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面向系統概念設計的轉換方法論文
在系統工程的生命周期中存在一個(gè)系統概念設計的階段，對需要開(kāi)發(fā)的系統進(jìn)行初步的結構與功能設計，其目的是開(kāi)發(fā)一種能夠反映用戶(hù)對系統的需求和規格的功能原型。在概念設計階段所做的修改與后期具體設計和測試階段的修改相比，花費的成本更少，對系統開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的影響更大，因此，如何在系統工程概念設計階段建立有效的概念模型并進(jìn)行分析是一個(gè)重要的問(wèn)題。研究者們提出了許多用于概念建模的圖形化建模語(yǔ)言來(lái)建立概念模型并分析系統的結構和行為，如統一建模語(yǔ)言(UML)、系統建模語(yǔ)言(SysML)、對象過(guò)程方法論(OPM)等。UML/SysML在分離的視圖中建立系統結構和行為的模型，而OPM建立整體的層次模型來(lái)描述系統，將系統視為一個(gè)整體，更加符合系統工程的思想。
OPM模型的動(dòng)態(tài)邏輯可以通過(guò)推演進(jìn)行檢查，在一定程度上能夠解決描述系統的動(dòng)態(tài)行為和模型有效性驗證的問(wèn)題，適合進(jìn)行概念模型的建模與分析。OPM的不足之處是不能完整描述系統定量的特點(diǎn)，也不能支持精確的仿真和分析，現有一些研究提出了不同的方法來(lái)解決OPM定量計算能力不足的問(wèn)題［1-3］。其中將OPM轉換為著(zhù)色Petri網(wǎng)(CPN)是一種良好的思路，能夠結合OPM對系統的描述能力與CPN的仿真分析能力，但已有的方法需要對OPM進(jìn)行擴展，加入由CPN語(yǔ)義定義的額外的信息，同時(shí)沒(méi)有提出將多層次的OPM模型轉換為有子網(wǎng)的CPN模型的具體方法。針對上述方法的不足，本文在已有的研究基礎上提出了一種新的OPM到CPN的轉換方法，使OPM在概念設計中能夠進(jìn)行定量的分析與仿真。
1OPM與CPN
1.1OPM介紹
對象過(guò)程方法論(OPM)是由Dori提出的一種整體建模語(yǔ)言［4］，它結合了面向對象和面向過(guò)程的建模范式，基于整體的模型同時(shí)描述系統結構和行為方面的特點(diǎn)，能夠用于對系統的理解和開(kāi)發(fā)。OPM主要的建模元素是實(shí)體和連接。實(shí)體包括狀態(tài)和事物(Thing)，事物是對象和過(guò)程的總稱(chēng)。對象是在特定時(shí)間與地點(diǎn)以物理或信息形式存在的事物;過(guò)程是能夠產(chǎn)生、消耗或影響單一或多個(gè)對象的事物，用來(lái)描述對象的變化;狀態(tài)是對象在特定時(shí)間點(diǎn)可能處于的情形，是隸屬于對象的實(shí)體。連接包含結構性連接和過(guò)程性連接:結構性連接表示對象之間或過(guò)程之間靜態(tài)的持續關(guān)系;過(guò)程性連接表示系統的動(dòng)態(tài)行為。OPM管理系統復雜性的方式是通過(guò)對細節的分解，而不是將不同的方面分解為不同的視圖，因此建立的OPM模型是整體的層次模型而不是分布在各個(gè)視圖的模型。OPM包括兩種表達方式:圖形表達和文本表達，它們在語(yǔ)義上是完全等價(jià)的。對象過(guò)程實(shí)例工具(OPCAT)［5］是支持使用OPM進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)的軟件環(huán)境。
1.2CPN介紹
著(zhù)色Petri網(wǎng)(CP-netsorCPN)是用于離散事件系統設計、規范、仿真和驗證的圖形化語(yǔ)言［6］。它結合了Petri網(wǎng)和編程語(yǔ)言的能力，可建立層次模型。CPN的建模元素是庫所、變遷、令牌和弧。庫所描述系統可能處于的狀態(tài);變遷描述系統的行為，即狀態(tài)的變化;弧描述狀態(tài)在變遷發(fā)生時(shí)變化的方向，可由弧上的表達式描述具體的條件;每一個(gè)庫所包含一些令牌，令牌帶有給定類(lèi)型的數據值，這些數據值的類(lèi)型即顏色集。顏色集的定義可以使令牌之間相互區分，這也是CPN與Petri網(wǎng)最顯著(zhù)的區別。CPNTools是支持編輯，仿真和分析CPN的成熟的工具，其嵌入語(yǔ)言是標準ML語(yǔ)言。CPNTools有不同的仿真模式，可運用監視器觀(guān)察、干預、控制或修改仿真［7］。在分析方面，CPNTools支持狀態(tài)空間分析和表現分析。
2OPM到CPN的轉換方法
OPM和CPN均為圖形化的建模語(yǔ)言，并有一定的聯(lián)系。CPN主要描述了系統狀態(tài)的變化，而OPM也能描述系統的狀態(tài)，沒(méi)有定義狀態(tài)的對象可以視為該對象處于存在狀態(tài)，OPM中的過(guò)程能改變對象及其狀態(tài)。OPM與CPN不同，沒(méi)有精確的數學(xué)定義，難以用嚴格的數學(xué)方法定義轉換方法，所以將OPM和CPN的建模元素進(jìn)行映射，建立一系列的規則實(shí)現轉換，這樣由建模元素構建的OPM模型可以轉換為CPN模型�？紤]到OPM模型層次性特點(diǎn)，在轉換過(guò)程中將轉化規則分為兩個(gè)部分:第一部分是實(shí)體與連接的轉化規則，將單幅對象過(guò)程圖中描述的實(shí)體及其關(guān)系轉換為CPN;第二部分是層次的轉換規則，將OPM對象過(guò)程圖的層次關(guān)系轉換為CPN及其子網(wǎng)之間的關(guān)系。通過(guò)兩個(gè)部分規則的轉換可以實(shí)現層次性OPM模型轉化為CPN模型。該轉換方法通過(guò)程序將OPCAT的xml文件按轉換規則自動(dòng)變?yōu)镃PNTools的xml文件，實(shí)現了OPM模型到CPN模型的自動(dòng)轉換。
2.1實(shí)體與連接的轉換規則
OPM中的實(shí)體包括對象、過(guò)程和狀態(tài)。OPM中的過(guò)程均轉換為CPN中的變遷，因為它們均描述了系統的變化。所有的狀態(tài)均轉換為庫所，以“O－S”的形式命名，其中“O”表示狀態(tài)所屬的對象的名稱(chēng)，“S”表示狀態(tài)的名稱(chēng)。對象的轉換分為3種情況處理:1)連接到過(guò)程且不包含狀態(tài)的對象，轉換為庫所;2)連接到過(guò)程且包含一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)的對象，不轉換為庫所，對象的連接以連接的轉換規則進(jìn)行處理;3)沒(méi)有過(guò)程性連接的對象，無(wú)需映射到CPN。因為CPN主要針對系統的行為進(jìn)行仿真與分析，所以OPM中的結構性連接無(wú)需映射到CPN。過(guò)程性連接可以劃分為4種類(lèi)型并分別進(jìn)行轉換:消耗類(lèi)連接，手段類(lèi)連接，結果類(lèi)連接和過(guò)程類(lèi)連接。消耗類(lèi)連接包括消耗連接和消耗事件連接，消耗類(lèi)連接是從一個(gè)對象或狀態(tài)連接到一個(gè)過(guò)程，映射為庫所到變遷的弧。一種特殊的情況是連接的起點(diǎn)為對象并包含n個(gè)狀態(tài)(n＞1)。首先將對象的n個(gè)狀態(tài)轉換為庫所，過(guò)程轉換為變遷。然后建立n條弧，并在所有弧之間添加亦或的邏輯關(guān)系。采用亦或關(guān)系而不是或關(guān)系，是因為亦或關(guān)系固定了變遷消耗的令牌的數量。
亦或的邏輯關(guān)系是通過(guò)CPN的結構表示的，建立n個(gè)新的變遷命名為“Pixorrelation”，其中“Pi”表示第i個(gè)狀態(tài)轉換的庫所的名稱(chēng)(i=1…n)。n條弧的起點(diǎn)為“Pi”，終點(diǎn)為建立的新變遷“Pixorrelation”。最后，再建立一個(gè)以原對象名稱(chēng)命名的新庫所，將所有的“Pixorrelation”單向連接到的該庫所，并將該庫所單向連接到過(guò)程轉換的變遷，便完成了連接的起點(diǎn)為對象并包含n個(gè)狀態(tài)(n＞1)的消耗類(lèi)連接的轉換，轉換的結果見(jiàn)表1。如果n=1，則只需將連接的起點(diǎn)改為該狀態(tài)轉換的庫所。手段類(lèi)連接包括實(shí)體連接、手段連接、影響連接、手段事件連接和條件連接。主體連接和影響連接是從對象到過(guò)程的連接，其他的連接是從對象或狀態(tài)到過(guò)程的連接。這些對象和狀態(tài)可以觸發(fā)過(guò)程，而自身不會(huì )被過(guò)程轉變，所以手段類(lèi)連接映射為庫所和變遷之間雙向的弧。如果連接的起點(diǎn)是有n個(gè)狀態(tài)的對象，其轉換規則和消耗類(lèi)連接相似，不同之處是建立的n條弧是雙向的，轉換的結果見(jiàn)表1。結果連接是從過(guò)程到對象或狀態(tài)的連接，映射為從變遷到庫所的弧。如果連接的終點(diǎn)是帶有n個(gè)狀態(tài)的對象(n＞1)，首先將過(guò)程轉換為變遷，n個(gè)狀態(tài)轉換為庫所。然后建立n條弧，弧的起點(diǎn)為過(guò)程轉換的變遷，弧的終點(diǎn)是對象的第i個(gè)狀態(tài)所轉換的庫所(i=1…n)。這些弧之間添加用亦或的邏輯關(guān)系，由弧表達式表示。在使用弧表達式之前，需要事先聲明一個(gè)新的整數類(lèi)型的顏色集，以“Xor－O”命名，其中“O”是連接對象的名稱(chēng)。顏色集的取值范圍為0到n－1。此外聲明一個(gè)該顏色集類(lèi)型的變量，以“xor－O”命名，其值代表了對象的一個(gè)特定狀態(tài)�；”磉_式為“ifxor－O=jthen1`nelseempty”，其中j=0…n－1，代表對象第j+1個(gè)狀態(tài)。一旦變遷點(diǎn)火，變量“xor－O”將被賦予一個(gè)隨機確定的值，如果它等于代表的某一狀態(tài)的值，就會(huì )將令牌傳遞到該狀態(tài)轉換的庫所中，通過(guò)弧表達式的條件，可以控制變遷只產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)。表1展示了該轉換規則的一個(gè)例子。
過(guò)程類(lèi)連接包括觸發(fā)連接和異常連接，均為兩個(gè)過(guò)程之間的連接。在轉換過(guò)程中，兩個(gè)過(guò)程轉換為兩個(gè)變遷，在兩個(gè)變遷之間添加一個(gè)新的庫所，以“T1Trigger－Event”或“T2－Exception”命名，其中“T1”和“T2”分別代表連接中起始過(guò)程和終點(diǎn)過(guò)程的名稱(chēng)。一個(gè)過(guò)程類(lèi)連接將轉換為起始過(guò)程到新增庫所的弧以及新增庫所到終點(diǎn)過(guò)程的弧，轉換結果見(jiàn)表1。通過(guò)實(shí)體和連接的轉換規則，可以將沒(méi)有層次的OPM模型初步轉換為CPN模型，并且該OPM模型與轉換后的CPN模型在動(dòng)態(tài)的邏輯上具有相同的含義。
2.2層次的轉換規則
在OPM中，管理系統復雜性并建立層次模型的主要機制是放大/縮小，可以使在一個(gè)對象或過(guò)程內部一系列低層次細節的對象和過(guò)程可見(jiàn)/不可見(jiàn)。每一個(gè)放大的對象或過(guò)程會(huì )形成一個(gè)新的對象過(guò)程圖(OPD)，所有的OPD均由放大的對象或過(guò)程相互關(guān)聯(lián)。在CPN中，建立層次模型的主要的機制是替代變遷。替代變遷是一個(gè)替代整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構的變遷，和替代變遷關(guān)聯(lián)的庫所是槽庫所，在被替代的網(wǎng)絡(luò )中作為子網(wǎng)與父網(wǎng)通訊接口的庫所稱(chēng)為端口庫所。端口庫所有輸入、輸出或輸入/輸出3種類(lèi)型的標簽，分別代表輸入端口，輸出端口或輸入/輸出端口。每一個(gè)子網(wǎng)的端口庫所都與替代變遷的槽庫所一一對應，其功能是相同的，作為父網(wǎng)與子網(wǎng)之間的連接。因為OPM中放大/縮小的機制優(yōu)先在過(guò)程中使用，在層次轉換規則中放大的過(guò)程會(huì )轉換為替代變遷，而放大的對象表示的并不是系統動(dòng)態(tài)行為的細節，所以將不會(huì )轉換到CPN。將層次OPM模型轉換為帶有子網(wǎng)的CPN模型的規則如下:1)放大的過(guò)程轉換為替代變遷。2)如果主過(guò)程，即放大的過(guò)程，包含一個(gè)或多個(gè)子過(guò)程，則CPN子網(wǎng)不包括由主過(guò)程轉換而來(lái)的變遷，而僅僅包含所有子過(guò)程轉換的子變遷。3)如果主過(guò)程轉換的變遷沒(méi)有包含在子網(wǎng)中，則所有連接到主過(guò)程的連接改為連接到子過(guò)程。連接按類(lèi)型連接到第一個(gè)子過(guò)程或最后一個(gè)子過(guò)程。子過(guò)程的順序按照連接的邏輯關(guān)系，在沒(méi)有邏輯關(guān)系的情況下，根據它們所在的位置定義。
OPD的時(shí)間線(xiàn)是從上到下執行的，第一個(gè)子過(guò)程在主過(guò)程內部的最上方，最后一個(gè)子過(guò)程在主過(guò)程內部的最下方。按照連接的類(lèi)型劃分:如果主過(guò)程是消耗類(lèi)連接、手段類(lèi)連接或過(guò)程類(lèi)連接的終點(diǎn)，則將連接的終點(diǎn)改為第一個(gè)子過(guò)程;如果主過(guò)程是結果類(lèi)連接或過(guò)程類(lèi)連接的起點(diǎn)，則將連接的起點(diǎn)改為最后一個(gè)子過(guò)程。4)如果一個(gè)對象在父OPD和放大OPD中同時(shí)出現，且滿(mǎn)足轉換為庫所的條件，則在父OPD中的對象轉換為槽庫所，在放大OPD中的對象轉換為端口庫所。端口庫所的標簽通過(guò)對象和主過(guò)程的關(guān)系進(jìn)行定義。如果對象的連接類(lèi)型僅為消耗類(lèi)連接，則為輸入端口;如果只有結果類(lèi)連接，則為輸出端口;如果包含手段類(lèi)連接，則為輸入/輸出端口。同時(shí)出現在父OPD和放大OPD的對象所包含的狀態(tài)也根據此條規則進(jìn)行轉換。5)如果消耗類(lèi)連接和過(guò)程類(lèi)連接同時(shí)出現在父OPD和放大OPD中，且在轉換過(guò)程中需要新添加庫所，則在進(jìn)行層次轉換過(guò)程中也需要考慮按照規則4)進(jìn)行轉換。由于CPN邏輯性要求，除了圖形邏輯關(guān)系的描述外，還需要定義顏色集和庫所的類(lèi)型使CPN可以執行，因此需要一些額外的轉換規則:1)聲明默認的顏色集合和變量。默認的顏色集為“INT”，即整數類(lèi)型;默認變量是“n”是“INT”類(lèi)型的變量。所有的庫所是INT類(lèi)型，所有的弧表達式為“n”表示每一個(gè)令牌帶有一個(gè)整數作為其數據值。用戶(hù)也可以根據問(wèn)題補充自定義的聲明和弧表達式，以及相關(guān)參數。2)如果庫所不包含任何由變遷連接到該庫所的弧，則該庫所擁有初始的令牌，默認標記為“1`1”，表示有一個(gè)數據值為1的令牌。由一個(gè)對象中所有狀態(tài)轉換的一系列的庫所中，只有一個(gè)表示對象初始狀態(tài)的庫所會(huì )擁有初始令牌。3)如果一個(gè)過(guò)程沒(méi)有輸入，即不是任何連接的終點(diǎn)，將增加一個(gè)額外的庫所，名為“PStart”，其中P表示過(guò)程的名稱(chēng)，庫所會(huì )連接到該過(guò)程轉換為的變遷，該庫所擁有初始令牌。結合實(shí)體和連接的轉換規則與層次的轉換規則及補充規則，可以將復雜的層次的OPM模型轉換為CPN模型，并實(shí)現邏輯的執行和驗證。
3反潛作戰系統案例研究
現代戰爭逐漸由傳統的陸路作戰轉向海上、空中作戰，反潛作戰作為一種海上作戰樣式具有十分重要的作用。本文結合反潛作戰系統的案例說(shuō)明該轉換方法在概念設計過(guò)程中的應用。在系統工程概念設計階段，設計是一個(gè)從頂層開(kāi)始的過(guò)程，從最初模糊的概念到最終包括細節的模型。反潛作戰系統主要由情報偵察節點(diǎn)、指揮決策節點(diǎn)以及火力打擊節點(diǎn)構成，所包含的作戰活動(dòng)主要是情報信息的采集、指揮決策和火力打擊。隨著(zhù)作戰活動(dòng)的開(kāi)展，會(huì )改變目標潛艇的狀態(tài)，由此可以建立出反潛作戰系統的初步的模型。圖1是反潛作戰系統的對象過(guò)程圖，展示了作戰節點(diǎn)、作戰活動(dòng)及其相互關(guān)系，包括狀態(tài)的變化關(guān)系。在初步的模型的基礎上，可以通過(guò)展開(kāi)對象或過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的設計。如情報偵察節點(diǎn)與火力打擊節點(diǎn)又可以根據所處的物理位置的不同分為空中、水下和水面3部分�？罩泄濣c(diǎn)包括反潛機，水面節點(diǎn)包括水面艦艇，水下節點(diǎn)包括潛艇。圖2展示了情報偵察節點(diǎn)放大對象過(guò)程圖，可以進(jìn)一步根據問(wèn)題細化包含的武器型號數量等有關(guān)參數。每一個(gè)作戰活動(dòng)也可以進(jìn)行放大，描述作戰活動(dòng)的細節。圖3展示了火力打擊這一作戰活動(dòng)放大對象過(guò)程圖，其中火力打擊可以進(jìn)步分為跟蹤搜索目標和打擊目標兩個(gè)子作戰活動(dòng)。依據這個(gè)簡(jiǎn)單的反潛作戰模型，我們可以根據提出的從OPM到CPN的轉換方法進(jìn)行模型的轉換，圖4和圖5是經(jīng)過(guò)轉換的后的反潛作戰系統的CPN模型。由于CPNTools不支持中文，故轉換時(shí)使用以英文命名的OPM模型。圖4中將反潛作戰系統的作戰活動(dòng)轉換為變遷，并將放大火力打擊活動(dòng)轉換為圖5中的CPN子網(wǎng)。
4結束語(yǔ)
本文針對系統過(guò)程概念設計階段的需求，提出了一種通過(guò)轉換OPM建模元素到CPN，進(jìn)而將OPM模型轉換為CPN模型的方法。該方法不僅實(shí)現了從OPM到CPN基本實(shí)體和連接的轉換，而且實(shí)現了層次模型特征的轉換。通過(guò)該轉換方法能夠結合OPM的描述能力與CPN仿真分析的能力，支持系統工程概念設計階段從概念到細節模型的開(kāi)發(fā)與驗證。在簡(jiǎn)單反潛系統中的應用展示了根據提出的方法將OPM建立的概念模型轉換為初步的CPN仿真模型的結果。在某種程度上，它能使系統工程概念設計階段的開(kāi)發(fā)過(guò)程更加連續，并更為簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)、分析和驗證模型。在未來(lái)，可以進(jìn)一步提出轉換OPM中時(shí)間概念的規則，建立時(shí)間CPN模型，并基于OPM元模型對轉換方法進(jìn)行形式化的定義。
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