证了系统设计的正确性；通过可视化创建定制化视图能够帮助快速理解模型内容、加速仿真验证；提高系统设计的效率和质量，降低设计成本。

Description

面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法

技术领域

本发明涉及基于模型的系统工程，特别是涉及面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法。

背景技术

基于模型的系统工程(Model Based System Engineering，MBSE)是一种跨学科的方法，能够针对不同利益相关方的需求提供综合解决办法。在航空航天领域，MBSE对于空间科学任务论证起到了关键作用。系统建模语言(System Modeling Language，SysML)作为MBSE的标准可视化建模语言，以9种类型的视图进行图形化、数字化的建模。仿真验证可以在早期的开发阶段对系统特定的业务需求进行验证，从而及早发现错误并修正，但是SysML模型无法直接进行仿真验证，因此，需要借助其他工具对SysML模型进行仿真验证。

当前对空间科学任务论证建模的SysML模型进行仿真验证可通过MBSE建模平台内置的仿真功能进行验证，但由于仿真验证内容受限、自定义程度低，为了满足特定需求的仿真分析工作，需要结合其他仿真软件一起使用，目前常见的作法是将SysML模型集成转换成Modelica或Simulink模型等，为此需要根据特定仿真模型的格式解析SysML模型内容，虽然这样能够实现特定系统领域内设计模型向仿真模型的转换过程，但存在平台依赖性强,转换过程复杂,适用性低等方面的不足。鉴于空间科学任务具有系统组成复杂、参考样本少、可靠性要求高、约束苛刻、高成本、高风险等特点，需要多个领域的人员参与，不同的系统工程师会针对同一需求设计不同的行为表示，因此在仿真验证时，需要系统工程师制定多样化、针对性强的仿真内容，若将SysML模型解析为一种自定义程度高的格式存储，以定制化的形式呈现SysML模型信息，则能够使系统工程师在降低学习成本的同时，快速采取多样化的仿真验证方法。

发明内容

针对现有技术对于SysML模型仿真能力不足，需要结合其他仿真工具使用的问题，本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，所述方法包括：

将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储；

以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；

通过图数据库进行存储；

根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息。

作为上述方法的一种改进，所述空间科学探测任务论证建模的SysML模型的内容包括：需求、卫星平台指标、载荷指标和系统结构；其中，

所述需求包括：科学目标、探测目标、可观测量、定位精度、观测时间和探测次数；

所述卫星平台指标包括：卫星质量、寿命、尺寸、热控、轨控、测控、数传和姿态。

作为上述方法的一种改进，所述XML文档包括：

元素定义标签，用于标识空间科学探测任务中的所有元素的名称和唯一标识符；

特征属性标签，用于记录SysML模型中Block的特征属性，包括卫星平台指标和载荷指标，还用于记录上述指标之间的组成关系；

需求标签，用于记录需求的文本，包括科学目标、探测目标、可观测量、定位精度、观测时间和探测次数；

派生关系标签，用于记录需求之间经过泛化、推论形成的派生关系；

精化关系标签，用于记录需求经过不同类型元素细化描述形成的精化关系；和

满足关系标签，用于记录系统结构和指标实现了需求内容的满足关系。

作为上述方法的一种改进，所述以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；具体包括：

步骤S1)识别系统模型实体，完成实体节点的构建；

步骤S2)获取系统模型实体关系；

步骤S3)对齐系统模型实体。

作为上述方法的一种改进，所述步骤S1)具体包括：

解析XML文档中的需求标签，根据引用元素的唯一标识符定位到该标签，获取需求的文本；

解析XML文档中的Block标签，根据引用元素的唯一标识符定位到该标签，得到Block名称，解析特征属性子标签得到值属性、端口、组成和约束的内容。

作为上述方法的一种改进，所述步骤S2)具体包括：

遍历XML文档中值属性、操作、约束、组成和端口的标签，根据与所属Block的标签进行判断，如果存在嵌套，则分别确定与Block之间的所属关系；

遍历关系相关的标签，解析XML文档中的派生关系标签、精化关系标签和满足关系标签，分别得到实体节点之间存在的显性关系，包括：派生、精化和满足关系。

作为上述方法的一种改进，所述步骤S3)具体包括：

通过xmi:id属性值进行去重，并保留属性值发生变化的引用元素，实现实体对齐。

作为上述方法的一种改进，所述通过图数据库进行存储；具体包括：

采用Neo4j图数据库存储根据SysML模型解析出的实体、关系和属性。

作为上述方法的一种改进，所述根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息；具体包括：

以任意实体为中心，检索与之相关联的任意深度的节点，绘制关系图谱；

根据仿真验证需求，检索需要的元素以JSON、CSV、CODE或PNG格式输出。

另一方面，本发明还提出了一种面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换系统，所述系统包括：

XML存储模块，用于将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储；

解析模块，用于以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；

图数据库存储模块，用于通过图数据库进行存储；和

输出模块，用于根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明将图数据库和空间科学任务论证建模的SysML模型相结合，使SysML模型仿真验证的定制化能力变强，解决了以往SysML模型转换为仿真模型只能应用在特定仿真工具上的缺点，拓宽了仿真验证的方式，保证了系统设计的正确性；

2、SysML模型的视图是离散的，无法直观分析不同模块之间的关系，并且理解SysML模型需要一定的学习成本，而得益于实体-关系的图结构，将SysML模型存储在Neo4j图数据库中，通过可视化创建定制化视图能够帮助快速理解模型内容、加速仿真验证；

3、本发明存储在图数据库中的数据可以应用于模型重用，已有的数据可为其他系统设计提供参考，从而提高系统设计的效率和质量，降低设计成本。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是空间引力波一级指标SysML模型效果图；

图3是空间引力波指标分配模型可视化效果图；

图4是空间引力波探测灵敏度曲线效果图。

具体实施方式

本发明针对SysML模型仿真能力不足，需要结合其他仿真工具使用的问题，提出了一种面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，以XML文档格式存储的SysML模型为数据源，解析SysML模型，识别出实体和关系，以及每个元素自身的属性值，通过图数据库存储解析内容，根据不同的仿真需求以JSON、CSV、CODE、PNG等方式输出定制化的SysML模型信息，为SysML模型的仿真验证提供一种新的技术途径。

面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法步骤如下所示：

步骤一：获取XML文档数据源。获取XML数据源是指将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储。空间科学探测任务论证建模的SysML模型内容主要包括科学目标，探测目标，可观测量，定位精度，观测时间和探测次数等需求；质量，尺寸，数传，姿态等卫星平台指标和载荷指标；根据需求构建的系统结构。目前主流建模平台构建的模型可以使用统一标准的XML数据格式进行存储。XML作为一种半结构化的数据类型，具有固定的结构模式，由多个标签嵌套构成，并且每个标签都包含属性，具有很强的规律性，便于从中寻找数据的存储规律，从而快速、准确地提取出其中的模型元素。因此，本文采用对XML数据格式存储的SysML模型作为数据源进行解析。

步骤二：解析SysML模型元素。在解析XML文档时，本文采取DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，通过对这个对象模型的操作，实现知识抽取。DOM解析采用与XML文档存储结构类型的树形结构，并且可以做到随机访问，即可在任何时候通过XPATH查询语句访问XML文档中的任何一部分数据。SysML模型在XML文档中按照按照上述的知识抽取方式提取出实体、关系和属性，并根据模型元素的唯一标识符xmi:id属性保证数据的唯一性。空间科学任务论证建模的SysML模型和XML文档的映射关系如表1所示。

表1SysML模型和XML文档映射关系

由于同一标签可能用于多种类型元素的表示，所以需要通过标签的分类属性进行区分，常用的分类属性包括：xmi:type、elementClass、type等。同一标签表示不同元素分类如表2所示。

表2XML文档标签表示元素类型分类

a)识别系统模型实体，完成实体节点的构建：

(1)需求解析：MBSE通过需求分析对不同利益相关方的需求进行捕获和确认，在SysML模型中通过Requirement类型的元素表达需求。首先解析XML文档中的<sysml:Requirement>标签，该标签记录了需求的定义和描述，根据base_Class属性值定位到对应的<packagedElement>标签，该标签记录了需求的名称。

(2)架构解析：架构模型能够描述系统的结构，明确各分系统之间的关系，量化描述指标内容。在SysML模型中Block类型的元素作为描述系统结构的基本单元，用于定义概念实体，每个Block都可以包含值属性、操作、约束、组成、端口这五个结构化特征属性，用于表达当前模块或指标的功能、参数和接口等特征。首先解析XML文档中的<sysml:Block>标签，该标签表明了base_Class属性对应的<packagedElement>标签属于Block类型，根据base_Class属性值定位到对应的<packagedElement>标签，该标签记录了Block的名称。<packagedElement>标签下的<ownedAttribute>子标签记录了值属性、端口、组成和约束的内容；<ownedOperation>子标签记录了操作类型的结构化特性属性内容。

b)系统模型实体关系获取：

(1)显性关系获取：XML文档中的<sysml:DeriveReqt>、<sysml:Refine>和<sysml:Satisfy>标签分别记录了实体节点之间存在的派生、精化和满足关系，通过这些标签的base_Abstraction属性值定位到对应的<packagedElement>标签，该标签的<supplier>子标签记录了关系起点的唯一标识符，<client>子标签记录了关系终点的唯一标识符。由于识别系统模型实体时已经记录了每个实体节点的唯一标识符，所以在获取关系时只需要记录唯一标识符即可。XML文档中xmi:type属性值为uml:Dependency的<packagedElement>标签记录了实体节点之间的依赖关系，同样通过<supplier>和<client>子标签获取关系。

(2)隐性关系获取：在XML文档中值属性、操作、约束、组成和端口的标签与所属Block的标签形成了嵌套，根据嵌套即可确定这四部分与Block之间的所属关系。

c)系统模型实体对齐：在完成空间科学任务论证SysML模型的实体和关系的抽取之后，需要对冗余的数据其进行整合，以消除歧义和矛盾。SysML模型中存在元素的定义和引用，创建出来的元素可以被其他元素所引用，在实体抽取的时候极有可能会重复抽取同一个元素，所以需要对这些重复的元素进行统一，消除冗余。在XML文档中，每个元素的定义标签通过xmi:id属性作为该元素的唯一标识符，当被其他元素引用时，会通过xmi:id属性值作为引用对象的类型，所以可以通过xmi:id属性值完成去重。元素被引用时是作为一个实例对象被使用的，此时该引用元素的属性值可能发生改变，所以在去重的过程中需要保留属性值发生变化的引用元素。

步骤三：图数据库存储SysML模型信息。图数据库是一种非关系型数据库，图数据库由节点和边构成，以图这种数据结构存储和查询数据，符合SysML模型以节点的形式记录信息，并通过不同的关系使节点之间产生关联的结构。从设计上看，图数据库关注的重点是快速、简单地检索数据中复杂的关系，图数据库查询数据之间关系的速度优于传统的关系型数据库，在空间科学任务论证建模时，由于系统庞大，SysML模型呈现元素数量多、关系复杂的特点，图数据库能够保证在使用简单查询逻辑的同时快速追溯SysML模型之间的关系。图数据库具有灵活，可扩展性强，支持每个实体具有多重类型，单个节点的属性增加、修改不会受到同类型节点的结构影响等特点，满足了每个SysML模型元素具有不同类型、数量的特征属性的特征。所以本文采用Neo4j图数据库存储根据SysML模型解析出的实体、关系和属性。

步骤四：定制化仿真验证。Neo4j图数据库支持多种方式输出数据用于空间科学任务论证的仿真验证：

a)定制化关系图谱。以任意实体为中心，检索与之相关联的任意深度的节点，绘制关系图谱。实现将离散的SysML模型视图组合在同一视图下分析。在空间科学任务论证过程中用于定制化科学目标到探测需求分解追踪的关系图谱和探测需求分解到指标分解追踪的关系图谱。

b)文本格式输出。根据仿真验证需求，检索需要的元素以JSON或CSV格式输出，便于统计和分析元素内部属性值，同时这两种文本格式的数据适用性强、平台依赖性低，能够直接作为大部分仿真产品的数据源。

c)数据库服务。Neo4j以提供服务的方式，允许现有产品直接访问Neo4j读取数据，例如使用GraphXR直接访问Neo4j数据库内容，以多种样式可视化仿真模型，直观理解元素之间关系。Neo4j支持多种开发语言访问数据库，针对空间科学任务具有参考样本少、任务特异性强的特点，系统工程师可根据特定场景编写仿真验证程序，并直接从Neo4j数据库中读取仿真模型使用。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明的实施例提出了一种面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法。

面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法主要由获取XML文档数据源、解析SysML模型元素、图数据库存储SysML模型信息和定制化仿真验证四个步骤组成，其中SysML模型元素主要由实体和关系构成，实体包括需求、指标和系统结构等描述空间科学任务论证的内容，关系包括实体之间的包含、依赖、派生、精化和满足等关系。

面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法其技术效果主要体现在正确解析SysML模型元素和定制化SysML模型应用于仿真验证展示。

采用空间引力波探测器灵敏度验证为例进行描述。

步骤一：获取XML文档数据源。将图2表示的SysML模块定义图使用XML文档存储。

步骤二：解析SysML模型元素。以XML文档作为输入，解析图2中Block类型的元素和其中包含的值属性和组成属性。遍历XML文档中所有的<sysml:Block>标签，根据该标签的base_Class属性找到与xmi:id属性值相等的<packagedElement>标签，记录该标签的name属性作为Block的名称、xmi:id属性作为Block的唯一标识符。在<packagedElement>标签下的<ownedAttribute>子标签记录了值属性和组成属性，该标签的name属性作为特征属性的名称、xmi:id属性作为特征属性的唯一标识符，其中值属性记录了数值信息，所以在<ownedAttribute>标签下的<defaultValue>子标签记录了数值信息，该标签的xmi:type属性作为值属性的数值类型、value属性作为值属性的数值信息。

在XML文档中，值属性和组成属性的标签与所属Block的标签形成了嵌套，根据嵌套的上下级关系即可确定这两部分与Block之间隐含的所属关系。

在SysML模型中，一个Block可由多个Blcok组成，这些Blcok以实例对象的形式被引用，在被组成Block中以组成特征属性表示，这些实例对象虽然通过xmi:id属性进行区分，但实际仍然属于创建出来的某个Block，所以在记录一个Blcok的组成特征属性时，应当去除冗余，用该组成部分所属Blcok的xmi:id作为实例对象的唯一标识符，表现在<ownedAttribute>标签中即用type属性代替xmi:id属性表示组成特征属性的唯一标识符。

正确解析SysML模型元素的技术效果体现在图数据库中存储的信息完备、正确，和SysML模型视图表示的结构一致。例如在空间引力波探测系统中，对一系列的指标参数进行MBSE建模，其中一级指标如图2所示。

步骤三：图数据库存储SysML模型信息。采用Neo4j图数据库存储根据SysML模型解析出的需求、卫星平台指标、载荷指标和系统结构的实体以及实体之间的关系。。将图2所示的SysML模型信息存储在Neo4j后，空间引力波探测任务顶层指标到分系统指标的指标分解的论证模型可视化效果如图3所示。如图3所示，可知空间引力波探测任务的指标内容由节点表示，指标之间的层级由组成关系表示，并且节点的类型、数量和关系的类型、数量与SysML模型保持一致。

步骤四：定制化仿真验证。定制化SysML模型应用于仿真验证展示的技术效果体现在根据需求选择相关的仿真模型进行仿真验证，例如在空间引力波探测系统中，需要根据噪声幅度和信号响应计算探测仪器的灵敏度极限，根据公式所需，需要选择指定的指标参数，从Neo4j中找到一级指标参数，以其为中心，搜索深度在2以内的与之相关的指标参数，将这些节点信息输出作为计算灵敏度的参数，计算得到灵敏度曲线，如图4所示。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换系统，基于实施例1的方法实现，所述系统包括：

XML存储模块，用于将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储；

解析模块，用于以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；

图数据库存储模块，用于通过图数据库进行存储；

输出模块，用于根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，所述方法包括：

将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储；

以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；

通过图数据库进行存储；

根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息；

所述空间科学探测任务论证建模的SysML模型的内容包括：需求、卫星平台指标、载荷指标和系统结构；其中，

所述需求包括：科学目标、探测目标、可观测量、定位精度、观测时间和探测次数；

所述卫星平台指标包括：卫星质量、寿命、尺寸、热控、轨控、测控、数传和姿态；

所述XML文档包括：

元素定义标签，用于标识空间科学探测任务中的所有元素的名称和唯一标识符；

特征属性标签，用于记录SysML模型中Block的特征属性，包括卫星平台指标和载荷指标，还用于记录上述指标之间的组成关系；

需求标签，用于记录需求的文本，包括科学目标、探测目标、可观测量、定位精度、观测时间和探测次数；

派生关系标签，用于记录需求之间经过泛化、推论形成的派生关系；

精化关系标签，用于记录需求经过不同类型元素细化描述形成的精化关系；和

满足关系标签，用于记录系统结构和指标实现了需求内容的满足关系；

所述以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；具体包括：

步骤S1)识别系统模型实体，完成实体节点的构建；

步骤S2)获取系统模型实体关系；

步骤S3)对齐系统模型实体。

2.根据权利要求1所述的面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，其特征在于，所述步骤S1)具体包括：

解析XML文档中的需求标签，根据引用元素的唯一标识符定位到该标签，获取需求的文本；

解析XML文档中的Block标签，根据引用元素的唯一标识符定位到该标签，得到Block名称，解析特征属性子标签得到值属性、端口、组成和约束的内容。

3.根据权利要求1所述的面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，其特征在于，所述步骤S2)具体包括：

遍历XML文档中值属性、操作、约束、组成和端口的标签，根据与所属Block的标签进行判断，如果存在嵌套，则分别确定与Block之间的所属关系；

遍历关系相关的标签，解析XML文档中的派生关系标签、精化关系标签和满足关系标签，分别得到实体节点之间存在的显性关系，包括：派生、精化和满足关系。

4.根据权利要求1所述的面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，其特征在于，所述步骤S3)具体包括：

通过模型元素的唯一标识符xmi:id属性值进行去重，并保留属性值发生变化的引用元素，实现实体对齐。

5.根据权利要求1所述的面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，其特征在于，所述通过图数据库进行存储；具体包括：

采用Neo4j图数据库存储根据SysML模型解析出的实体、关系和属性。

6.根据权利要求1所述的面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法，其特征在于，所述根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息；具体包括：

以任意实体为中心，检索与之相关联的任意深度的节点，绘制关系图谱；

根据仿真验证需求，检索需要的元素以JSON、CSV、CODE或PNG格式输出。

7.一种基于权利要求1的面向空间科学任务论证的定制化SysML模型转换方法的系统，其特征在于，所述系统包括：

XML存储模块，用于将空间科学探测任务论证建模的SysML模型以XML文档的形式进行存储；

解析模块，用于以DOM解析的方式，将XML文档转换成对象模型的集合，从中提取出实体、关系和属性，实现知识抽取；

图数据库存储模块，用于通过图数据库进行存储；和

输出模块，用于根据仿真需求输出定制化的SysML模型信息。