基于SysML与Modelica语义分析的模型转换方法

摘要

本发明公开了一种基于SysML与Modelica语义分析的模型转换方法，包括如下步骤：步骤(1)定义SysML与Modelica模型转换的元模型；步骤(2)利用元模型向系统SysML模型中添加Modelica特征；步骤(3)按照Modelica的元模型映射关系将系统模型转化为Modelica模型。本发明能够解决基于模型的系统工程过程中跨领域的模型传递问题，支持模型驱动的系统正向设计流程。

说明书

技术领域

本发明涉及基于模型的系统工程领域，具体涉及一种基于SysML与Modelica语义分析的模型转换方法。

背景技术

复杂装备的研制涉及多个学科领域的研究和设计，包括机械、电气、自动控制、液压、气动、电磁等等。为应对这种日益苛刻的挑战，国际先进航空航天国防企业在国际系统工程学会先导预研支持下，形成了一套基于模型的系统工程MBSE(Model–BasedSystemEngineering)，并在此基础上形成了一整套行之有效的方法论指导大型复杂系统的研制。按照系统工程方法论，复杂装备系统应采用自顶向下的需求分析和设计过程以及自下而上的集成和验证过程，并以数字化为手段，贯穿系统工程研发过程，基于模型实现需求(R)-功能(F)-逻辑(L)-物理(P)的表达、传递，并基于模型仿真实现预先验证，从而提升研发效率。

SysML语言的优势在于灵活便捷的功能逻辑表达，而物理性能的分析必须借助基于物理的建模工具，Modelica语言作为一种多学科的建模语言，能够支持不同专业工程领域的物理建模，并进行系统性能分析和验证。但是，由于基于SysML语言开发的模型与基于Modelica多学科系统建模语言开发的模型属于两种完全不同构型下的模型，没有类似CAD软件中标准导入/导出通用模型(例如：stl格式)，因此需要借助其他手段实现模型的转换，因此，系统工程和下游专业工程领域的设计过程之间模型或数据依旧处于割裂状态，不能真正做到基于模型的正向设计。

近些年，国际上很多著名企业和研究机构对如何运用MBSE系统工程思想、在数字化虚拟化下对系统工程全过程进行建模和仿真进行了探索性研究，某些国外软件制造商在其SysML建模工具中单独开发了SysMLtoModelica转换插件，将内嵌参数图的IBD图导出到Modelica工具中，形成基于Modelica的系统架构，以支持系统的详细设计与仿真。但是，这种转化方式本质上还是基于SysML的参数图、IBD图，并没有遵循Modelica语义，所以，转化形成的Modelica模型表达的系统信息有限，不符合模型的一致性、连续性传递的要求。

总之，在现有条件下的SysML模型和Modelica模型之间，由于两种语言的语法规则不同、对复杂系统的描述方式不同，不能完全的由一种模型转化另一种模型，数据之间存在明显的割裂，无法支持需求-功能-逻辑-物理的系统工程过程。针对此问题，虽然国外软件供应商开发了相应的模型转化插件，但是没有彻底解决语义层面的转换问题，不能做到模型的连续传递，对专业工程领域的详细设计支持力度有限。解决SysML和Modelica模型转换的语义问题，对于提高工具的工程应用价值，建立数字化的系统工程软件集成研发环境具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够能够实现SysML模型到Modelica模型的转换方法，该方法能够解决基于模型的系统工程领域异构建模工具之间的数据传递问题，实现基于MBSE的正向设计过程中从功能逻辑架构到物理架构传递。

本发明的方法方案为：基于SysML与Modelica语义分析的模型转换方法，包括如下步骤：

步骤(1)定义SysML与Modelica模型转换的元模型；

步骤(2)利用元模型向系统SysML模型中添加Modelica特征；

步骤(3)按照Modelica的元模型映射关系将系统模型转化为Modelica模型。

进一步的，所述步骤(1)定义SysML与Modelica模型转换的元模型，具体包括：

通过创建一个新的Profile概要文件，导入Standard Profile和PrimitiveTypes，通过对Profile概要文件扩展增加表示Modelica概念的新构造型。

进一步的，所述步骤(2)利用元模型向系统SysML模型中添加Modelica特征，具体包括：

在SysML工程中引用Profile概要文件，对系统模型的Modelica特征进行相关的编辑以期符合Modelica语言的要求。

进一步的，所述步骤(3)按照Modelica的元模型映射关系将系统模型转化为Modelica模型，具体包括：

首先将新的模型转换为符合Modelica语义的模型，然后将Modelica模型转化为XML数据文件，并在Modelica建模工具中按照Modelica语义对模型进行重构。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

本发明通过定制符合SysML到Modelica语义转化的方式开发模型转化概要文件，在SysML模型增加Modelica特征的模型信息，然后通过基于元模型的模型转化实现各建模语言之间模型传递、转换的无缝衔接，从而解决当前不同建模工具之间模型交换以及接口兼容性的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明实施例提供的基于SysML与Modelica语义分析的模型转换方法原理图；

图2是本发明实施例提供的基于SysML与Modelica语义分析的模型转换方法架构图；

图3是本发明实施例提供的基于SysML与Modelica语义分析的模型转换构造型；

图4是本发明实施例提供的基于SysML4Modelica转换的数据信息；

图5是本发明实施例提供的抽象模型与模型转换关系示意图；

图6是本发明应用的SysM元模型规范；

图7是本发明的基于SysML与Modelica语义分析的模型转换流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

SysML语言是一种多用途的标准建模语言，能够支持各种复杂系统的详细说明、分析、设计、验证和确认，这些系统可能包括硬件、软件、信息、过程、人员和设备等，通过SysML语言能够建立系统的结构模型、行为模型、需求模型和参数模型，其中，结构模型强调系统的层次以及对象之间的相互连接关系，包括模块和包；行为模型强调系统中对象的行为，包括它们的活动、交互和状态；需求模型强调需求之间的追溯关系以及设计对需求的满足关系；参数模型强调模块或部件的属性之间的约束关系。

Modelica语言是多领域建模仿真技术中的典型代表，Modelica建模仿真具有物理语言建模、面向对象建模、可继承建模等优点，在多领域建模中具有良好的兼容性，因此，Modelica具有多领域建模能力，可以描述并连接不同领域(如电气、机械、热力学、液压、动力学和控制等)的物理对象的模型组件。

由于复杂系统的正向设计过程包含需求(R)-功能(F)-逻辑(L)-物理(P)等不同的设计阶段，而SysML语言主要针对复杂系统的需求建模和功能架构、逻辑架构的建模，Modelica主要针对系统物理架构的建模，两者所处的阶段不同，因此需要将系统的SysML模型转化Modelica模型，从而实现基于模型的系统正向设计。本发明采用一种基于语义分析的模型转换方式，能够保证建立在两种语言基础上模型之间的转化、编辑和重构。

如图1、7所示，基于SysML与Modelica语义分析的模型转换原理包括，将元元模型作为描述元模型的语言，使元模型具有更好的开放性、可扩展性和互操作性，Ecore作为元元模型的一种Java实现，通过对Ecore元元模型的扩展定义Modelica建模语言元模型，通过根据OMG的SysML与Modelica转换规范定义的SysML4Modelica元模型层映射机制建立SysML元模型和Modelica元模型的映射关系，通过模型交换规范将实现SysML模型到Modelica模型的转换。为了更好地支持模型转换，本发明采用国际对象管理组织(OMG)基于MOF的QVT规范定义基于元模型的转换规则，进而实现模型的转换。

基于上述方法原理，本实施例采用的实现方式如图2所示，首先在SysML建模工具中定义一个对SysML实现扩展的概要文件SysML4Modelica Profile，定义新的构造型来表达Modelica建模元素，然后定义Modelica元模型和SysML4Modelica profile内容之间的对应关系。应用SysML4Modelica Profile定义的构造型，建立SysML模型和Modelica模型之间的对应关系，实现从SysML模型向Modelica模型的转换。

下面针对具体实现过程进行详细说明。

由于Modelica多学科建模语言与SysML系统建模语言关注重点不同、表述方式不同，因此，在进行异构模型信息交换之前，参照SysML对领域建模语言元模型的构建方法，将不同领域建模语言信息抽象和提炼成元模型，在元模型层进行统一表达，建立一套符合国际标准的建模框架构建技术的元模型库，统一定义各领域语言的对象、关系、属性、参数、接口等核心元素，为模型信息转换奠定基础。在元模型的构建过程中，通过对领域内不同元模型的核心功能进行梳理，从而确定Modelica元模型的核心信息，形成SysML4Modelica元模型范式。

根据OMG的SysML Modelica Transformation Specification定义SysML4Modelica Profile概要文件，通过对概要文件扩展，增加表示Modelica概念的新构造型，如图3所示定义《modelicaClassDefinition》构造型表示Modelica中的abstractgeneralization for all Modelica classes，定义《modelicaModel》构造型表示Modelica中的Class and Model，定义《modelicaBlock》构造型表示Modelica中的Block，定义《modelicaFunction》构造型表示Modelica中的Function，并在SysML模型工程中加载应用，以扩展模型的Modelica属性。

在完成对SysML4Modelica Profile概要文件开发的基础上，建立系统模型-领域模型的模型映射关系，实现SysML4Modelica元模型和SysML建模语言的需求、结构、行为、参数等元模型的关联，并建立元模型映射机制。

由于SysML4Modelica Profile新的构造型为已有的SysML模型增加了新的特征，如ModelicaValueProperty、ModelicaEquation、ModelicaAlgorithm、ModelicaConnection，在模型转换过程中需要对这些特征进行相关的编辑。通过提供对SysML4Modelica模型的编辑功能，包括对新构造型添加、删除和修改，以编辑新构造型的对应属性信息，保证模型核心信息在SysML—SysML4Modelica—Modelica的传递过程中的完整性和准确性。

依照元模型的映射规则，建立统一的信息转换规范，将通过SysML语言表达的模型信息通过工具提供的接口传输给Modelica多领域建模工具，并通过交换机制对Modelica领域模型进行解析，支持不同模型框架下的信息识别和不同数据格式的相互转化。

如图4所示，Modelica模型建立的前提是必须具有明确的物理含义，包括系统组件引用的类名、实例名、参数值、连接关系，支持在产品实现层面进行物理模型仿真计算。同时，系统组件视图的表达要求额外的相关图形信息将组件视图完整显示，包括图幅大小，组件位置、大小，连接线的起点，终点，拐点信息等。

SysML4Modelica模型到Modelica模型的转换包含模型到模型、模型到文本两个阶段。基于Ecore元元模型定义Modelica元模型，然后基于Modelica元模型定义Modelica模型，通过模型到模型的转换将SysML4Modelica模型转换为符合Modelica元模型的Modelica模型。在SysML建模工具中，针对基于Modelica元模型定义Modelica模型文件，提供模型文件解析功能，并以可视化的形式显示Modelica模型的内容，在导出为文本之前能够对模型的信息进行完善。

如图5所示，为了实现基于SysML的系统建模工具和基于Modelica的系统多物理域建模工具之间的数据传递，需要进行模型到文本的转换，生成能够被异构的Modelica建模工具解析的数据文件。XML作为可扩展标记语言，集成了W3C组织的XML、OMG组织的MOF和UML三种工业标准，具有结构化文档、可扩展标签等特点，XMI文档的解析方式有DOM和SAX两种；XMI DTD或XML Schema定义语法。因此，采用XMI作为元模型的交换方式，使数据交换各方之间按共同规则描述元数据信息的XML模板文档，通过解析XML模板文档识别该元数据的信息，完成对元数据的存取交换功能。

通过模型到文本的转换，将基于Modelica元模型定义的Modelica模型转为为XML文件。如图6所示，参照SysM元模型规范，首先获取系统组件的物理信息、图形信息后进行整理，然后将数据整合成符合Modelica建模规范的语言，导入Modelica内核，再通过Modelica建模工具对模型进行重构，生成.mo文件，并进行组件视图、文本视图展示。

实例提出的基于语义分析的异构模型转换技术，通过构建以元模型为基础的概要文件，建立元模型的映射规则，并实现SysML模型到Modelica模型的转换，能够显著提高模型信息传递的完整性，本发明提出的基于SysML与Modelica语义分析的模型转换技术遵循元模型的构建方法，将不同领域建模语言信息抽象和提炼成元模型，并在元模型层进行统一表达，符合国际标准的建模框架构建技术，能够适用于各种不同的SysML建模工具和Modelica建模工具。相比传统的模型转化插件，本项目通过对Ecore元元模型的功能扩展，将异构建模语言之间的模型传递、转换进行无缝衔接，能够支持模型驱动的系统正向设计流程。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。