基于DEVS SysML Profile的互操作能力可執行建模方法

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行性，這也是其基于建模語言的一個短板。通過機制拓展了的建模語義，使其與仿真可執行語言相互貫通，完成了從SysML建模到基于SysML建模語言的仿真可執行模型。采用DEVS作為仿真規范，從而拓展SysML，通過SysML輕量級擴展機制Profile定義新的構造型，將元類型進行擴展并增加新的屬性來構建DEVS SysML Profile。

關鍵詞關鍵詞：SysML；DEVS；Profile機制；可執行性

DOIDOI：10.11907/rjdk.161504

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：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指揮信息系統學院碩士研究生，研究方向為C4ISR系統互操作能力；禹明剛（1987-），男，河南鄭州人，中國人民解放軍理工大學指揮信息系統學院博士研究生，研究方向為C4ISR系統互操作能力。

1 DEV SysML Profile構建

DEVS與SysML有很多共同之處[1]。例如：DEVS原子和耦合對應于SysML中的Block，接口對應于SysML數據流端口；DEVS的狀態參數對應于Block的參數屬性，而SysML的Constraints可以描繪各個狀態參數如何相互聯系從而構成系統狀態；DEVS耦合模型結構類似于SysML的內部塊圖（Internal Block Diagrams，IBDs），而組成耦合模型的每個組件對應于IBD的塊部件。表1給出了DEVS形式化描述和SysML圖形化實體之間的映射關系。

根據DEVS形式化描述與SysML圖形化實體之間的映射關系，如上表，構建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）、內部塊圖（Internal Block Diagrams， IBDs）、參數圖（Parametric Diagram， PD）對系統靜態結構建模；DEVS SysML profile用狀態機、活動圖和時序圖對系統的動態行為建模。實體間的關聯分為4類[2]，如：DEVS State與DEVS Internal Transition間的聚合關系；DEVS Model與DEVS間的組成關系；DEVS Coupled與DEVS間的概括關系；以及用文本標注的一般關聯關系。另外，模型還給出了元素間的多屬性約束。

2 基于SysMLDEVS的互操作能力靜態結構建模

上文介紹了DEVS SysML Profile的具體構成，并且詳細展示了DEVS形式化元素與SysML的圖元實體的相互映射，結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形式化相互關聯起來，實現互操作能力模型的可執行性。

本文主要以靜態視角切入，使用DEVS SysML Profile對互操作能力靜態結構進行可執行模型的建立。DEVS SysML Profile中，系統結構由塊定義圖、內部塊圖、參數圖述組成；互操作能力模型中，描述組織業務與作戰節點等概念均屬系統結構范疇，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結構的基本構成，其映射關系如表2所示。

內部塊圖則側重于描述各節點或系統組成的內部構成，如作戰節點可分為作戰單元與作戰平臺，內部塊圖也可描述節點或系統組成之間的接口連接關系。

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

3 基于SysMLDEVS的互操作能力動態行為建模

SysML描述系統的動態行為由狀態機圖、序列圖、活動圖來完成[4]。因此，基于DEVS SysML profile的互操作能力動態行為建模中：①使用序列圖來構建服務交互與服務調用順序，從而描述服務規則對支援服務的影響；②使用狀態機圖來描述作戰節點因作戰活動變化所導致的作戰狀態變化，從而反映活動規則對作戰活動的約束；③使用活動圖來描述作戰活動開展的順序與規則對作戰活動開展的影響。

基于上述思想，結合DEVS SysML Profile提出作戰狀態、作戰活動、服務與其映射關系，如表3所示。

狀態機圖中的狀態與DEVS的狀態一一對應，方便其拓展到作戰活動互操作中，需注意的一點是：表3并未明確給出DEVS時間推進函數Ta，因作戰活動規則隸屬于協作章程，則針對具體屬性的約束均在協作章程中體現，又因時間推進函數以<>形式拓展到協作章程參數圖中。同時，需要針對每個DEVS構造型增加相關約束，比如：狀態機圖視為一個作戰節點的狀態轉換；作戰節點一次只能進行一次狀態轉換，限制其出現一步兩個狀態，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狀態與作戰活動，其方法使用的是狀態機和活動圖，視狀態或活動為DEVS原子模型，從而使用原子內部或外部活動來描述其動態行為，但針對互操作資源服務互操作的描述，實驗證明活動圖與狀態機圖往往描述并不清晰。

為了描述作戰單元提供的服務如何在服務規則引導下實現有序執行[5]，往往采用序列圖（Sequence Diagram）進行建模[4]，如描述服務資源互操作中描述服務交互、描述服務資源模型中的服務時序等。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的互操作服務資源模型得以可執行。利用序列圖描述服務規則對服務資源的約束，服務資源互操作模型與DEVS SysML Profile的映射關系如表5所示。

上文簡單闡述了基于序列圖的服務資源約束，然而序列圖元中存在多種邏輯關系，服務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，化為消息發送與消息接收，目的也是為了簡化仿真。

需要關注的是，時序圖通過生命線之間消息的發送和接收描述了作戰單元的信息交互或服務的請求與回應。但上述并未給出連接生命線的兩種消息所應具備的參數。故通過引入phase和sigma參數對狀態及時間加以限制，phase給出了作戰單元（DEVS原子模型）當前所處的狀態，sigma則定義了交互實體發送或接收消息的時間點（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前狀態直到某外部消息的到來。

4 結語

本文從建模技術入手進行研究，通過構建互操作能力概念建模層次結構，明確了從互操作元概念模型到互操作應用模型的建模路線，并結合SysML拓展互操作概念構造子，使SysML具備描述互操作概念的能力。同時，基于DEVS SysML Profile構建互操作能力可執行模型，使基于SysML的互操作概念模型具備可執行性。

參考文獻：

[1] 江式偉，呂衛民，馮浩源.基于時間 Petri 網的裝備體系可靠性建模與仿真[J].系統工程與電子技術，2013，35（4）：895899.

[2] BADOUEL E，BERNARDINELLO L，DARONDEAU P.Petri net synthesis[M].Springer Berlin，2016.

[3] BARYLSKA K，BEST E，EROFEEV E，et al.On binary words being Petri net solvable[J].Algorithms and Theories for the Analysis of Event Data （ATAED 2015），2015：115.

[4] HU J，HUANG L，CAO B，et al.Executable modeling approach to service oriented architecture using soaml in conjunction with extended DEVSML[C].2014 IEEE International Conference on Services Computing（SCC），2014：243250.

[5] NIKOLAIDOU M，KAPOS G D，TSADIMAS A，et al.Simulating SysML models：overview and challenges[C].System of Systems Engineering Conference （SoSE），2015：328333.

（責任編輯：孫 娟）