關(guān)于模型的系統(tǒng)工程和系統(tǒng)建模語言SysML淺析論文
所謂系統(tǒng)，是指由相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互作用的一些部分所組成的具有某種功能的有機整體。系統(tǒng)工程是以系統(tǒng)理論為依據(jù)，以整個系統(tǒng)為研究對象，從全局統(tǒng)一考慮，運用運籌學(xué)、概率學(xué)與統(tǒng)計學(xué)、控制論、信息論、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及計算機科學(xué)等科學(xué)理論與方法去權(quán)衡解決問題，實現(xiàn)系統(tǒng)整體性價比最優(yōu)的一門學(xué)科。
在系統(tǒng)工程初期階段，系統(tǒng)產(chǎn)生的信息均是以文檔的形式來描述和記錄。但是隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，這種基于文檔的系統(tǒng)工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領(lǐng)域的設(shè)計相銜接(如軟件、機械、電子等、。
為了解決這些問題，基于模型的系統(tǒng)工程MBSE(ModelBasedSystemsEngineering、便產(chǎn)生了，這也正是未來系統(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢。為了支持基于模型的系統(tǒng)工程MBSE，國際系統(tǒng)工程學(xué)會INCOSE以及對象管理組織OMG在對統(tǒng)一模型語言UML進(jìn)行重用和擴展的基礎(chǔ)上，推出一種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)建模語言SysML(SystemsModelingLanguage、，消除了不同模型語言在表達(dá)法及術(shù)語上的不同，規(guī)范了符號和語義。同統(tǒng)一模型語言(unifiedmodelinglanguage，UML、主導(dǎo)了軟件工程設(shè)計一樣，SysML也將是統(tǒng)一系統(tǒng)工程的建模語言。
1系統(tǒng)工程概述
《方法論》(Discoursdelaméthode、是法國著名哲學(xué)家、科學(xué)家和數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·笛卡兒在1637年出版的著名論著。笛卡兒在方法論中提出了一套研究問題的方法，其中最典型的觀點就是把要研究的復(fù)雜問題，分解成比較簡單的小問題，再把小問題從簡單到復(fù)雜排列，先解決容易的問題。如果每一個小問題都解決好了，再組合起來的大問題自然就解決好了。
笛卡兒的理論和觀點對西方人的思維方式，行為模式以及科學(xué)研究方法產(chǎn)生了極大的影響。在十九世紀(jì)六十年代以前，西方科學(xué)研究的方法，基本都是按照笛卡兒的方法論進(jìn)行的�！斗椒ㄕ摗穼ξ鞣浇茖W(xué)文化的飛速發(fā)展，起了極大的促進(jìn)作用。一直到美國阿波羅號登月工程的出現(xiàn)，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，有的復(fù)雜問題根本無法分解，即使分解了，各個小問題之間也有關(guān)聯(lián)和沖突，必須以復(fù)雜的、整體的方法來解決，因此系統(tǒng)工程方法出現(xiàn)了，方法論的方法才被綜合性的系統(tǒng)工程方法所取代。
簡單地講，系統(tǒng)工程就是開發(fā)解決問題的系統(tǒng)的思想方法，按照這樣的方法和步驟就可以幫助人們了解一個系統(tǒng)，對于復(fù)雜的系統(tǒng)就不會使人感到無從下手。
2基于模型的系統(tǒng)工程
基于模型的系統(tǒng)工程MBSE(Model-BasedSystemsEngineering、就是采用模型的表達(dá)方法來描述系統(tǒng)的整個生命周期過程中需求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動。
隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程將產(chǎn)生大量的各種不同的文檔，它面臨的困難越來越明顯：
1、信息的完整性和一致性以及信息之間的關(guān)系難于評估和確定，因為它們散布于各種不同的數(shù)量巨大的文檔中。
2、難于描述各種活動�；顒邮莿討B(tài)的，有交互的，僅用文字描述對于相對簡單，參與方不多的活動還能勝任，但對于復(fù)雜活動就很難描述清楚了。
3、更改的難度很大。由于文檔的數(shù)量巨大，要確保所有需要更改的內(nèi)容都得到更改，將是個很難很大的工程。
基于模型的系統(tǒng)工程MBSE的出現(xiàn)就是為了解決基于文檔的系統(tǒng)工程方法的困難，相對于基于文檔的系統(tǒng)工程方法，它主要在以下幾個方面有所改進(jìn)：
1、知識表示的無二義性。文字的描述經(jīng)常會因為個人理解的差異而產(chǎn)生不同的解釋，而模型是一種高度圖形化的表示方法，具有直觀、無歧義、模塊化、可重用等優(yōu)點，建立系統(tǒng)模型可以準(zhǔn)確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)的各個方面，如功能、詳細(xì)規(guī)范與設(shè)計等，對整個系統(tǒng)內(nèi)部的各個細(xì)節(jié)形成統(tǒng)一的理解，尤其是可以提高設(shè)計人員和開發(fā)人員之間的理解的一致性。
2、溝通交流的效率提高。隨著系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜程度的提高，各種文檔越來越多，相對于厚厚的技術(shù)文檔，閱讀圖形化的模型顯然更加便利直觀、無歧義，使得不同人對同一模型具有統(tǒng)一一致的理解，有利于提高系統(tǒng)內(nèi)各個需要協(xié)調(diào)工作部門之間的溝通與交流的效率，如顧客、管理人員、系統(tǒng)工程師、軟硬件開發(fā)人員、測試人員等。
3、系統(tǒng)設(shè)計的一體化。由于系統(tǒng)模型的建立是涵蓋系統(tǒng)的整個生命周期過程的，包括系統(tǒng)的需求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動，是一個統(tǒng)一整體的過程，可以提供一個完整的、一致的并可追溯的系統(tǒng)設(shè)計，從而可以保證系統(tǒng)設(shè)計的一體化，避免各組成部分間的設(shè)計沖突，降低風(fēng)險。
4、系統(tǒng)內(nèi)容的`可重用性。系統(tǒng)設(shè)計最基本的要求就是滿足系統(tǒng)的需求并且把需求分配到各個組成部分，因此建立系統(tǒng)的設(shè)計模型必然會對系統(tǒng)的各個功能進(jìn)行分析并分解到各個模塊去實現(xiàn)，從而對于功能類型相同的模塊就不必重復(fù)開發(fā)了。
5、增強知識的獲取和再利用。系統(tǒng)生命周期中包含著許多信息的傳遞和轉(zhuǎn)換過程，如設(shè)計人員需要提取需求分析人員產(chǎn)生的需求信息進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計。由于模型具有的模塊化特點，使得信息的獲取、轉(zhuǎn)換以及再利用都更加方便和有效。
6、可以通過模型多角度的分析系統(tǒng)，分析更改的影響，并支持在早期進(jìn)行系統(tǒng)的驗證和確認(rèn)，從而可以降低風(fēng)險，降低設(shè)計更改的周期時間和費用。同其他工程學(xué)科(軟件、電子等、一樣，系統(tǒng)工程正在進(jìn)行進(jìn)化：從基于文檔的方法到基于模型的方法，而這也正是系統(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢。
3系統(tǒng)建模語言SysML
在SysML推出以前，系統(tǒng)工程使用的建模語言工具和種類很多，如IDEF0、行為圖、N2圖等。這些建模語言使用的符號和語義各不相同，各自為政，彼此之間互不支持，無法互操作和重用。系統(tǒng)工程缺乏一種強大的“標(biāo)準(zhǔn)的”建模語言，嚴(yán)重限制了系統(tǒng)工程和其他學(xué)科之間的有效溝通，影響了系統(tǒng)工程的質(zhì)量和效率。
為了支持基于模型的系統(tǒng)工程MBSE，是國際系統(tǒng)工程學(xué)會(Interna?tionalCouneilofSystemsSystemsEngineering，INCOSE、和對象管理組織(Ob?jectManagementGroup，OMG、聯(lián)合提出的一種通用的針對系統(tǒng)工程應(yīng)用的“標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言”SysML(SystemsModelingLanguage、[3]，它可以支持系統(tǒng)工程應(yīng)用的多領(lǐng)域系統(tǒng)包含硬件、軟件、信息等系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、功能描述、系統(tǒng)驗證等。
系統(tǒng)工程經(jīng)過多年的發(fā)展，逐漸在各個層次的理論研究和工程實踐中提出了許多標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示為系統(tǒng)工程的標(biāo)準(zhǔn)框架。一般從方法學(xué)上來講，系統(tǒng)工程的實施可以分為5個層次，從頂層設(shè)計到具體實施分別是過程標(biāo)準(zhǔn)、體系結(jié)構(gòu)框架、建模方法、建模與仿真標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，以及最底層的數(shù)據(jù)庫。SysML正是建模與仿真層的“標(biāo)準(zhǔn)建模仿真語言”。
SysML作為系統(tǒng)工程領(lǐng)域一種新的系統(tǒng)建模語言，主要是以軟件工程領(lǐng)域事實上的標(biāo)準(zhǔn)--統(tǒng)一模型語言UML(unifiedmodelinglanguage、為基礎(chǔ)，集成了面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程的可視化設(shè)計語言的優(yōu)勢，修改擴充了活動圖及需求圖，并將配置圖集成到裝配圖中，是系統(tǒng)工程領(lǐng)域推廣的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言。
SysML的設(shè)計目的是要解決系統(tǒng)工程中面臨的建模問題，為系統(tǒng)設(shè)計師提供一種簡單易學(xué)、功能強大的建模語言。SysML對于系統(tǒng)設(shè)計分析中系統(tǒng)的需求分析、結(jié)構(gòu)分析、行為描述、參數(shù)分配和屬性約束等描述特別有效，它支持結(jié)構(gòu)化和面向?qū)ο蟮亩喾N方法和多種過程。SysML在重用UML2.1的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了特定的擴充和修改。重疊部分表示SysML重用UML的部分，可見SysML在UML的基礎(chǔ)上還有特定的擴充和修改，UML中還有很多要素是不為SysML所用的要素。如圖4所示是SysML圖形分類，SysML一共定義了三類共9種圖形來描述模型的各個方面特征。分別是需求圖、結(jié)構(gòu)圖和行為圖。結(jié)構(gòu)圖包括方框圖、內(nèi)部塊圖、包圖和參數(shù)圖，其中參數(shù)圖是SysML新增的圖形，方框圖、內(nèi)部塊圖是在UML的基礎(chǔ)上擴展和修改的，包圖是重用UML的圖形;行為圖包括活動圖、順序圖、狀態(tài)機圖和用例圖，其中只有活動圖是在UML的基礎(chǔ)上擴展和修改的，其它都是重用UML的圖形。為了加強需求的分析設(shè)計，需求圖也是SysML新增的圖形。
4SysML在系統(tǒng)建模中的應(yīng)用
限于篇幅，本文僅以汽車的剎車系統(tǒng)ABS系統(tǒng)為例，運用SysML系統(tǒng)模型語言簡單描述一下該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、活動、參數(shù)和需求等。
第一步，描述需求。為了加強對系統(tǒng)需求的分析設(shè)計，SysML新增了需求圖。需求是指系統(tǒng)必須滿足的能力或條件，一個需求能夠分解成多個子需求。需求圖能夠描述系統(tǒng)的詳細(xì)需求以及分系統(tǒng)的需求、各需求之間以及需求和其他建模元素之間的關(guān)系。SysML用requirements說明需求，需求圖有點類似于類圖，有兩個屬性：text和id。text是需求的文本描述，id是需求的標(biāo)識符。如圖5所示為剎車系統(tǒng)的需求，詳細(xì)的需求描述又分為兩項，一項為制動距離，具體為在干燥平整的了路面上車輛應(yīng)在150英尺范圍內(nèi)完成從60公里/小時到停止的制動。另一項是反鎖死行為的需求描述，具體即在所有的剎車條件下，剎車系統(tǒng)都應(yīng)該阻止輪胎鎖死。
第二步，描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如圖6所示是用SysML的包圖描述ABS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。ABS系統(tǒng)主要是由電子設(shè)備中心處理器、反鎖死控制器、電子液壓閥門、牽引力探測器和剎車調(diào)節(jié)器組成。牽引力探測器和剎車調(diào)節(jié)器是反鎖死控制器的組成部分，代號為d1和m1，同時可以看出牽引力探測器有信息傳給電子設(shè)備中心處理器，剎車調(diào)節(jié)器控制電子液壓閥門。通過這個圖，可以看出ABS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及各部分相互之間的關(guān)聯(lián)。如圖7所示是用SysML的內(nèi)部塊圖描述反鎖死控制器的內(nèi)部關(guān)系�？梢姺存i死控制器有兩個子單元，即牽引力探測器和剎車調(diào)節(jié)器。牽引力探測器輸出一個控制信號c2到剎車調(diào)節(jié)器的輸入端。
第三步，描述系統(tǒng)的行為，即活動。SysML的行為圖有四個圖形：順序圖、活動圖、狀態(tài)機圖和用例圖。由于這個系統(tǒng)較小，行為比較簡單，我們只用活動圖就可以描述清楚系統(tǒng)的行為。如圖8所示是用SysML的活動圖描述反鎖死控制的活動行為�？梢姺存i死控制活動相關(guān)的有兩個子單元(兩個泳道、，即牽引力探測器和剎車調(diào)節(jié)器。當(dāng)牽引力探測器發(fā)現(xiàn)牽引力丟失后就發(fā)送控制信號c2給剎車調(diào)節(jié)器控制剎車的力度。
第四步，通過參數(shù)圖分析各系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。參數(shù)圖也是SysML新增的圖形，參數(shù)關(guān)系沒有方向，只是說明了一個屬性值的變化對其他的屬性值有影響。參數(shù)約束關(guān)系可以描述系統(tǒng)的各屬性之間的相互關(guān)系，可以是基本的數(shù)學(xué)操作符，也可以是相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。如圖9所示為直線行車的動力參數(shù)圖，其中e1是剎車力度等式;e2是加速度等式;e3是速度等式;e4是距離等式。分別可見f=(tf*bf、*(1-tl、;f=m*a;a=dv/dt;v=dx/dt。系統(tǒng)中經(jīng)常重復(fù)利用的各種參數(shù)、變量或者某個模塊都應(yīng)該在包圖中定義出來，圖9中的各個變量(tf、bf、m、a、t、v、tl等、就應(yīng)在包圖中定義。
限于篇幅，本文舉的這個例子是對簡單小系統(tǒng)的描述過程，建模和分析過程比較簡單。對于復(fù)雜大系統(tǒng)通常也是這個過程，即從系統(tǒng)的需求分析開始，只不過系統(tǒng)需要逐級分解描述各個分系統(tǒng)的需求、結(jié)構(gòu)、行為以及各個分系統(tǒng)之間的關(guān)系。需要說明的是，SysML是標(biāo)準(zhǔn)建模語言，而不是標(biāo)準(zhǔn)過程或方法。不同的系統(tǒng)工程應(yīng)用領(lǐng)域要求不同的過程，SysML獨立于任何一種系統(tǒng)工程過程和方法，但支持任何過程和方法。
5結(jié)論
本文簡要介紹了基于模型的系統(tǒng)工程和SysML模型語言并以汽車的ABS系統(tǒng)為例建立了基于SysML的系統(tǒng)模型。限于篇幅SysML的其他圖形以及圖形的混合用法沒有介紹。
SysML是是國際系統(tǒng)工程學(xué)會(InternationalCouneilofSystemsSystemsEngineering，INCOSE、和對象管理組織(ObjectManagementGroup，OMG、聯(lián)合提出的一種通用的針對系統(tǒng)工程應(yīng)用的“標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言”，能對系統(tǒng)工程的各種問題建模。消除了不同模型語言在表達(dá)法及術(shù)語上的不同，規(guī)范了符號和語義。目前系統(tǒng)工程領(lǐng)域的各工具開發(fā)商都在致力于SysML建模與仿真環(huán)境的開發(fā)，市場上也已經(jīng)有不少相關(guān)產(chǎn)品，相信同統(tǒng)一模型語言(unifiedmodelinglanguage，UML、主導(dǎo)了軟件工程設(shè)計一樣，SysML也將統(tǒng)一系統(tǒng)工程的建模語言。SysML的廣泛應(yīng)用必將提高系統(tǒng)工程之間以及和其他學(xué)科之間的有效溝通，將有力地推動系統(tǒng)工程理論和實踐的發(fā)展。
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