一种元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及系统设计领域，更具体地说，本发明涉及一种元对象机制驱动的复杂 系统顶层设计方法。
【背景技术】
[0002] 复杂系统是指那些结构组成复杂且同时包括离散状态行为和连续动态行为两种 动态特征的耦合系统。飞行器控制系统、汽车电子控制系统等都是典型的复杂反应型系统。
[0003] 在复杂系统设计过程中，设计人员首先进行系统顶层设计。在该阶段，设计人员采 集用户需求，并对其进行分析、分解和精化，并基于用户需求进行系统的分析与设计，得到 系统总体设计方案。其中总体设计方案是后续设计工作的依据，它决定了最终设计出的物 理样机是否运行正确并满足用户需求，因此设计人员应首先保证总体设计方案正确且满足 用户需求。
[0004] 传统的复杂系统设计方法即是一文档驱动式设计方法，设计流程包括从方案设想 系统分析、系统设计直到系统验证分析的一系列步骤，随着CAD/CAM/CAE技术的发展，当前 复杂系统设计方法转变为基于文档和CAD模型混合的设计方法，但其本质上还是文档驱动 式的设计方法。文档驱动式的设计方法主要有两种表现方式，一是各阶段的设计成果以文 字、图表等文档的形式呈现，二是在各阶段之间传递的信息也是各种文档。该方法虽然在过 去相当长一段时间内成功支持了各类复杂系统的设计，但也存在如下的缺点和不足。
[0005] ①设计方案表达不充分
[0006] 文档驱动式的设计方法中，无论是需求分析阶段、顶层建模阶段还是各个子系统 设计阶段，设计方案都是使用文字、图表、图像等自然语言甚至是设计人员之间的口头交流 来表示，这并不能充分的表达设计人员的意图；
[0007] ②信息表达的二义性
[0008] 文档偏向于自然语言的表达方式，主观意愿难于避免，使得文档形式的设计方案 存在歧义，即同一份设计方案不同设计人员的认识和理解也可能不尽相同，从而造成信息 孤岛；
[0009] ③领域设计之间存在鸿沟
[0010] 由于复杂系统是一种涉及众多学科领域的系统，并且每个领域均存在多种建模工 具和建模语言，导致建模语言繁多，设计人员之间难以以规范、统一的方式进行信息沟通；
[0011] ④文档的不可执行性
[0012] 由于文档缺乏形式化定义，各阶段的设计信息缺乏必要的分析和验证手段，难以 进行有效的仿真验证，因此难以发现各阶段设计方案中存在的错误；
[0013] ⑤软件测试工作量大
[0014] 文档驱动式的设计方法，由于缺乏统一的设计规范，最终的软件测试需借助专业 的工具软件，工作量巨大，难度高。
[0015] 传统的复杂系统传统设计方法在系统顶层设计阶段给出的设计方案是文档形式 且该阶段设计工作缺乏必要的系统级辅助设计及仿真验证手段，因此设计人员无法保证总 体设计方案运行正确且满足用户需求。而一旦总体设计方案中存在歧义和错误，那么这些 歧义和错误会在后续设计阶段甚至硬软件联调阶段得到放大和蔓延，等到发现时再进行修 改，其代价是巨大的。
【发明内容】
[0016] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够消除 传统复杂系统开发方式的不足的元对象机制驱动的复杂系统顶层设计方法。
[0017] 为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种元对象机制驱动的复杂系统顶 层设计方法，包括：
[0018] 第一步骤：抽象出复杂系统涉及的多个不同学科领域的模型共性；
[0019] 第二步骤：根据不同学科领域的模型共性，对SysML进行扩展；
[0020] 第三步骤：根据SysML扩展元素，构建原子模型和耦合模型，并对原子模型和耦合 模型进行形式化定义；
[0021] 第四步骤：根据确定的复杂系统业务需求，对复杂系统业务进行层次化分解，以便 利用原子模型和耦合模型的形式表达复杂系统业务；
[0022] 第五步骤：将各个原子模型和耦合模型融合起来构成复杂系统顶层模型，并进行 协同仿真与验证。
[0023] 优选地，所述多个不同学科领域包括机械领域、电子领域、控制领域和液压领域。
[0024] 优选地，利用元对象表示模型共性。
[0025] 优选地，第二步骤包括：在Rhapsody软件中利用SysML配置文件进行扩展，其中 SysML配置文件包括如下六种扩展元素：StateChart配置文件、S頂ULINK配置文件、Hybrid Behavior配置文件、Control配置文件、Dynamic配置文件和Port配置文件。
[0026] 优选地，第三步骤包括：在Rhapsody软件中利用第二步骤扩展的六种SysML配置 文件，基于元对象机制对原子模型和耦合模型进行形式化定义，使之符合多领域模型协同 仿真需要。
[0027] 优选地，第五步骤的协同仿真与验证包括同层次原子模型和耦合模型之间的数 据、事件、信号和能量的流通以及耦合模型内部跨层次的数据、事件、信号和能量的流通。
[0028] 本发明的复杂系统顶层设计方法，将复杂系统涉及到的机械、电子、控制、液压等 各个领域的模型均抽象为统一的原子模型或耦合模型。通过对模型的解释、执行或者自动 生成代码，原子模型和耦合模型可以自动转化为可工作的软件应用，使得复杂系统开发更 加快捷，开发成本更低。同时，开发者不必花费大量的时间和精力在代码编写和测试上，可 以更加专注于如何搭建系统功能性构架，花更多的精力去解决复杂系统关键部分的技术攻 关。如果开发过程中有人中途加入，不需要阅读大量的源代码，而仅仅需要理解这些原子模 型和耦合模型就可以投入工作。另外，由于原子模型和耦合模型是依据功能抽象出来的，避 免了文档的二义性，且有更好的易读性。
【附图说明】
[0029] 结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
[0030] 图1示意性地示出了 MFBS框架下复杂系统设计知识模型。
[0031] 图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的模块一功能映射类型。
[0032] 图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的功能一行为映射类型。
[0033] 图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的行为一结构映射类型。
[0034] 图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的顶层设计步骤。
[0035] 图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的原子模型。
[0036] 图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的耦合模型。
[0037] 图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的复杂系统顶层模型。
[0038] 图9示意性地示出了根据本发明优选实施例的流程图。
[0039] 需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可 能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0040] 为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内 容进行详细描述。
[0041] 本发明方法采取元对象机制和基于模型的系统工程设计方法。如图9所示，复杂 系统顶层设计首先对涉及到的机械、电子、控制、液压等不同学科领域的模型进行抽象；在 抽象出不同学科领域模型共性的基础上，通过对系统工程建模语言SysML进行扩展，利用 扩展的SysML构建模块、功能、行为和结构框架下的系统原子模型，并对原子模型进行形式 化定义；最后利用形式化的原子模型对复杂系统的动态行为、静态结构和约束关系进行建 模与仿真，验证顶层设计效果。本发明使设计人员可专心于复杂系统顶层设计而不必考虑 领域模型设计，实现在方案设计阶段即对复杂系统动态行为、静态结构和约束关系进行建 模与仿真，减少甚至消除方案设计阶段的逻辑错误，有效避免后期的循环设计，大幅提高了 复杂系统的设计效率。
[0042] 本【具体实施方式】中，复杂系统对外的表现都是其功能、行为和结构（Function-Beh avior-Structure, FBS)，抛却系统的具体物理实体，将其进行抽象，仅以FBS模型来表示系 统即为顶层设计。复杂系统顶层设计方法采用模型抽象方式，将复杂系统抽象为动态行为、 静态结构以及若干的约束关系。随着复杂系统的复杂性越来越高，采用FBS模型组合各部 分功能的结构形成复杂系统整体方案时，会产生大量的冗余设计方案，造成设计效率低下， 借鉴模块化设计在简洁模型求解集合上的优势，提出了模块、功能、行为和结构（Modular-F unction-Behavior-Structure, MFBS)框架下复杂系统设计知识模型，并利用SysML配置文 件（Profile)扩展机制对MFBS框架下复杂系统设计知识模型进行支持。"模块"是复杂系 统的若干基本功能元的组合体；"功能"由设计需求出发，表达复杂系统设计目的，用复杂系 统基本功能元表示；"行为"是"功能"和"结构"之间的桥梁，可由行为推断出复杂系统结 构；"结构"则是定义设计由哪些元件组成以及元件之间的组成方式。图1为MFBS框架下 复杂系统设计知识模型。
[0043] 在功能的驱动下，复杂系统的行为描述与结构描述是复杂系统描述的两个重要方 面，行为是对复杂系统功能、性能以及流程的描述，结构则是对复杂系统组成的描述，行为 映射到结构，再加上相互间的约束关系则形成了完整的复杂系统描述。若把行为描述与结 构描述分别考虑，那么所期望的某种复杂系统行为模型就可以向若干种不同的复杂系统结 构组成映射，从而形成不同的复杂系统实现，因此在一定的