[發明專利]場景驅動CPS系統的結構模型與行為模型協同建模方法

有效

• 申請號: 201310723207.7
• 申請日: 2013-12-25
• 公開（公告）號: CN103714208B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 楊剛;楊亞磊;周興社;王宇英;杜承烈;沈博
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及CPS系統建模領域，具體涉及一種場景驅動CPS系統的結構模型與行為模型協同建模方法。

背景技術

信息物理融合系統(CPS)是指基于計算、通信和控制相互滲透與深度協作，實現計算處理過程和物理控制過程緊密融合的一種新型復雜混成系統，模型驅動的設計和開發方法(MDD)是目前構建CPS系統的有效方法之一。

一般在工程實踐中，開發人員分別對CPS系統的系統結構和動態行為建模，從系統組成和運行時行為兩個方面對其特征進行刻畫和分析，以獲得對其靜態結構和動態行為較為完整的認識。結構模型代表了系統公共的高層次抽象，由構成系統實體的描述、實體的交互連接、指導實體集成的模式以及這些模式的約束組成；結構模型是各個領域互相理解、統一認識的基礎，體現了系統最早的一組設計決策，明確了對系統實現的約束條件；動態行為模型刻畫了系統中實體之間的交互細節，用來分析在系統的某一方面的行為在結構的約束之下是否符合需求規約，然而CPS系統設計過程中涉及到不同的研究領域，包括計算科學領域，網絡通信領域以及物理控制領域等；不同的領域所關注的系統行為也不同，采用的建模方法及建模語言也不同，設計過程是完全分離的，然而對于整個系統而言需求規約是一致的，各個領域之間又是相互關聯的，如何在模型層面刻畫這種關聯，實現多領域模型之間的協同設計成為了CPS系統建模中的一個難題。

目前解決這類問題的方法主要有兩種，第一種是通過模型轉換的方式，然而CPS系統涉及不同的領域，領域之間模型在語法和語義上是異構的，而且同領域內也存在不同的建模語言以及建模工具，因此通過該方法只能解決系統模型中一部分之間的關聯，但是很難在將整個系統用一種統一的建模方式進行刻畫。第二方式是通過領域專家的經驗知識將行為模型進行封裝，進行高層次的抽象形成結構模型，將該結構模型和系統的結構模型進行一致性分析來達到行為模型與結構模型協同建模的目的，然而方法屬于專家系統的范疇，最終的結果要依賴于專家的抽象封裝是否合理。

發明目的

本發明的目的在于一種場景驅動CPS系統的結構模型與行為模型協同建模方法，將結構模型與行為模型結合起來，通過場景驅動的方法自頂向下先構建系統結構模型的一個視圖，即針對該場景的一個子結構模型，之后構建該結構中實體的行為模型，通過場景中的交互關系將子結構中實體的行為模型組合成整個系統的行為模型。實現結構模型與行為模型的協同建模，該方法能夠在設計早期發現系統中出現的錯誤，給系統設計者提供決策支持。

為實現上述目的本發明采用以下技術方案：

一種場景驅動CPS系統的結構模型與行為模型協同建模方法，其操作具體如下：

步驟1：構建場景模型；

步驟2：構建場景事件流圖；

步驟3：構建CPS系統實體關系圖；

步驟4：將場景事件流圖在構建的CPS系統實體關系圖上進行投影，投影得到的CPS系統實體關系圖的一個子圖；

步驟5：將步驟4中所得到的子圖還原為CPS系統子結構圖；

步驟6：在該結構模型基礎上針對每一個實體構建動態行為模型，之后按照場景事件流圖中事件的交互關系組合實體的行為模型；

之后對該行為模型進行分析，分析該場景所刻畫需求是否在CPS系統框架的約束下能否滿足；如果得到滿足則系統結構模型與行為模型協調一致，反之則結構模型和行為模型不一致，需要修改結構模型中實體的相關信息，為系統設計者提供決策支持。

其中：

場景事件流圖為SE=<C，N，M>，是一個3元組；

C是實體的有窮集合；N是事件的有窮集合，每個事件對應著消息的發送或接收；M是消息的有窮集合，對任意消息m∈M，用m!和m?分別表示發送和接收消息，任一事件e∈N，它或者是某一消息m的發送事件或者是某一消息m的接收事件，分別記為λ(e)=m!或λ(e)=m?

CPS系統框圖，CPS系統框圖是無向圖，從CPS系統框圖中將實體抽象成圖的節點，實體之間連接抽象成邊而構成的，CPS框架圖SA=<C，E>；其中：C是實體的有窮集合；E是實體之間的連接集合；

投影操作為從CPS系統框圖將場景中實體C集合所對應的節點和關系抽取出來形成CPS系統框圖的一個子圖。

進一步：

構建場景模型具體操作為：利用MSC作為場景建模語言，從用戶提供的需求場景中提取CPS實體作為MSC中的實例，將實體之間的交互關系抽象成MSC中的消息流，將用戶提供的場景利用MSC進行建模，實體包括計算實體、物理實體和交互實體。