基于DEVS SysML Profile的互操作能力可執(zhí)行建模方法

劉一洲++禹明剛

摘 要：基于建模語言描述的互操作模型并不具備可執(zhí)行性，這也是其基于建模語言的一個短板。通過機(jī)制拓展了的建模語義，使其與仿真可執(zhí)行語言相互貫通，完成了從SysML建模到基于SysML建模語言的仿真可執(zhí)行模型。采用DEVS作為仿真規(guī)范，從而拓展SysML，通過SysML輕量級擴(kuò)展機(jī)制Profile定義新的構(gòu)造型，將元類型進(jìn)行擴(kuò)展并增加新的屬性來構(gòu)建DEVS SysML Profile。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：SysML；DEVS；Profile機(jī)制；可執(zhí)行性

DOIDOI：10.11907/rjdk.161504

中圖分類號：TP302

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011002302

作者簡介作者簡介：劉一洲（1990-），男，上海人，中國人民解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)镃4ISR系統(tǒng)互操作能力；禹明剛（1987-），男，河南鄭州人，中國人民解放軍理工大學(xué)指揮信息系統(tǒng)學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)镃4ISR系統(tǒng)互操作能力。

1 DEV SysML Profile構(gòu)建

DEVS與SysML有很多共同之處[1]。例如：DEVS原子和耦合對應(yīng)于SysML中的Block，接口對應(yīng)于SysML數(shù)據(jù)流端口；DEVS的狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)于Block的參數(shù)屬性，而SysML的Constraints可以描繪各個狀態(tài)參數(shù)如何相互聯(lián)系從而構(gòu)成系統(tǒng)狀態(tài)；DEVS耦合模型結(jié)構(gòu)類似于SysML的內(nèi)部塊圖（Internal Block Diagrams，IBDs），而組成耦合模型的每個組件對應(yīng)于IBD的塊部件。表1給出了DEVS形式化描述和SysML圖形化實(shí)體之間的映射關(guān)系。

根據(jù)DEVS形式化描述與SysML圖形化實(shí)體之間的映射關(guān)系，如上表，構(gòu)建DEVS SysML profileDEVS的元素作為SysML的stereotypes被加入到SysML中去。DEVS SysML profile用塊定義圖（Block Definition Diagrams，BDDs）、內(nèi)部塊圖（Internal Block Diagrams， IBDs）、參數(shù)圖（Parametric Diagram， PD）對系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模；DEVS SysML profile用狀態(tài)機(jī)、活動圖和時序圖對系統(tǒng)的動態(tài)行為建模。實(shí)體間的關(guān)聯(lián)分為4類[2]，如：DEVS State與DEVS Internal Transition間的聚合關(guān)系；DEVS Model與DEVS間的組成關(guān)系；DEVS Coupled與DEVS間的概括關(guān)系；以及用文本標(biāo)注的一般關(guān)聯(lián)關(guān)系。另外，模型還給出了元素間的多屬性約束。

2 基于SysMLDEVS的互操作能力靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模

上文介紹了DEVS SysML Profile的具體構(gòu)成，并且詳細(xì)展示了DEVS形式化元素與SysML的圖元實(shí)體的相互映射，結(jié)合互操作能力元概念模型與互操作能力建模方法[3]，可通過SysML將互操作能力與DEVS形式化相互關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)互操作能力模型的可執(zhí)行性。

本文主要以靜態(tài)視角切入，使用DEVS SysML Profile對互操作能力靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可執(zhí)行模型的建立。DEVS SysML Profile中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由塊定義圖、內(nèi)部塊圖、參數(shù)圖述組成；互操作能力模型中，描述組織業(yè)務(wù)與作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)等概念均屬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)范疇，故上述方法具備通用性。其中，塊圖的使用是描述互操作能力靜態(tài)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成，其映射關(guān)系如表2所示。

內(nèi)部塊圖則側(cè)重于描述各節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)組成的內(nèi)部構(gòu)成，如作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)可分為作戰(zhàn)單元與作戰(zhàn)平臺，內(nèi)部塊圖也可描述節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)組成之間的接口連接關(guān)系。

參數(shù)圖的基本作用是針對系統(tǒng)約束的總和，其與互操作概念中的協(xié)作章程有異曲同工之妙，協(xié)作章程也貫穿于4層元概念中，并且引導(dǎo)各層展開服務(wù)、活動、平臺等層次的約束。

3 基于SysMLDEVS的互操作能力動態(tài)行為建模

SysML描述系統(tǒng)的動態(tài)行為由狀態(tài)機(jī)圖、序列圖、活動圖來完成[4]。因此，基于DEVS SysML profile的互操作能力動態(tài)行為建模中：①使用序列圖來構(gòu)建服務(wù)交互與服務(wù)調(diào)用順序，從而描述服務(wù)規(guī)則對支援服務(wù)的影響；②使用狀態(tài)機(jī)圖來描述作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)因作戰(zhàn)活動變化所導(dǎo)致的作戰(zhàn)狀態(tài)變化，從而反映活動規(guī)則對作戰(zhàn)活動的約束；③使用活動圖來描述作戰(zhàn)活動開展的順序與規(guī)則對作戰(zhàn)活動開展的影響。

基于上述思想，結(jié)合DEVS SysML Profile提出作戰(zhàn)狀態(tài)、作戰(zhàn)活動、服務(wù)與其映射關(guān)系，如表3所示。

狀態(tài)機(jī)圖中的狀態(tài)與DEVS的狀態(tài)一一對應(yīng)，方便其拓展到作戰(zhàn)活動互操作中，需注意的一點(diǎn)是：表3并未明確給出DEVS時間推進(jìn)函數(shù)Ta，因作戰(zhàn)活動規(guī)則隸屬于協(xié)作章程，則針對具體屬性的約束均在協(xié)作章程中體現(xiàn)，又因時間推進(jìn)函數(shù)以<>形式拓展到協(xié)作章程參數(shù)圖中。同時，需要針對每個DEVS構(gòu)造型增加相關(guān)約束，比如：狀態(tài)機(jī)圖視為一個作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)一次只能進(jìn)行一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，限制其出現(xiàn)一步兩個狀態(tài)，從而簡化仿真難度。

上述使用DEVS SysML Profile描述互操作概念中的作戰(zhàn)狀態(tài)與作戰(zhàn)活動，其方法使用的是狀態(tài)機(jī)和活動圖，視狀態(tài)或活動為DEVS原子模型，從而使用原子內(nèi)部或外部活動來描述其動態(tài)行為，但針對互操作資源服務(wù)互操作的描述，實(shí)驗(yàn)證明活動圖與狀態(tài)機(jī)圖往往描述并不清晰。

為了描述作戰(zhàn)單元提供的服務(wù)如何在服務(wù)規(guī)則引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)有序執(zhí)行[5]，往往采用序列圖（Sequence Diagram）進(jìn)行建模[4]，如描述服務(wù)資源互操作中描述服務(wù)交互、描述服務(wù)資源模型中的服務(wù)時序等。為此，DEVS SysML profile引入了序列圖，將DEVS形式化元素引入序列圖，使得基于SysML的互操作服務(wù)資源模型得以可執(zhí)行。利用序列圖描述服務(wù)規(guī)則對服務(wù)資源的約束，服務(wù)資源互操作模型與DEVS SysML Profile的映射關(guān)系如表5所示。

上文簡單闡述了基于序列圖的服務(wù)資源約束，然而序列圖元中存在多種邏輯關(guān)系，服務(wù)在組合與使用時存在“消息”的交互，在互操作及DEVS形式化中簡化了SysML序列圖消息的多樣性，化為消息發(fā)送與消息接收，目的也是為了簡化仿真。

需要關(guān)注的是，時序圖通過生命線之間消息的發(fā)送和接收描述了作戰(zhàn)單元的信息交互或服務(wù)的請求與回應(yīng)。但上述并未給出連接生命線的兩種消息所應(yīng)具備的參數(shù)。故通過引入phase和sigma參數(shù)對狀態(tài)及時間加以限制，phase給出了作戰(zhàn)單元（DEVS原子模型）當(dāng)前所處的狀態(tài)，sigma則定義了交互實(shí)體發(fā)送或接收消息的時間點(diǎn)（目的是為了描述離散事件中的時刻），若sigma的值為inf則意味著原子模型將一直保持當(dāng)前狀態(tài)直到某外部消息的到來。

4 結(jié)語

本文從建模技術(shù)入手進(jìn)行研究，通過構(gòu)建互操作能力概念建模層次結(jié)構(gòu)，明確了從互操作元概念模型到互操作應(yīng)用模型的建模路線，并結(jié)合SysML拓展互操作概念構(gòu)造子，使SysML具備描述互操作概念的能力。同時，基于DEVS SysML Profile構(gòu)建互操作能力可執(zhí)行模型，使基于SysML的互操作概念模型具備可執(zhí)行性。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）