支持物理交互和信号流的SysML扩展

今天我们所需应对的复杂系统中最突出的特征是由物理、控制、通信、计算和网 络等多个方面的交互和集成，未来多学科的系统都将是赛博物理系统（简称 CPS）。当 前，随着各类赛博物理系统概念化构思和规模化运行的不断涌现，而我们面对工程的 雄心和自信心将受到质疑，因为仅是凭借那些分散在单个学科的专家和知识以及朴实 的工程实践能力，已远远无法支持寻求和维系具有错综复杂交互组件构成的宏大的解 决方案。面对未来复杂的工程化系统的发展趋势，系统工程的进步方向不仅突出对技 术约束的考虑，而且更将会涉及消除如物理及数据交互带来的影响。

在基于模型的系统工程（MBSE）的整体理论以及系统化的设计方法、技术和工 具的支持下，我们亟待依赖建立单一的、形式化的系统建模语言，通过恰当的扩展来 表示系统中组件之间物理交互与信号流之间的相互作用，并解决两类迥然不同的问 题：1）系统组件之间交换携带着能量物质的物理交互，组件的行为由与流率、势能 和组件变量相关的方程所决定，而在仿真中物理交互更适于表示具有实体物质交换组 件的系统；2）系统组件按照预定方向交换数值和布尔值的信号流，其组件行为是由 相关的输入、输出和组件变量的方程来指定的，而信号流更适于描述控制和信号处理 系统。

对象管理组织（OMG）的 SysPhS 标准应用 SysML 的扩展支持物理交互和信号流 的仿真，其优点在于定义了 SysML 模型和 Modelica 或 MATLAB Simulink / Simscape 模 型之间转换的标准，并提供了一种用于定义和共享仿真的、基于模型的简洁方法，从 而支持系统工程师和其他的专业工程师之间开展跨学科的沟通。通过针对 SysML 增加 附加仿真信息的特点，SysPhS 的构造型（stereotype）特别强调在模型中而不是在具体 仿真软件配置中来定义模型的特性，从而扩展出了独立于仿真平台的物理交互仿真模 型以及信号流仿真模型，并提供了人可理解的数学表达式的文本句法，同时可在系统 模型中创建可重用的仿真元素的 SysML 库。

本书内容源自 OMG 的《支持物理交互和信号流仿真的 SysML 扩展》标准规范

（版本 1.1）的内容，重点在于突出其技术部分，介绍由 SysML 扩展来定义支持物理交 互和信号流仿真的公共特征的基本方式，这部分特征在 SysML 中原本并不存在；描述 一种与平台无关的、分别用以表示不透明表达式和不透明行为的方程式和算法语句的 语言；讲解模型转换到仿真平台之前执行的 SysML 预先处理过程；说明经过上述扩展 的 SysML 模型如何与多种仿真平台（Modelica 和 Simulink，包括 Simulation 扩展，如 Simscape）之间的转换关系；针对组件交互和行为定义，指导我们来定义一个与平台 无关、支持重用的仿真组件库。

本书的目的在于呈现支持赛博物理系统的交互仿真的 SysML 扩展的基本原理和技术路径，读者将从本书中理解并掌握与物理交互和数据流仿的模型设计和仿真运用的 关键问题以及解决思路，并可从与相关软件工具的应用介绍中得到有关模型开发、模 型库建立的有益指南。在 MBSE 应用中，工程实践人员将学习借助统一的系统建模语 言解决跨学科交互仿真的建模技术。同时，该书还可作为系统工程、赛博物理系统、 自主系统等方向研究生的教材，使其有机会可系统地学习关于物理交互和数据流仿真 的最新理论，并通过具体步骤、案例讲解等的指导，领悟 MBSE 应用中的倡导的协同 建模、协同仿真等相关新型技术的基本方法和实现方式。

                                                                                 作者 2023 年 12 月

本书的目的在于呈现支持赛博物理系统交互仿真的SysML扩展的基本原理和技术路径，读者将从本书中理解并掌握与物理交互和信号流仿真的模型设计、仿真运用的关键问题以及解决思路，并可从与相关软件工具的应用介绍中得到有关模型开发、模型库建立的有益指南。在MBSE 应用中，工程实践人员将学习借助统一的系统建模语言解决跨学科交互仿真的建模技术问题。 同时，该书还可作为系统工程、赛博物理系统、自主系统等方向研究生的教材，使其有机会系 统地学习关于物理交互和信号流仿真的最新理论，并通过具体步骤、案例讲解等的指导，领悟 MBSE应用中所倡导的协同建模、协同仿真等相关新型技术的基本方法和实现方式。

高星海，研究员，北京航空航天大学无人系统研究院系统架构技术首席，国际系统工程委员会（INCOSE）认证系统工程师（CSEP）；曾任中国航空工业集团公司系统工程推进办公室副主任、智能制造论证专家组副组长，中国航空工业集团公司信息技术中心常务副主任、总工程师等；曾参与并主持两化深度融合创新体验中心的建设和运营。多年来，面向高端装备领域复杂体系和系统的开发和管理，大力推进基于模型的系统工程（MBSE）理论研究和创新实践，组织建立全球认可的系统工程培训认证体系、国内工行业领先的技术服务体系，培训各类系统工程技术和管理专业人员超过2 000人，已有350多人获得国际系统工程师认证。曾出版译著《基于模型的系统工程有效方法》《赛博物理系统工程建模与仿真》。作为主要发起人之一参加的“大型航空企业基于数字系统工程的正向创新型研发体系建设”项目，获全国企业管理现代化创新成果一等奖。

第 1 章    范    围…………………………………………………………………………… 1

第 2 章    符合性…………………………………………………………………………… 3

第 3 章    引    用…………………………………………………………………………… 4

3.1    规范性引用   ……………………………………………………………………   4
3.2    非规范性引用   …………………………………………………………………   4
第 4 章    术语和定义……………………………………………………………………… 6

第 5 章    对象管理组织…………………………………………………………………… 7

第 6 章    附加信息………………………………………………………………………… 8

6.1    信号流与物理交互仿真的对比   ………………………………………………   8
6.2    如何阅读本书   …………………………………………………………………   8
第 7 章    支持物理交互和信号流仿真的 SysML 扩展  ………………………………… 10

7.1    介    绍   ………………………………………………………………………… 10
7.2    仿真的扩展集（profile） ……………………………………………………… 10
第 8 章 描述数学表达式的语言………………………………………………………… 14 
第 9 章 SysML 模型预处理  …………………………………………………………… 15 
9.1    介    绍   ………………………………………………………………………… 15
9.2    使用关联块的内部结构来替代由关联块所类型化的连接器   ……………… 15
9.3    将非仿真端口转换为构件   …………………………………………………… 16
9.4    分离拥有多个仿真流特性的块，并类型化构件和端口   …………………… 17
9.5    移除连接器末端的嵌套   ……………………………………………………… 22

第 10 章    SysML 平台与仿真平台之间的转换 ………………………………………… 24

10.1    介    绍 ………………………………………………………………………… 24
10.2    根元素 ………………………………………………………………………… 25
10.3    块与特性 ……………………………………………………………………… 27
10.4    泛    化 ………………………………………………………………………… 30
10.5    特性重定义 …………………………………………………………………… 32
10.6 PhSVariable 和 PhSConstant ………………………………………………… 35 
10.7 端口和流特性 ………………………………………………………………… 37 
10.8 连接器 ………………………………………………………………………… 42 
10.9 带约束的块 …………………………………………………………………… 47 
10.10 缺省值和初始值 …………………………………………………………… 55 
10.11 数据类型和单位 …………………………………………………………… 58 
10.12 状态机 …………&helli