场景驱动cps系统的结构模型与行为模型协同建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法，包括利用MSC构建场景模型；构建场景事件流图；构建CPS系统框图；将场景事件流图在构建的CPS系统实体关系图上进行投影，投影得到的CPS系统实体关系图的一个子图；所得到的子图还原为CPS系统子结构图；在该结构模型基础上针对每一个实体构建动态行为模型，之后按照场景事件流图中事件的交互关系组合实体的行为模型；通过将结构模型与行为模型结合起来，通过场景驱动的方法先构建系统结构模型的一个视图，即针对该场景的一个子结构模型，之后构建该结构中实体之间的动态的交互行为模型，实现结构模型与行为模型的协同建模。
【专利说明】场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及CPS系统建模领域，具体涉及一种场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法。
【背景技术】
[0002]信息物理融合系统(CPS)是指基于计算、通信和控制相互渗透与深度协作，实现计算处理过程和物理控制过程紧密融合的一种新型复杂混成系统，模型驱动的设计和开发方法(MDD)是目前构建CPS系统的有效方法之一。
[0003]一般在工程实践中，开发人员分别对CPS系统的系统结构和动态彳丁为建I吴，从系统组成和运行时行为两个方面对其特征进行刻画和分析，以获得对其静态结构和动态行为较为完整的认识。结构模型代表了系统公共的高层次抽象，由构成系统实体的描述、实体的交互连接、指导实体集成的模式以及这些模式的约束组成；结构模型是各个领域互相理解、统一认识的基础，体现了系统最早的一组设计决策，明确了对系统实现的约束条件；动态行为模型刻画了系统中实体之间的交互细节，用来分析在系统的某一方面的行为在结构的约束之下是否符合需求规约，然而CPS系统设计过程中涉及到不同的研究领域，包括计算科学领域，网络通信领域以及物理控制领域等；不同的领域所关注的系统行为也不同，采用的建模方法及建模语言也不同，设计过程是完全分离的，然而对于整个系统而言需求规约是一致的，各个领域之间又是相互关联的，如何在模型层面刻画这种关联，实现多领域模型之间的协同设计成为了 CPS系统建模中的一个难题。
[0004]目前解决这类问题的方法主要有两种，第一种是通过模型转换的方式，然而CPS系统涉及不同的领域，领域之间模型在语法和语义上是异构的，而且同领域内也存在不同的建模语言以及建模工具，因此通过该方法只能解决系统模型中一部分之间的关联，但是很难在将整个系统用一种统一的建模方式进行刻画。第二方式是通过领域专家的经验知识将行为模型进行封装，进行高层次的抽象形成结构模型，将该结构模型和系统的结构模型进行一致性分析来达到行为模型与结构模型协同建模的目的，然而方法属于专家系统的范畴，最终的结果要依赖于专家的抽象封装是否合理。
[0005]发明目的
[0006]本发明的目的在于一种场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法，将结构模型与行为模型结合起来，通过场景驱动的方法自顶向下先构建系统结构模型的一个视图，即针对该场景的一个子结构模型，之后构建该结构中实体的行为模型，通过场景中的交互关系将子结构中实体的行为模型组合成整个系统的行为模型。实现结构模型与行为模型的协同建模，该方法能够在设计早期发现系统中出现的错误，给系统设计者提供决策支持。
[0007]为实现上述目的本发明采用以下技术方案:
[0008]一种场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法，其操作具体如下:
[0009]步骤1:构建场景模型；[0010]步骤2:构建场景事件流图；
[0011]步骤3:构建CPS系统实体关系图；
[0012]步骤4:将场景事件流图在构建的CPS系统实体关系图上进行投影，投影得到的CPS系统实体关系图的一个子图；
[0013]步骤5:将步骤4中所得到的子图还原为CPS系统子结构图；
[0014]步骤6:在该结构模型基础上针对每一个实体构建动态行为模型，之后按照场景事件流图中事件的交互关系组合实体的行为模型；
[0015]之后对该行为模型进行分析，分析该场景所刻画需求是否在CPS系统框架的约束下能否满足；如果得到满足则系统结构模型与行为模型协调一致，反之则结构模型和行为模型不一致，需要修改结构模型中实体的相关信息，为系统设计者提供决策支持。
[0016]其中:
[0017]场景事件流图为SE=〈C，N, M>，是一个3元组；
[0018]C是实体的有穷集合；N是事件的有穷集合，每个事件对应着消息的发送或接收；M是消息的有穷集合，对任意消息m e M，用m!和m?分别表示发送和接收消息，任一事件e e N，它或者是某一消息m的发送事件或者是某一消息m的接收事件，分别记为λ (e)=m!或 λ (e)=m?
[0019]CPS系统框图， CPS系统框图是无向图，从CPS系统框图中将实体抽象成图的节点，实体之间连接抽象成边而构成的，CPS框架图SA=〈C，E> ;其中:C是实体的有穷集合；E是实体之间的连接集合；
[0020]投影操作为从CPS系统框图将场景中实体C集合所对应的节点和关系抽取出来形成CPS系统框图的一个子图。
[0021]进一步:
[0022]构建场景模型具体操作为:利用MSC作为场景建模语言，从用户提供的需求场景中提取CPS实体作为MSC中的实例，将实体之间的交互关系抽象成MSC中的消息流，将用户提供的场景利用MSC进行建模，实体包括计算实体、物理实体和交互实体。
[0023]构建场景事件流图操作为:按照场景事件流图的定义，将步骤I中构建好的MSC图转换成场景的事件流图，转换规则如下:
[0024]a):MSC中的实例对应于场景事件流图中的实体；
[0025]b):MSC中的每一个消息对应中事件流图中的事件，每一个事件包含事件源、事件的目的地以及数据，事件源对应于MSC中消息的发送实例，事件目的地对应于MSC中的消息接收实例，数据对应了 MSC中的消息。
[0026]步骤4具体操作:
[0027]在CPS系统实体关系图中将场景事件流图的实体对应的顶点以及这些顶点之间关联的边提取出来，步骤2中的传感器对应于CPS系统实体关系图中的IMU，感知器对应于Motor,计算控制中心对应于Task_send。
[0028]通过上述建模的方法，其具有以下优势:
[0029]该方法通过场景驱动的方式实现CPS系统中结构模型与行为模型的协同建模。CPS系统所涉及的领域不同，各个领域所关注的问题也不同，所采用的模型也不同，本方法不是寻求一种通用的建模语言，而是根据不同领域模型在系统底层结构发生重叠这一现象，自顶向下通过系统结构模型，按照不同场景进行投影构造系统的视图即系统的自结构模型，之后在该结构模型上构建实体的行为模型，按照场景中实体交互关系组合实体行为模型，通过相对应的工具进行分析。该方法因为自顶向下构建系统的行为模型，因此行为模型和结构模型在结构上保持了一致，之后允许采用不同的方式在场景结构模型的约束下构建系统的行为模型，这些行为通过实体的外部接口和其他实体的行为模型进行交互，实现了结构与行为的协同建模。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的结构示意图；
[0031]图2为CPS场景模型图；
[0032]图3为场景事件流图；
[0033]图4为CPS系统实体关系图；
[0034]图5为场景在CPS实体关系图上的投影图；
[0035]图6为场景所对应系统子结构图；
[0036]图7为月球车自主导航系统框架；
[0037]图8为月球车场景模型；
[0038]图9为月球车场景的事件流图；
[0039]图10为月球车自主导航系统实体交互关系图；
[0040]图11为场景所对应的投影图；
[0041]图12为场景所对应月球车自行导航系统子结构图；
[0042]图13为场景所对应的行为模型图。
【具体实施方式】
[0043]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]本发明采取的技术方案如图1所示，包括如下步骤:
[0045]步骤1:构建场景模型；
[0046]利用消息序列图(MSC)作为场景建模语言，消息序列图的基本元素为实例和消息流，从用户提供的需求场景中提取CPS实体作为消息序列图中的实例，将实体之间的交互关系抽象成消息序列图中的消息流，将用户提供的场景利用MSC进行建模，如图2所示，实体包括计算实体、物理实体和交互实体。
[0047]步骤2:构建场景事件流图；
[0048]按照场景事件流图的定义，将MSC转换成场景的事件流图，转换规则如下:
[0049]a):MSC中的实例对应于场景事件流图中的实体。
[0050]b):MSC中的每一个消息对应中事件流图中的事件。每一个事件包含事件源以及事件的目的地以及数据，事件源对应于MSC中消息的发送实例，事件目的地对应于MSC中的消息接收实例，数据对应了 MSC中的消息。
[0051]将步骤I中构建好的MSC图按照上述转换规则转换的事件流图如图3所示。[0052]步骤3:构建CPS系统实体关系图；
[0053]CPS系统实体关系图是从CPS系统框架图中转换得到的。CPS系统框架图刻画了系统的组成，由计算实体、物理实体以及交互实体通过接口互联。并在框架模型定义了实体属性以及约束。将框架图中的实体抽象成图的顶点,将实体之间接口的连接抽象成边,将框架模型转换成无向图，如图4所示。
[0054]步骤4:将场景事件流图在构建的CPS系统实体关系图上进行投影，投影得到的CPS系统实体关系图的一个子图，该子图即为场景所对应的结构模型。
[0055]具体操作:在CPS系统实体关系图中将场景事件流图的实体对对应的顶点以及这些顶点之间关联的边提取出来，步骤2中的传感器对应于CPS系统实体关系图中的IMU，感知器对应于Motor,计算控制中心对应于Task_send,那么该场景的投影图如图5所示。
[0056]步骤5:将步骤4中所得到的子图还原为CPS系统子结构图，如图6所示，该结构图中是通过场景映射的方法得到的，因此和场景在结构上保持了一致，在该结构图的实体为场景中所涉及到的实体，在该结构图保留了实体属性以及规约。
[0057]步骤6:在该结构模型基础上针对每一个实体构建动态行为模型，之后按照场景事件流图中事件的交互关系组合实体的行为模型，实体种类不同可能采用的动态行为模型也不一样，但是我们将这些行为模型看成实体内部的运行模式，也就是实体向外通过接口和外在进行交互，实体内部的实现细节具体由什么动态的行为模型要和具体的应用相关。之后对该行为模型进行分析，进而可以分析该场景所刻画需求是否在CPS系统框架的约束下能否满足。如果得到满足说明系统结构模型与行为模型协调一致，如果和结构模型中实体的约束不想符合那么说 明结构模型和行为模型不一致，就需要修改结构模型中实体的相关信息，为系统设计者提供决策支持。
[0058]其中:
[0059]系统行为规约为场景驱动CPS系统中实体与实体交互时所应具有的行为；
[0060]场景事件流图为SE=〈C，N, M>,是一个3元组；
[0061]C是实体的有穷集合；N是事件的有穷集合，每个事件对应着消息的发送或接收；M是消息的有穷集合，对任意消息m e M，用m!和m?分别表示发送和接收消息，任一事件e e N，它或者是某一消息m的发送事件或者是某一消息m的接收事件，分别记为λ (e)=m!或 λ (e)=m?
[0062]CPS系统框图，CPS系统框图是无向图，从CPS系统框图中将实体抽象成图的节点，实体之间连接抽象成边而构成的，CPS框架图SA=〈C，E> ;其中:C是实体的有穷集合；E是实体之间的连接集合；
[0063]投影操作为从CPS系统框图将场景中实体C集合所对应的节点和关系抽取出来形成CPS系统框图的一个子图。
[0064]面向信息物理融合【技术领域】的基于场景驱动的结构模型与行为模型协同建模方法，主要针对CPS系统中计算、通信和控制“3C”融合特点，借鉴场景驱动的思想以及多视图设计方法来协同多个领域、不同专业建模人员对CPS系统并进行建模，在协同建模过程中首先基于实体关系对整个系统进行静态结构建模，之后根据验证场景从系统静态结构模型中抽取该场景所对应的静态结构，形成系统结构模型的一个视图。然后对该视图中实体之间的交互行为采用动态行为模型对其进行建模。实现结构模型与行为模型的协同以及行为模型与行为模型的协同建模。
[0065]下面以对月球车自主导航系统进行结构与行为模型的协同建模进行具体说明，如图7所示为该系统的系统框架图，在这个框架中一共包含了 6个计算任务，它们同构CAN总线与传感器和作动器进行通信。下面是用户给出的一个验证场景。
[0066]在该系统的6个任务中，Task5DataAcq以200ms为周期,定期向敏感器请求数据。以向敏感器MU请求数据为例，Task5DataAcq执行以下操作:将“向MU请求数据”指令写入消息队列SendQueue，之后延时5ms，期望在延时结束时收到IMU返回的全部6帧感知数据，在这5ms中，该系统和敏感器MU应协同完成以下操作:
[0067]任务Task3Send将SendQueue中的数据发送到CAN总线；
[0068]IMU部件从CAN总线上接收到数据请求指令，0.5ms (IMU的响应时间)以后返回6帧数据。
[0069]步骤1:利用MSC构建该场景的模型图，在该场景中的实例为Task^DataAcq、SendQueue、CAN、Task3Send、IMU，构建的场景模型图如图8所不。
[0070]步骤2:构建该场景的事件流图，该场景中的五个实例对应于图中的五个顶点，实例之间的消息传递对应于图中的边，如图9所示。
[0071]步骤3:构建系统框架的实体交互关系图，构成一个无向图，实体重新成图中的顶点，实体之间的端口连接抽象成边,如图10所示。
[0072]步骤4:将场景事件流图在系统实体交互关系图上进行投影，得到场景在月球车自行导航系统结构上的投影图，如图11所示。
[0073]步骤5:将步骤4中所得到的子图还原为月球车自行导航系统子结构图，如图12所示。
[0074]步骤6:采用时间自动机对上一步得到的框架实体关系字图中实体进行建模，之后按照场景事件流图中的交互关系进行组合，得到该场景的行为模型，如图13所示，最终利于Uppaal工具对该行为模型进行分析。
[0075] 本发明解决的是CPS系统结构模型与行为模型的协同建模过程，该建模过程有效的支持了模型之间的一致性分析。
[0076]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法,其操作具体如下: 步骤1:构建场景模型； 步骤2:构建场景事件流图； 步骤3:构建CPS系统实体关系图； 步骤4:将场景事件流图在构建的CPS系统实体关系图上进行投影，投影得到的CPS系统实体关系图的一个子图； 步骤5:将步骤4中所得到的子图还原为CPS系统子结构图； 步骤6:在该结构模型基础上针对每一个实体构建动态行为模型，之后按照场景事件流图中事件的交互关系组合实体的行为模型； 之后对该行为模型进行分析，分析该场景所刻画需求是否在CPS系统框架的约束下能否满足；如果满足则系统结构模型与行为模型协调一致，反之则结构模型和行为模型不一致，需要修改结构模型中实体的相关信息，为系统设计者提供决策支持。
2.如权利要求1所述的场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法，其特征在于，构建场景模型具体操作为:利用MSC作为场景建模语言，从用户提供的需求场景中提取CPS实体作为MSC中的实例，将实体之间的交互关系抽象成MSC中的消息流，将用户提供的场景利用MSC进行建模，实体包括计算实体、物理实体和交互实体。
3.如权利要求2所述的场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法，其特征在于，构建场景事件流图操作为:按照场景事件流图的定义，将步骤I中构建好的MSC图转换成场景的事件流图，转换规则如下: a):MSC中的实例对应于场景事件流图中的实体； b):MSC中的每一个消息对应中事件流图中的事件，每一个事件包含事件源、事件的目的地以及数据，事件源对应于MSC中消息的发送实例，事件目的地对应于MSC中的消息接收实例，数据对应了 MSC中的消息。
4.如权利要求3所述的场景驱动CPS系统的结构模型与行为模型协同建模方法，其特征在于，步骤4具体操作: 在CPS系统实体关系图中将场景事件流图的实体对应的顶点以及这些顶点之间关联的边提取出来，步骤2中的传感器对应于CPS系统实体关系图中的IMU，感知器对应于Motor,计算控制中心对应于Task_send。
【文档编号】G06F17/50GK103714208SQ201310723207
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】杨刚, 杨亚磊, 周兴社, 王宇英, 杜承烈, 沈博 申请人:西北工业大学