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新一代系统建模环境——SME
 
作者:Sanford Friedenthal和Roger Burkhart
430 次浏览     评价:  
 2020-2-28
 
编辑推荐:
该文主要提出了基于SysML语言的新一代系统建模环境(SME)是支持MBSE实践的关键要素,并对新一代系统建模环境SME提出了关键性的功能和需求等,希望对您有所帮助。
本文来源于微信号图跃智能,由火龙果软件Delores编辑,推荐

— 介绍 —

向基于模型的系统工程方法(MBSE)的转变对于系统工程来说是必不可少的,以满足系统复杂性、设计周期、生产力和质量日益增长的需求。许多其他的工程学科,如机械、电子和控制工程,使用模型作为他们实践的组成部分。这些模型对于系统工程非常重要,但是MBSE更强调需要建立一个一致性的系统模型(System Model),作为研发设计过程中的产品信息载体,帮助集成设计的方方面面,包括机械、电子和软件。该系统模型提供了系统的共享视图,可以在整个系统开发生命周期中驱动沟通和协调。系统模型代表了权威的信息来源,维护并保证了对需求、设计、仿真和验证的一致性和可追溯性。基于模型的方法与传统的基于文档的方法形成了鲜明对比:在传统以文档为中心的方法中,数据和信息分散在许多不同的文档中,这些文档是在Word、Visio、Excel和PowerPoint等常见应用程序中创建的。为了充分利用基于模型的方法,系统模型维护的是技术基线的基本部分,并且与其他工程模型和工具集成在一起。

图1. 系统模型作为各学科分析和追溯的集成框架

SysML的背景和现状

OMG对象管理组织在2006年采用了系统建模语言(OMG SysML?,并在2007年发布了SysML v1.0。SysML语言规范是由INCOSE国际系统工程协会、OMG对象管理组织和ISO STEP AP-233标准工作组共同提出SysML语言的需求,然后根据这些需求开发了系统建模语言。

SysML是一种通用的图形化建模语言,用于指定、分析、设计和验证可能包括硬件、软件、信息、人员、过程和设备的复杂系统。该语言为建模系统的需求、行为、结构和约束提供了图形化的表示。

自从SysML语言被采用以来,SysML使MBSE整个行业的基于模型的系统工程实践得到了广泛的认可和采用。系统工程师可以从这个经验中学到了很多东西,包括SysML作为一种语言的优点和缺点,以及应用MBSE的好处和挑战。

系统工程领域需要一个标准的系统建模语言,SysML用来表达基本的系统工程概念,如:

系统组成 (system composition) ;

互连 (interconnection) 和接口 (interface);

功能 (function);

基于状态的行为 (state-based behavior);

系统的参数化 (parametric);

需求 (requirements)、设计 (design)、

分析 (analysis)和验证 (verification) 之间的关系。

这种语言被证明是设计日益复杂系统架构的基本能力,并在系统工程领域中克服信息“巴别塔” 【 信息“巴别塔”:指的是用不同的语言描述信息 】。以模型的方式表达系统概念的能力可以通过减少下游设计错误和通过跨项目和贯穿整个生命周期的模型重用来提高设计效率。还可以帮助系系统工程师实现其他好处,比如能够自动完成诸如变更影响分析之类的任务,并增强了对信息的有效性、完整性和一致性的信心,从而自动生成报告和文档。

SysML社区的主要重点是将SysML模型与其他工程工具集成在一起。在集成系统级模型与软件设计之间已经有了显著的进展,特别是对于使用统一建模语言(UML)模型和工具开发的软件,因为SysML派生自UML。此外,集成SysML与工程分析和仿真使用各种集成方法和工具已经取得了相当大的进展。SysML广泛地集成了需求管理工具,SysML与产品生命周期管理和硬件设计工具也做了一些集成,但是还有更多的工具需要集成。

MBSE的一个关键挑战是建模技能的学习曲线比较高。其中的一些挑战来自于系统和系统工程的复杂性,例如需要定义和维护系统的多个一致性视图。其他的挑战是语言和当前建模工具所特有的。学习一种更正式的语言的挑战,以及构建和维护模型的工具,以及有效应用MBSE方法,都需要组织的大量投资来构建实施MBSE的能力。在一个程序中应用这些功能需要一个规范的方法来建立和维护系统模型,作为整个系统生命周期中技术基线的一个组成部分。

SysML的未来方向

对象管理组织系统工程领域特别兴趣组(OMG Systems Engineering Domain Special Interest Group, SE DSIG)建立了系统建模评估和路线图,以评估SysML如何支持MBSE,并为SysML开发一个系统建模环境(System Modeling Environment, SME)的路线图。工作组开始确定下一代SysML的驱动需求和实现语言的工具。下面是这个系统建模环境的一些初始功能和需求。这些都需要进一步的分析、投入和更广泛的社区审查。

系统建模者使用系统建模环境(SME)在基于模型的工程(MBE)范围内实施MBSE。这种环境必须提供对建模语言和工具都有要求的基本功能。SME的一些关键功能包括:

模型构建(Model Construction)

模型可视化(Model Visualization)

模型分析(Model Analysis)

模型管理(Model Management)

模型交换与集成(Model Exchange & Integration)

MBSE协作与工作流(MBSE Collaboration& Workflow)

模型扩展与定制化支持(Model Extension/ Customization Support)

图2. SysML v2对系统建模环境(SME)的关键能力要求

SysML v2对系统建模环境(SME)的关键能力要求包括:

模型的表达能力:

使用模型表达系统概念的能力;

模型的精确性:

模型的表达是明确和简洁的;

模型的演示/交流:

使用模型与不同的利益相关方有效沟通的能力;

模型的构建:

能够高效、直观地构建模型;

模型的互操作:

与其他模型和结构化数据交换和转换数据的能力;

模型的可管理:

能够有效地对模型的变更进行管理;

模型的可用性:

能够有效地、直观地创建、维护和使用模型;

模型的适应性/可定制:

扩展模型以支持特定领域的概念和术语的能力。

基于上述能力和有效性度量,下一代系统建模语言和工具的一些初步驱动需求如下:

下一代建模语言必须能够表达系统工程的核心概念。这需要定义一个反映这些概念的健壮的数据模型。驱动SysML的需求源自最初的系统工程概念模型,是由INCOSE/ OMG/AP233 WG需求团队共同开发的。对该模型的修改和改进将根据过去几年的经验教训进行,并在必要时表达系统工程的核心概念。

下一代建模语言必须包含精确的语义,以避免歧义,并能简明地表示概念。SysML目前利用UML元模型来实现其大部分语义基础。该语言必须从一种精心设计的逻辑形式中派生出来,这种逻辑形式可以利用该模型进行广泛的分析和模型检查。这包括验证模型在逻辑上一致性的能力,以及回答诸如需求或设计变更的影响等问题的能力,或者评估错误如何通过系统传播的能力。语言和工具还必须集成各种各样的方程求解器和执行环境,从而能够捕获定量数据。

下一代建模语言和工具必须提供灵活和丰富的可视化和报告功能,以支持广泛的模型使用者。SysML目前包含了视图和视点的概念。工具供应商和终端用户已经能够应用这种能力来查询模型并提供灵活的报告功能。下一代建模语言和工具必须使用先进的可视化技术来扩展这种能力,包括动态缩放、过滤、模型关系的遍历,以及可视化系统的动态行为,如系统模拟。建模语言还必须支持扩展到当前SysML符号之外的符号库。此外,建模环境必须提供一个简化的web界面,以从不同的视角动态地查看模型。

下一代建模语言和工具必须能够更加直观和高效地构建模型。它通常需要多次点击才能捕获模型中的核心概念。更精简高效的用户界面可以减少构建和维护模型的时间和精力。通过减少用户输入(基于表格的条目)重复常见建模模式的能力是提高建模效率和模型理解的另一种能力。

下一代建模语言和工具必须在基于模型的工程(MBE)的更广泛的环境中支持MBSE。在这个框架中,模型和工具完全集成了特定领域的工程工具,包括硬件和软件设计、分析和仿真以及验证。所有这些基于模型的工具一起为整个系统构建了一个环境。

下一代建模语言必须提供一个标准的应用程序编程接口(API)来提供对模型的动态访问,同时提供适当的访问控制。它还应该与新兴平台集成,用于管理和集成基于模型的内容,例如基于链接数据和语义web技术的开放服务(OSLC)和功能模型接口(FMI),它为可执行行为模型提供模型交换和联合仿真功能。模型转换是SME的另一个核心功能,它提供了从一种建模语言转换到另一种建模语言的能力。

下一代建模语言必须能够在异构的分布式建模环境中进行管理。对模型进行管理的能力,即多个用户在单一模型上协作的情况,已经足够具有挑战性了。这种基本功能需要广泛的分支和合并功能,其中包括评估和集成来自多个用户的更改的有效方法,同时维护所有更改的历史。当多个模型和工具都是协作的一部分时,这些挑战就会增加。集成产品生命周期管理(PLM)环境的能力是一个基本的SME需求,它支持版本管理、配置和变型管理。

可用性必须是下一代建模语言和工具的主要考虑因素。如前所述,SysML语言和工具的学习曲线非常高。下一代建模语言和工具必须能够使广泛的用户使用不同的技能,高效和直观的使用。这对模型精度、模型构建、模型可视化、模型管理以及语言和工具的其他几个方面提出了要求。

下一代建模语言和工具必须具有高度的适应性和可自定义的多个应用程序域。这意味着建模语言必须是可扩展的,以处理领域特定的概念,并且建模工具为用户提供了灵活的方式来输入、分析和可视化模型数据,这些方法对每个域都有意义。此外,SME必须以标准和严格的方式进行定制。

为了保护组织所做的投资,下一代建模语言必须支持现有模型的迁移,以减少信息丢失。模型还必须能够以中立的格式存储,以便将来访问。

下一代建模语言和工具必须是模块化和可扩展的。以支持上述功能的演化,以利用技术、概念、方法和理论的不断进步。

总结

SysML 1.0作为标准系统建模语言发布以来的7年多时间里,语言和工具已经相当成熟,正如MBSE的实践一样。现在有了更广泛的共识,即系统工程必须发展到基于模型的学科。向基于模型的学科转变是INCOSE的一个战略计划。这也是INCOSE系统工程愿景2025(P38-39)的一个关键实践,它描述了2025年MBSE的预计状态:

形式化的系统建模是用于指定、分析、设计和验证系统的标准实践,并与其他工程模型完全集成。系统模型适用于应用领域,并且包含了代表系统各个方面的广泛的模型。使用互联网驱动的知识表示和沉浸式技术能够在虚拟环境中高效和共享人类对系统的理解,通过开发、制造、操作和支持,从概念跨越整个生命周期。

需要一个标准的系统建模语言,可以很容易地适应领域特定的应用程序,是这种MBSE能力的关键因素。系统工程师从使用SysML和MBSE应用程序获得了很多知识。这些见解可以为下一代系统建模语言的发展提供信息。

前进的道路已经从OMG SE-DSIG开始。这必须是一个协作性的工作,在不同的终端用户、工具供应商、学者和其他可以提供一种被工程社区、行业和学术界广泛接受的语言的人之间进行协作。

   
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