复杂系统行为约束下，可以对不 同的复杂系统结构进行分析，寻找复杂系统的最优设计方案。MFBS框架下复杂系统设计知 识模型通过在模块一功能、功能一行为、行为一结构间建立映射关系，实现从功能空间到结 构空间的复杂系统顶层建模。
[0044] ①模块一功能映射
[0045] 模块是一个或若干个功能元的组合体，一般由若干个相关联的功能体组合而成。 一个模块可能包含一个功能元，也可能包含多个功能元，即模块到功能的映射是一对多的 关系；但一个功能元对应的模块是唯一的，即功能到模块的映射是一对一的关系，如将飞行 控制计算机模块映射为"解算控制律"和"控制模态转换"两个功能元。模块一功能映射如 图2所示。
[0046] ②功能一行为映射
[0047] 即通过何种行为实现功能元，归纳功能元的行为实现方法，主要有以下三种映射 类型，如附图3所示。
[0048] FBI :-个功能元由一个或多个行为实现，多个行为之间的关系为或；
[0049] FB2 :-个功能元由多个行为实现，多个行为之间的关系为与；
[0050] FB3 :多个功能元由一个行为实现，多个功能元之间关系为与。
[0051] ③行为一结构映射
[0052] 即通过何种结构实现行为，归纳行为的结构实现方法，主要有以下三种映射类型， 如附图4所示。可以看出，行为是功能和结构之间的桥梁，同一个功能可由不同的结构来实 现。
[0053] BSI :-个行为由一个或多个结构实现，多个结构之间的关系为或；
[0054] BS2 :-个行为由多个结构实现，多个结构之间的关系为与；
[0055] BS3 :多个行为由一个结构实现，多个行为之间关系为与。
[0056] 在MFBS框架下，功能可以由行为和结构来描述，故复杂系统顶层建模把复杂系统 划分为静态结构模型和动态行为模型。其中静态结构模型是复杂系统所有分系统的集合以 及分系统之间的连接关系和约束关系，对外表现为原子模型和耦合模型的耦合连接；动态 行为模型是复杂系统响应外部事件的过程，以及在响应外部事件过程中对静态模型的调度 过程；通过静态结构模型和动态行为模型实现复杂系统功能，最终满足用户需求。
[0057] 复杂系统顶层设计以原子模型和耦合为建模基本元素，以层次化的方式从动态行 为、静态结构和约束关系三方面对复杂系统进行描述，其方法是对SysML进行若干形式的 扩展，使其符合复杂系统顶层设计要求，然后以扩展后的SysML对原子模型和耦合模型进 行形式化定义，构建原子模型和耦合模型，最后利用原子模型和耦合模型进行复杂系统顶 层设计，其步骤附图5所示。
[0058] 本发明具体按照以下步骤进行复杂系统顶层设计：
[0059] (1)抽象出复杂系统涉及到的机械、电子、控制、液压等不同学科领域的模型共性。 机械、液压、电气、热力学等领域系统进行数学建模时，其物理方程具有本质上的一致性，只 是各领域变量名称不同。如功率都是通过变量和跨越变量的乘积，能量则是功率对时间的 积分等，一个例外是热力系统，因为其通过变量q本身就是功率。表1总结了各物理领域系 统进行数学建模时用到的变量以及变量之间的关系。本发明的理论基础即上述各领域模型 的共性，依据系统的固有属性、通过变量、跨越变量以及三者所描述的动力学特性进行原子 模型的构建。
[0060] 表1不同物理域变量间关系
[0062] (2)根据不同学科领域的模型共性，对SysML进行扩展。从模型机理形式上复杂系 统可分为离散行为模型、连续行为模型和混合行为模型；从模型领域上复杂系统可分为机 械、电子、控制、液压等不同领域模型，并且不同模型之间传递的信息也不尽相同，如控制系 统和测量系统之间传递的是电信号，而机械系统之间传递的则是能量信号。基于以上分析， 为适应复杂系统顶层设计，本发明依据顶层模型的类别，在UML元类和SysML配置文件的基 础上，对SysML模型元素进行扩展，形成六种子配置文件，使其作为复杂系统顶层设计的基 本元素。
[0063] ① StateChart配置文件：状态图的扩展，状态图附属于某个Block，故其模型元素 从SysML块定义图（BDD)和状态图的相关元素扩展而来，它对状态图中的转移语义进行修 改，使之符合统离散行为建模，并为混合行为建模提供低层支持机制。
[0064] ②SMJLINK配置文件：SMJLINK模型扩展，其模型元素从SMJLINK Model、 S頂ULINK RTW和SysML块定义图这三种元素扩展而来，结合参数图，使之符合连续系统建 模，也为混合行为建模提供低层支持机制。
[0065] ③Hybrid Behavior配置文件：该配置文件建立在StateChart配置文件、 S頂ULINK配置文件和Parametric配置文件基础之上，包含对复杂系统连续、离散、混合三 种行为进行建模的相关模型元素。
[0066] ④Control配置文件：类似于Hybrid Behavior配置文件，该配置文件建立在 Hybrid Behavior配置文件之上，并对SysML块定义图进行扩展而来，提供对控制器中离 散、连续和混合三种行为进行建模，并使之蕴含控制领域内的知识语义，用于对控制器进行 建模。
[0067] ⑤Dynamic配置文件：用于对复杂系统中物理子系统的属性和行为进行建模，虽 然复杂系统涉及多种物理子系统（机械、控制、液压等），但均遵循统一的动力学原理。因 此，本文在动力学层面上对各个物理系统进行统一形式的建模，而不区分其各自领域内的 特定领域知识语义。
[0068] ⑥Port配置文件：该配置文件附属于Control配置文件和Dynamic配置文件，由 SysML块定义图中的Standard port和Flow port扩展而来，用于对系统中建模的不同模块 进行耦合连接，构建复杂系统整体模型。
[0069] (3)根据步骤2中SysML的六种扩展元素，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。原子模型和耦合模型示意图如附图6和附图7所示。
[0070] 原子模型形式化定义如下：
[0071] AM ：<InputFlowE, InputFlowS, InputFlowD, InputEventP, OutputFlowE, OutputF IowS, OutputFlowD, OutputEventP, FlowAttribute, FlowOperation, FunctionEffect, Algo rithm, fsm, BasicEvent, ProcessEvent, Constraint, Initiallnterface, SemanticInterfa ce>〇
[0072] InputFlowE是输入能量流端口集合，
[0073] InputFlowE = {(ifel，ife2,…ifen) I ifel G Uel，ife2 G Ue2,…ifen G Uen}，
[0074] 其中Uei为ifei的数值集合。
[0075] InputFlowS是输入信号流端口集合，
[0076] InputFlowS = {(ifsl，ifs2,…ifsn) I ifsl G Usl，ifs2 G Us2,…ifsn G Usn}，
[0077] 其中Usi为if si的数值集合。
[0078] InputFlowD是输入数据流端口集合，
[0079] InputFlowD ={ (ifdl，ifd2,…ifdn) I ifdl e Udl，ifd2 e Ud2,…ifdn e Udn}，
[0080] 其中Udi为ifdi的数值集合。
[0081] InputEventP是输入事件集合，
[0082] InputEventP = {iel，ie2,…，ien} 〇
[0083] OutputFlowE是输出能量流端口集合，
[0084] OutputFlowE ={ (ofel，ofe2,…ofen) I ofel e Yel，ofe2 e Ye2，… ofen e Yen},
[0085] 其中Yei为ofei的数值集合。
[0086] OutputFlowS是输出信号流端口集合，
[0087] OutputFlowS ={ (ofsl，ofs2,…ofsn) I ofsl e Ysl，ofs2 e Ys2，… ofsn e Ysn},
[0088] 其中Ysi为ofsi的数值集合。
[0089] OutputFlowD是输出信号流端口集合，
[0090] OutputFlowD = {(ofdl, ofd2, ··· ofdn) | ofdl e Ydl, ofd2 e Yd2, ··· ofdn e Ydn},
[0091] 其中Ydi为ofdi的数值集合。
[0092] OutputEventP是输出事件集合，
[0093] OutputEventP = {oel，oe2,…，oen} 〇
[0094] FlowAttribute为流的属性，包括材料属性、能量属性和信号属性。
[0095] FlowOperation 为流的操作。
[0096] FunctionEffect为模型的功能效应，
[0097] FunctionEffect = {TypeChange, PropertyChange, ChangeTrend, EventChange},