CN116776612A - 基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法 - Google Patents

基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法 Download PDF

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余冰
刘子龙
周琛
安保冉
赵士超
曾司凤
吴淮
任强
张学东
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Abstract

本发明公开了一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，基于SysMLv2标准规范，采用事件机制和模型元素过滤机制构建面向SysML的分布式系统模型操作与分析机制，在Restful和消息中间件的基础上实现分布式SysML模型集成与分析框架；其中，所述分布式SysML模型集成与分析框架包括系统建模服务服务化接口、事件订阅机制、Python SysML API、SysML数据库服务。本发明提供一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，基于SysMLv2标准规范，采用事件机制和模型元素过滤机制构建面向SysML的分布式系统模型操作与分析机制，满足分布式环境下系统模型操作、功能扩展以及模型数据分析展示的功能。

Description

基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法
技术领域
本发明涉及复杂装备系统建模领域。更具体地说，本发明涉及一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法。
背景技术
基于模型的系统工程(Model-based Systems Engineering，MBSE)是建模方法的形式化引用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及以后的生命周期阶段。以标准系统建模语言(Systems Modeling Language,SysML)为标准的系统建模工具在模型建模、模型仿真以及模型协同建模等方面有效支撑了基于模型系统工程的实施。
而复杂装备研制过程涉及跨单位、跨工具和跨领域的集成与协同，势必要求系统建模工具在模型建模、模型分析以及模型可视化等方面提供方便快捷的互操作和功能扩展接口，降低模型建模、分析及可视化的难度，以满足各类专业人员高效建模、函数式分析以及灵活展示的工程需求。但现有的系统建模工具在开放性和互操作性上难以满足上述功能需求。基于此本发明提出一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，可以通过该方法实现复杂装备下的模型分析、功能集成和可视化展示的快速集成。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，基于SysMLv2标准规范，采用事件机制和模型元素过滤机制构建面向SysML的分布式系统模型操作与分析机制，在Restful和消息中间件的基础上实现分布式SysML模型集成与分析框架；
其中，所述分布式SysML模型集成与分析框架包括系统建模服务服务化接口、事件订阅机制、Python SysML API、SysML数据库服务。
优选的是，所述分布式SysML模型集成与分析框架的构建流程包括：
步骤一：定义平台无关的SysML模型同步操作接口和面向SysML的数据库服务操作接口；
步骤二：构建基于SysML模型的结构化查询语句、抽象语法树生成，以及基于模型元素属性的事件管理与过滤机制；
步骤三：构建面向Python编程语言的SysML模型互操作接口，以及面向分布式的SysML模型功能集成与分析框架。
优选的是，在步骤一中，所述SysML模型同步操作接口是通过抽象操作接口满足模型元素建模与分析需求，所述SysML模型同步操作接口方式为：
S110、基于SysML v2元模型定义面向服务化的模型抽象操作接口，将SysML v2元模型对象抽象为元素、类型、特性以及关系；
S111、定义模型下元素操作的增删改查接口；
S112、在服务化控制层将上述抽象类的调用接口服务化，满足元素增删改查元素的需求；
其中，在S110中，所述元素实现模型元素操作的基本功能性操作，所述基本功能性操作包括属性读写、元定义属性读写、元素属性查询、模型树获取、继承、添加子元素；
关系是在元素的基础上实现source、target以及关联元素的查询。
优选的是，在步骤一中，所述面向SysML的数据库服务操作接口包括：
在数据库中定义服务名称管理器，以提供SysML建模服务相关的管理功能；
定义添加元素、属性读以及属性写的相关字段，并实现上述信息的持久化。
优选的是，在步骤二中，所述结构化查询语句包括：从模型元素属性三个层次形成SyML模型元素的过滤机制以及定义引用对象的数据结构；
所述抽象语法树生成是通过ANTLR解析结构化查询语言中的关键字段来表达抽象语法树的解析。
优选的是，在步骤二中，所述事件管理与过滤机制对外提供基于用户id的模型事件数据订阅功能；
系统建模服务将上述功能持久化到SysML数据库服务中；
当用户订阅事件时，系统将用户定义订阅信息解析为订阅id、通道名称、模型元素映射器、表达式抽象语法树；
当用户操作模型时，模型元素发生变化将事件数据添加到事件管理器中。
优选的是，在步骤三中，所述SysML模型互操作接口使用Python语言实现系统建模服务的模型元素操作接口，并基于系统建模服务的发布订阅接口以及消息中间件的发布订阅接口构建面向模型元素的事件订阅功能；
所述事件订阅功能包括订阅管理器、事件处理器以及订阅函数接口；
其中，订阅管理器存储系统建模服务id与订阅函数的抽象接口，当事件线程接收到订阅消息时，基于系统建模服务触发响应的订阅函数的执行，实现消息的回调；
在采用Python服务化软件架构将Python SysML功能服务化时，通过将Python扩展的模型元素添加、模型属性设置及模型属性获取信息，以操作类型、操作URI的形式注册到SysML数据库服务中，并对外提供添加元素、属性设置和属性获取的通用操作接口，满足分布式框架下SysML建模与分析功能的拓展。
优选的是，在步骤三中，所述SysML模型功能集成与分析框架包括SysML数据库服务、系统建模服务、SysML Python API以及基于Web的图形化建模与展示软件；
其中，SysML数据库服务提供系统建模服务注册以及SysML相关数据库持久化功能；
系统建模服务提供模型建模功能，同时对外提供抽象操作接口、基于模型树的元素过滤功能、系统模型事件订阅及发布功能；
SysML Python API提供Python环境下的系统模型服务相关的同步调用及异步调用机制，支撑系统建模与分析，并支持将上述功能封装为模型及属性的扩展函数；
图形化建模与展示软件提供分布式环境下的系统建模与分析相关的APP构建。
本发明至少包括以下有益效果：本发明可实现复杂装备下的系统模型分析、功能集成和可视化展示。具体来说，本发明的方法基于SysMLv2标准规范，采用事件机制和模型元素过滤机制构建面向SysML的分布式系统模型操作与分析机制，满足分布式环境下系统模型操作、功能扩展以及模型数据分析展示的功能。该方法面向复杂装备系统建模领域，旨在解决复杂装备系统建模中存在的模型操作的开放性、模型分析的复杂性以及模型展示的单一性等问题，满足复杂装备下系统模型相关功能快速扩展与可视化展示的需求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一种基于消息中间件的SysML模型功能集成与分析方法实施步骤；
图2为本发明的一种SysML v2元模型的模型元素抽象接口映射关系；
图3为本发明的一种基于SysML SQL语句与抽象表达式模型树的映射关系；
图4为本发明的一种系统建模服务模型事件过滤机制；
图5为本发明的一种Python SysML API实现机制；
图6为本发明的一种SysML模型功能集成与分析启动流程；
图7为SysML模型的功能应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明的一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，基于SysMLv2标准规范，采用事件机制和模型元素过滤机制构建面向SysML的分布式系统模型操作与分析机制，在Restful和消息中间件的基础上实现由系统建模服务服务化接口、事件订阅机制、PythonSysML API、SysML数据库服务等组成的分布式SysML模型集成与分析框架，其总体思路是定义平台无关的模型元素同步操作接口以及基于消息中间件的SysML事件发布订阅接口，在系统建模服务和SysML Python API实现平台相关下的模型元素操作时事件过滤、事件回调、事件订阅以及模型元素操作等功能，从而满足面向SysML系统模型下的模型分析、功能集成以及可视化展示等横向功能扩展。
在这种方案中，构建基于SysML v2元模型且平台无关的模型互操作接口，通过模型元素、元素过滤以及事件数据发布订阅等操作接口，满足模型属性读写、关联数据订阅以及功能扩展等操作，并满足平台无关操作接口向Java/Python等编程语言API的扩展；构建基于SysML v2元模型的结构化查询语法，实现复合条件下的模型元素过滤以及事件数据匹配。当模型元素发生变化时，通过抽象语法树参数计算功能实现事件数据过滤及发布。通过服务化接口和消息中间件的发布订阅机制实现分布式环境下的模型元素属性操作以及事件管理，降低模型分析复杂度，实现编程语言下模型建模与分析功能的快速扩展。
为了对本发明的一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法进行充分说明，本发明的实施流程可以分为以下步骤：
步骤一：定义平台无关的SysML模型同步操作接口，通过模型、元素、特性、类型、追溯等抽象操作接口满足模型元素建模与分析需求。
步骤二：定义面向SysML的数据库服务操作接口，实现分布式系统建模服务管理以及模型元素属性功能扩展管理的需求；
步骤三：构建基于SysML模型的结构化查询语句及抽象语法树生成，实现模型/元素/属性下的结构化查询及元素过滤功能；
步骤四：构建基于模型元素属性的事件管理与过滤机制，实现基于抽象语法树的模型元素过滤以及事件发布机制；
步骤五：构建面向Python编程语言的SysML模型互操作接口，实现该编程语言下的同步及异步调用机制；
步骤六：构建面向分布式的SysML模型功能集成与分析框架，实现SysML模型建模与模型分析的功能扩展与分布式管理。
进一步的：步骤一首先基于SysML v2元模型定义面向服务化的模型抽象操作接口，将SysML v2元模型对象抽象为元素Element、类型Type、特性Feature以及关系RelationShip等。其中，元素实现模型元素操作的基本功能，包括属性读写、元定义属性读写、元素属性查询、模型树获取、继承、添加子元素等基本操作；关系在元素的基础上实现source、target以及关联元素的查询等。其次，定义模型下元素操作的增删改查接口。最终，在服务化控制层将上述抽象类的调用接口服务化，满足元素增删改查元素的需求。
同时，建立上述元素抽象接口下添加元素、属性读与属性写的扩展功能，在系统建模模块引入添加元素、属性读以及属性写的类型管理器，定义元素、属性读和属性写的抽象操作接口，以键-值的形式建立操作类型与抽象操作接口之间的映射关系，从而实现元素类型扩充和元素属性扩充的目的。
进一步的：步骤二构建面向分布式的SysML建模服务管理与扩展机制，在数据库中定义服务名称管理器，实现SysML建模服务相关的管理功能，主要字段包括服务名称、服务IP地址以及Host名称的关键字段信息，提供服务添加、删除、查询等管理服务。
同时，定义添加元素、属性读以及属性写的相关字段，并实现上述信息的持久化。当系统建模服务功能更新时，可从上述数据库中读取上述自定义扩展功能的配置信息，并扩充操作类型-服务化API调用的功能映射，实现分布式环境下用户通过系统建模服务调用自定义扩展功能的功能。
进一步的：步骤三构建面向SysML模型的结构化查询语句，从模型元素属性三个层次形成SyML模型元素的过滤机制。其中，from实现模型及元素的筛选，以点实现模型ID与元素ID的关联，以逗号实现同级ID之间的和操作；where实现条件式查询，操作符前代表属性名称，操作符后代表属性值，操作符包括大于、等于及小于等；select基于属性或者运算符形成新的属性值列表和引用对象列表。
定义引用对象的数据结构，以@id和@type作为固定属性，以Map的形式存储键值数据信息。为系统建模语言中模型元素引用引起的层级嵌套问题，在网络配置中，自动实现内存对象到引用对象的转换，包含的固定字段包括名称、元素类型及显示信息等字段信息。
通过ANTLR解析结构化查询语言中的select、from和where等关键字段，并实现表达式抽象语法树的解析。表达式抽象语法树由简单约束、复合约束以及运算符组成，属性值支持以点号实现属性的分割，支持属性a下属性b的属性值获取。
进一步的：步骤四构建模型元素属性的事件管理与过滤机制，对外提供基于用户id的模型事件数据订阅功能，包括订阅、取消订阅以及修改订阅信息等功能，系统建模服务将上述功能持久化到SysML数据库服务中。当用户订阅事件时，系统将用户定义订阅信息解析为订阅id、通道名称、模型元素映射器、表达式抽象语法树。
当用户操作模型时，模型元素发生变化，会将事件数据添加到事件管理器中。事件管理器首先根据模型id和元素id判断该事件是否隶属于某个订阅id下的模型元素映射器中，如果符合条件，则通过参数计算功能执行表达式下的参数计算。当满足条件时，通过消息中间件的发布机制将该消息发布到指定客户端。
进一步的：步骤五构建面向Python语言的SysML模型互操作API，使用Python语言实现系统建模服务的模型元素操作接口；同时，基于系统建模服务的发布订阅接口以及消息中间件的发布订阅接口构建面向模型元素的事件订阅功能。订阅功能由订阅管理器、事件处理器以及订阅函数接口组成。订阅管理器对外提供事件订阅功能，用户通过订阅接口将模型服务id、订阅规则以及回调接口添加到订阅管理器中。订阅管理器存储系统建模服务id与订阅函数的抽象接口，当事件线程接收到订阅消息时，基于系统建模服务触发响应的订阅函数的执行，实现消息的回调。
采用Python服务化软件架构将Python SysML功能服务化，将Python扩展的模型元素添加、模型属性设置及模型属性获取信息以操作类型、操作URI的形式注册到SysML数据库服务中，并对外提供添加元素、属性设置和属性获取的通用操作接口，满足分布式框架下SysML建模与分析功能的拓展。
进一步的：步骤六构建面向分布式的SysML模型功能集成与分析框架，由SysML数据库服务、系统建模服务、SysML Python API以及基于Web的图形化建模与展示软件组成。其中，SysML数据库服务实现系统建模服务注册以及SysML相关数据库持久化功能；系统建模服务实现模型建模功能，对外提供模型、元素、关系等抽象操作接口，并提供基于模型树的元素过滤功能，以及系统模型事件订阅及发布功能；SysML Python API实现Python环境下的系统模型服务相关的同步调用及异步调用机制，支撑系统建模与分析，同时，支持将上述功能封装为模型及属性的扩展函数；基于系统建模服务的图形化建模软件实现分布式环境下的系统建模与分析相关的APP构建。
相关服务启动时，会将服务信息注册到SysML数据库服务中，包括IP地址和HostName等信息。系统建模服务从数据库中读取配置信息以及模型元素属性扩展功能信息，并添加到元素属性操作管理器中，用户通过系统建模服务即可获得所有建模服务相关功能。当用户操作模型时，模型元素发生变化时，会触发模型元素属性的事件管理与过滤机制将事件信息发布到制定的消息中间件中。用户程序接收到关联事件数据进行触发，并更新数据处理结果。
本发明的效果包括：
1)提供开放式的模型/元素/属性操作接口以及功能扩展接口，满足用户在模型建模和模型分析方面功能扩展需求；
2)基于结构化查询语言的模型元素过滤机制，方便用户在模型树的基础上实现关联模型数据的过滤及展示；
3)面向Python的SysML模型API操作接口降低模型建模与分析的难度，提升专业设计人员模型建模与分析的能力。
实施例：
步骤一，元素相关类型抽象接口定义如下：
元素、属性值读写相关管理器数据结构定义如下：
IAddElement、IgetValue和IsetValue分别是元素添加、读属性值和写属性值的抽象接口，用户可以基于该接口实现Java代码下的功能扩展；同时，建模服务基于此接口实现用户自定义服务化功能的扩展，调用参数为服务器地址及相关操作参数。
步骤二，服务器注册管理以及函数功能扩展相关URI数据结构定义如下：
基于上述持久化数据结构，SysML数据库管理服务对外提供服务注册、服务启动以及访问地址查询等功能；函数注册管理器对外提供服务关联下的模型、属性更新功能。当扩展服务启动时，自动更新相关数据表格信息。系统建模服务从表中获取扩展功能信息，并添加到相应类型识别器中。
步骤三，SysML结构化查询语句是基于模型id和元素id、并由select、from和where等关键字段组成的文本化查询语法。引用对象的数据结构定义如下，当Object为引用对象时，会自动处理为包含id和type的map数据结构。
其中，select为模型元素属性id，在属性值获取管理器中均符合要求；from为模型元素选取范围，使用方式包括projectId或者projectId.elementId,elementId12或者projectId1.elementId1，projectId2.elementId2等组成对单个模型、单个模型下的元素、多个模型下不同元素的查询功能；where中key为属性id，在属性值获取管理器中均符合要求，值为相应的属性值。property可以逗号的形式实现多个属性的关联查询，例如owner.qualifiedName为其父节点的模型元素全程。
表达式抽象语法树由简单约束、复合约束以及运算符组成。其中简单约束表达属性名称与期望属性值之间的逻辑关系，复合约束实现单目运算符(>＝、<＝、>、<以及＝等)、双目运算符(+、-、*、/)以及符合运算符(sqrt、sum)等。
运算符数据结构定义如下：
步骤四，模型事件管理器实现用户事件数据的订阅管理功能，其数据结构定义如下：
事件数据中用户传入订阅规则，SubEventManager将订阅数据封装为事件订阅数据SubEventData，并将规则解析为模型选择范围以及表达式抽象树。用户可以基于订阅id远程实现订阅规则的修改。
当模型发生变化时，系统建模服务会将事件数据SubEventData发送到订阅线程，用户根据事件数据中模型元素id轮询该元素是否在订阅元素范围内，如果满足条件，则通过参数表达式计算判断是否满足，如果满足，则将订阅数据发送到消息中间件中。
步骤五，Python SysML API将服务化接口相关模型元素功能封装为Python API，同时通过事件管理器实现订阅功能。python事件回调函数定义如下：
/>
用户设置SysMLService的服务器名称后，从SysML数据库服务中获取系统服务的地址，然后创建服务连接端口，在此基础上通过接口获得模型、元素以及关系的操作接口执行相关操作。
步骤六，面向分布式的SysML模型功能集成与分析框架中SysML数据库服务即可单独存在，也可集成到其它微服务架构管理器中，但需提供SysML相关服务化API操作接口。其中框架加载顺序为：首先，启动SysML数据库服务，对外提供固定地址下的服务化接口；其次，系统建模服务根据数据库服务地址从SysML数据库服务中读取系统配置信息，并根据配置信息加载模型、元素以及属性相关的扩展功能；Python SysML API根据数据库服务地址从SysML数据库服务中读取SysML系统建模服务的连接地址以及中间件连接地址，从而建立系统建模服务与Python SysML API的关系。
当用户调用系统建模服务相关扩展功能时，系统建模服务通过元素类型或者属性id判断是否为扩展功能，并通过服务化接口调用Python SysML扩展功能。用户可以通过Python SysML API实现功能扩展，也可使用Python SysML API进行系统模型分析，并通过Python集成框架实现模型数据的关联分析和可视化展示。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，基于SysMLv2标准规范，采用事件机制和模型元素过滤机制构建面向SysML的分布式系统模型操作与分析机制，在Restful和消息中间件的基础上实现分布式SysML模型集成与分析框架；
其中，所述分布式SysML模型集成与分析框架包括系统建模服务服务化接口、事件订阅机制、Python SysML API、SysML数据库服务。
2.如权利要求1所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，所述分布式SysML模型集成与分析框架的构建流程包括：
步骤一：定义平台无关的SysML模型同步操作接口和面向SysML的数据库服务操作接口；
步骤二：构建基于SysML模型的结构化查询语句、抽象语法树生成，以及基于模型元素属性的事件管理与过滤机制；
步骤三：构建面向Python编程语言的SysML模型互操作接口，以及面向分布式的SysML模型功能集成与分析框架。
3.如权利要求2所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，在步骤一中，所述SysML模型同步操作接口是通过抽象操作接口满足模型元素建模与分析需求，所述SysML模型同步操作接口方式为：
S110、基于SysML v2元模型定义面向服务化的模型抽象操作接口，将SysML v2元模型对象抽象为元素、类型、特性以及关系；
S111、定义模型下元素操作的增删改查接口；
S112、在服务化控制层将上述抽象类的调用接口服务化，满足元素增删改查元素的需求；
其中，在S110中，所述元素实现模型元素操作的基本功能性操作，所述基本功能性操作包括属性读写、元定义属性读写、元素属性查询、模型树获取、继承、添加子元素；
关系是在元素的基础上实现source、target以及关联元素的查询。
4.如权利要求2所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，在步骤一中，所述面向SysML的数据库服务操作接口包括：
在数据库中定义服务名称管理器，以提供SysML建模服务相关的管理功能；
定义添加元素、属性读以及属性写的相关字段，并实现上述信息的持久化。
5.如权利要求2所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，在步骤二中，所述结构化查询语句包括：从模型元素属性三个层次形成SyML模型元素的过滤机制以及定义引用对象的数据结构；
所述抽象语法树生成是通过ANTLR解析结构化查询语言中的关键字段来表达抽象语法树的解析。
6.如权利要求2所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，在步骤二中，所述事件管理与过滤机制对外提供基于用户id的模型事件数据订阅功能；
系统建模服务将上述功能持久化到SysML数据库服务中；
当用户订阅事件时，系统将用户定义订阅信息解析为订阅id、通道名称、模型元素映射器、表达式抽象语法树；
当用户操作模型时，模型元素发生变化将事件数据添加到事件管理器中。
7.如权利要求2所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，在步骤三中，所述SysML模型互操作接口使用Python语言实现系统建模服务的模型元素操作接口，并基于系统建模服务的发布订阅接口以及消息中间件的发布订阅接口构建面向模型元素的事件订阅功能；
所述事件订阅功能包括订阅管理器、事件处理器以及订阅函数接口；
其中，订阅管理器存储系统建模服务id与订阅函数的抽象接口，当事件线程接收到订阅消息时，基于系统建模服务触发响应的订阅函数的执行，实现消息的回调；
在采用Python服务化软件架构将Python SysML功能服务化时，通过将Python扩展的模型元素添加、模型属性设置及模型属性获取信息，以操作类型、操作URI的形式注册到SysML数据库服务中，并对外提供添加元素、属性设置和属性获取的通用操作接口，满足分布式框架下SysML建模与分析功能的拓展。
8.如权利要求2所述的基于消息中间件的SysML功能集成与分析方法，其特征在于，在步骤三中，所述SysML模型功能集成与分析框架包括SysML数据库服务、系统建模服务、SysML Python API以及基于Web的图形化建模与展示软件；
其中，SysML数据库服务提供系统建模服务注册以及SysML相关数据库持久化功能；
系统建模服务提供模型建模功能，同时对外提供抽象操作接口、基于模型树的元素过滤功能、系统模型事件订阅及发布功能；
SysML Python API提供Python环境下的系统模型服务相关的同步调用及异步调用机制，支撑系统建模与分析，并支持将上述功能封装为模型及属性的扩展函数；
图形化建模与展示软件提供分布式环境下的系统建模与分析相关的APP构建。
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