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  • 关于模型的系统工程和系统建模语言SysML浅析

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2019-10-19

    所谓的系统是指具有某些功能的有机整体,这些功能由彼此相关,相互约束和相互作用的部分组成。系统工程以系统理论为基础,以运筹学,概率与统计,控制论,信息论,管理科学,经济学和计算机科学等科学研究理论和方法为基础,以整个系统为研究对象,综合考虑全局。权衡解决问题的难度并实现最佳的成本效益系统。

    在系统工程的早期阶段,以文件形式描述和记录系统生成的信息。但是,随着系统的规模和复杂性的不断增加,这种基于文档的系统工程面临的困难越来越突出。例如,信息表示不准确,容易模棱两可,难以从海量文档中找到所需信息,并且无法在其他工程领域(例如软件,机械,电子等)进行设计。 )。

    为了解决这些问题,出现了基于模型的系统工程MBSE(ModelBasedSystemsEngineering),这是未来系统工程发展的必然趋势。为了支持基于模型的系统工程MBSE,国际系统工程学会INCOSE和对象管理组织OMG在统一模型语言UML的重用和扩展的基础上,引入了标准的系统模型语言SysML(SystemsModelingLanguage),区别。模型语言在表达和术语上有所不同,并规范符号和语义。与统一建模语言(UML)主导软件工程设计一样,SysML还将成为统一系统工程的建模语言。

    1系统工程概述

    《方法论》(Discoursdelaméthode)是一本著名的书,由法国著名哲学家,科学家和数学家RenéDescartes于1637年出版。笛卡尔提出了一套研究方法论问题的方法。最典型的观点是将要研究的复杂问题分解为相对简单的小问题,然后将这些小问题从简单安排为复杂。问题。如果每个小问题都解决了,那么合并的大问题自然就会解决。

    笛卡尔的理论和观点对西方人的思维方式,行为方式和科学方法产生了重大影响。在1860年代之前,西方科学研究方法基本上是根据笛卡尔方法进行的。《方法论》极大地促进了西方现代科学文化的飞速发展。直到美国的阿波罗登月计划到来之前,科学家们发现一些复杂的问题根本无法分解。即使它们被分解,小问题之间也存在相关且相互冲突的问题。必须以复杂和整体的方式解决它们。因此,出现了系统工程方法,并且该方法论方法已被一种全面的系统工程方法所替代。

    简而言之,系统工程是开发问题解决系统的方法。通过遵循这些方法和步骤,可以帮助人们理解系统。对于复杂的系统,它不会使人感到不适。

    2基于模型的系统工程

    基于模型的系统工程(MBSE)是一种模型表达方法,用于描述系统在其整个生命周期中的需求,设计,分析,验证和确认。

    随着系统规模的增加和复杂性的增加,传统的基于文档的系统工程将产生大量不同的文档,并且其面临的困难越来越明显:

    1)信息的完整性和一致性以及信息之间的关系很难评估和确定,因为它们分散在各种各样的文档中。

    2)很难描述各种活动。活动是动态的,交互式的,对于相对简单的活动,只有文字描述相对简单,但是很难描述复杂的活动。

    3)更改非常困难。由于文档数量庞大,因此确保更改所有需要更改的工作非常艰巨。

    基于模型的系统工程MBSE的出现是为了解决基于文档的系统工程方法的问题。与基于文档的系统工程方法相比,它主要在以下几个方面进行了改进:

    1)知识表示的明确性。由于个人理解上的差异,文本的说明通常具有不同的解释。该模型是高度图形化的表示形式,具有直观,明确,模块化,可重用等特点。可以准确,统一地描述系统模型。系统的各个方面,例如功能,详细的规格说明和设计,形成了对整个系统内细节的统一理解,尤其是提高了设计师与开发人员之间的理解。

    2)提高了沟通效率和沟通效率。随着系统规模和复杂性的增加,越来越多的文档可用。与厚厚的技术文档相比,读取图形模型显然更加方便和直观,因此不同的人对于同一模型拥有相同的模型。理解,有利于提高系统中各个部门之间的通信和通信效率,例如客户,经理,系统工程师,软件和硬件开发人员,测试人员等。

    3)系统设计集成。由于系统模型的建立涵盖了系统的整个生命周期,包括系统的需求、设计、分析、验证和确认,是一个统一的过程,提供了一个完整、一致和可追溯的系统。设计,从而保证系统设计的集成,避免组件之间的设计冲突,降低风险。

    4)系统内容的可重用性。系统设计的最基本要求是满足系统的需求,并将需求分配给各个组件。因此,系统的设计模型将不可避免地对系统的各种功能进行分析和分解,使功能类型相同的模块得以实现。没有必要重复开发。

    5)加强知识的获取和重用。系统生命周期包含许多信息传递和转换过程,如设计者需要提取需求分析师生成的需求信息来设计系统。由于模型的模块化性质,使得信息的获取、转换和重用更加方便有效。

    6)通过模型的多角度分析系统,可以分析变更的影响,早期支持系统的验证和确认,从而降低设计变更的风险,减少设计变更的周期时间和成本。与其他工程学科(软件、电子学等)一样,系统工程也在不断发展:从基于文档的方法到基于模型的方法,这是系统工程发展的必然趋势。

    3系统建模语言sysml

    在sysml发布之前,系统工程中使用了许多建模语言工具和类型,如idef0、行为图和n2图。这些建模语言使用不同的符号和语义,每个符号和语义在政治上相互独立,不能互操作和重用。系统工程中缺乏强大的“标准”建模语言,严重制约了系统工程与其他学科的有效沟通,影响了系统工程的质量和效率。

    为了支持基于模型的系统工程MBSE,它是由系统内部工程联盟(INCOSE)和对象管理组织(OMG)联合提出的一种用于系统工程应用程序的通用系统建模应用程序语言。 “ SysML(SystemsModelingLanguage)[3],它可以支持系统工程应用程序的多域系统,包括硬件,软件,信息和其他系统需求分析,系统设计,功能描述,系统验证等。

    经过多年的发展,系统工程逐渐在各个层次上提出了许多理论研究和工程实践标准。图2显示了系统工程的标准框架。一般来说,系统工程的实施可以分为五个层次。从顶层设计到具体实现,它是过程标准,体系结构框架,建模方法,建模和仿真标准,数据交换标准以及最低级别。数据库。 SysML是用于建模和仿真层的“标准建模仿真语言”。

    SysML是系统工程领域中一种新的系统建模语言,它基于未实现的模型语言UML(统一化建模语言),该模型语言集成了面向对象和面向过程的可视化设计语言的优点。该修改扩展了活动图和需求图,并将配置图集成到装配图中。它是在系统工程领域中推广的标准系统建模语言。

    SysML旨在解决系统工程中面临的建模问题,并为系统设计人员提供易于学习且功能强大的建模语言。 SysML对于系统需求分析,结构分析,行为描述,参数分配和系统设计分析中的属性约束特别有效。它支持结构化和面向对象的多种方法和多种过程。 SysML已基于UML2.1的重用进行了专门的扩展和修改。重叠表示SysML重用UML的部分。可以看出,SysML在UML的基础上进行了特定的扩展和修改。 UML中有许多SysML未使用的元素。如图4所示,SysML图形分类,SysML定义了九种图形的总共九种类型,以描述模型的各个方面。它们是需求图,结构图和行为图。结构图包括框图,内部框图,封装图和参数图,其中参数图是SysML的新图,该框图和内部框图是在UML的基础上进行扩展和修改的,封装图是重用UML的图。该图包括活动图,序列图,状态机图和用例图。仅活动图是在UML的基础上扩展和修改的,其他活动图是可重用UML的图形。为了增强需求的分析设计,需求图也是SysML的新图。

    4SysML在系统建模中的应用

    由于篇幅所限,本文仅以汽车的制动系统ABS系统为例,并以SysML系统模型语言简要描述系统的结构,活动,参数和要求。

    第一步是描述需求。为了加强对系统需求的分析和设计,SysML添加了需求图。需求是指系统必须满足的能力或条件,并且需求可以分解为多个子需求。需求图描述了系统的详细需求和子系统的需求,需求之间的关系以及需求和其他建模元素。 SysML使用需求来描述需求。需求图有点类似于类图,并且具有两个属性:text和id。文本是需求的文本描述,而id是需求的标识符。如图5所示,对制动系统的要求,详细的要求描述分为两部分,一是制动距离,特别是在干燥平坦的道路上,车辆应在距60 km/h 60英尺内完成制动停止。另一个是对防抱死行为的描述,其中制动系统应防止轮胎在所有制动条件下抱死。

    第二步是描述系统的结构。如图6所示,使用SysML的封装图描述了ABS系统的结构。 ABS系统主要由电子设备中央处理器,防抱死控制器,电动液压阀,牵引力检测器和制动调节器组成。牵引力检测器和制动调节器是防抱死控制器的一部分,代号为d1和m1。还可以看出,牵引力检测器的信息已传输到电子设备的中央处理器,而制动调节器则控制电动液压阀。从该图可以看到ABS系统的结构以及各部分之间的关系。如图7所示,使用SysML的内部框图描述了防锁定控制器的内部框图。可以看出,防抱死控制器具有两个子单元,即牵引力检测器和制动调节器。牵引力检测器将控制信号c2输出到制动调节器的输入。

    第三步是描述系统的行为,即活动。 SysML的行为图具有四个图:序列图,活动图,状态机图和用例图。因为该系统很小,并且行为相对简单,所以我们只能使用活动图来描述系统的行为。如图8所示,使用SysML的活动图描述了防锁定控件的活动图。可以看出,有两个与防抱死控制活动有关的子单元(两个车道),即牵引力检测器和制动调节器。当牵引力检测器发现失去牵引力时,它会向制动调节器发送控制信号c2,以控制制动器的力。

    在第四步骤中,通过参数图分析每个系统的参数之间的关系。参数映射也是SysML的新图形。参数关系没有方向。它仅表明一个属性值的更改会影响其他属性值。参数约束关系可以描述系统各种属性之间的关系,可以是基本的数学运算符或相互关系的数学表达式。图9是直线驱动的动态参数图,其中,e1为制动力方程式。 e2是加速度方程; e3是速度方程; e4是距离方程。可以看出f=(tf * bf)*(1-tl); F=M * A;一个=dv/dt的; V=DX/dt的。在包装图中应定义系统中经常重复使用的各种参数,变量或模块。图9中的变量(tf,bf,m,a,t,v,tl等)应位于包装中。在图中定义。

    由于篇幅所限,本文给出的示例仅是一个简单小型系统的描述过程。建模和分析过程相对简单。这通常是复杂的大型系统的过程,首先要分析系统的需求,只是系统需要分解需求,结构,行为以及各个子系统之间的关系。应当注意,SysML是一种标准的建模语言,而不是一种标准的过程或方法。不同的系统工程应用程序需要不同的过程。 SysML独立于任何系统工程过程和方法,但支持任何过程和方法。

    5个结论

    本文简要介绍了基于模型的系统工程和SysML模型语言,并基于汽车的ABS系统构建了基于SysML的系统模型。没有描述其他图形以及仅限于SysML的图形的有限使用。

    SysML是由国际工程系统工程学会(INCOSE)和对象管理组(OMG)共同提出的用于系统工程应用程序的通用“标准系统建模语言”。它会在系统工程中产生各种问题。模子。它消除了不同模型语言的表达和术语上的差异,并规范了符号和语义。当前,系统工程领域的各种工具开发人员都在致力于SysML建模和仿真环境的开发。市场上已经有很多相关产品。可以相信,相同的建模语言(统一建模语言(UML)支配着软件工程设计,SysML也是一种将统一系统工程的建模语言。SysML的广泛应用必将改善系统工程与其他学科之间的有效沟通,并将大力促进系统工程理论和实践的发展。

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