模型驱动的复杂产品系统设计建模综述

棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈棈tificationinManufacturingProcesses[J].IIETransactions,2008,40(10):919飊930.[59]暋IzquierdoLE,ShiJ,HuJ,etal.FeedforwardCon灢trolofMultistageAssemblyProcessesUsingPro灢grammableTooling[J].TransactionsofNAMRI/SME,2007,35:295飊303.[60]暋DjurdjanovicD,NiJ.On-lineStochasticControlofDimensionalQualityinMulti-stationManufac灢turingSystems[J].JournalofEngineeringManu灢facture,2007,221(B5):865飊880.[61]暋HuS,KorenY.ReconsiderMachineLayouttoOp灢timizeProduction[J].ManufacturingEngineering,2005,134(2):81飊90.[62]暋KorenY,HuS,WeberT.ImpactofManufacturingSystemConfigurationonPerformance[J].AnnalsoftheCIRP,1998,47:369飊372.(编辑暋苏卫国)作者简介:张志胜,男,1974年生。东南大学机械工程学院教授。主要研究方向为机电控制及其自动化、制造质量控制。何博侠,男,1972年生。南京理工大学机械工程学院讲师。史金飞,男,1965年生。南京工程学院副校长、教授。刘国良,男,1983年生。东南大学机械工程学院硕士研究生。张佳阳,男,1984年生。东南大学机械工程学院硕士研究生。刘暋飏,男,1980年生。东南大学机械工程学院博士研究生。模型驱动的复杂产品系统设计建模综述刘玉生暋蒋玉芹暋高曙明浙江大学CAD&CG国家重点实验室,杭州,310027摘要:复杂产品系统的功能复杂性与设计分布性大大增加,基于文件的系统工程已越来越不能满足复杂产品系统设计时建模的要求,模型驱动的系统设计建模方法正成为学术界和工业界关注的重点。由于该问题本身的难度,模型驱动的复杂产品系统设计建模仍然存在许多不足与问题。从模型驱动的角度出发,对面向复杂产品系统设计的建模语言进行了分析;对现有的四种模型驱动的复杂产品系统建模方法进行了较为全面的分析与评述。对模型驱动的复杂产品系统设计建模存在的不足与问题进行了分析与讨论,并探索给出其可能的发展方向。关键词:模型驱动;复杂产品;系统设计;基于模型的系统工程中图分类号:TP3暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)06—0741—09Model-drivenModelingforSystemDesignofComplexProducts:aSurveyLiuYusheng暋JiangYuqin暋GaoShumingStateKeyLab.ofCAD&CG,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027Abstract:Withtheincreaseoffunctionalcomplexityandwidedistributionofcomplexproductsystems,document-basedsystemsengineeringdoesnotsatisfytherequirementsofsystemmodelingofthecomplexproducts.Model-drivensystemmodelingandsystemdesignisbecomingtheemphasisofacademyandindustry.Manyeffortshavebeenconductedandseveralkindsofmodelinglanguagesandmodelingapproacheshavebeenproposed.Duetothedifficultyofthisproblem,therearestillmanyproblemswithmodel-drivensystemmodelingandsysemdesignforcomplexproducts.Herein,modelinglanguagesforsystemmodelingandsystemdesignwereanalyzedatfirst.Thenfourkindsoftypicalmodel-drivensytemmodelingapproacheswerediscussedindetail.Lastly,theexistingproblemsandpossiblesolutionstrategieswereanalyzedandexplored.Keywords:model-driven;complexproduct;systemdesign;model-basedsystemsengineering0暋引言近年来,复杂产品已呈现出功能高度复杂、各领域耦合关联、可重构、跨地域异地设计等诸多特点。与一般产品相比,复杂产品所带来的挑战是:不同领域子系统间将产生不可预测的功能耦合、交叠甚至冲突,原本功能良好的子系统可能产生不可预测的行为[1]。因此,针对复杂产品,在其概收稿日期:2009—11—02基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(60736019)念设计阶段进行系统设计已成为不可缺少的重要一环。基于文件的系统工程自20世纪40年代提出以来,对复杂产品的系统设计作出了重要贡献,有力地支持了复杂产品的系统设计。然而,随着产品系统复杂性的不断增加,尤其是异地分布式设计的出现,基于文件的系统工程已越来越无法满足要求,模型驱动的系统设计(model-drivensystemsdesign,MDSD),或称基于模型的系统工程(model-basedsystemsengineering,MBSE)·147·模型驱动的复杂产品系统设计建模综述———刘玉生暋蒋玉芹暋高曙明正成为复杂产品系统设计的基础[2飊3],它从需求阶段开始即通过模型(而非文档)的不断演化、迭代递增而实现产品的系统设计[4飊5],具有显著的优势,如通过模型的形式化定义可以清晰地刻画产品设计初期结构、功能与行为等各方面的需求;基于模型可以尽早通过模拟分析发现大量不合理的设计方案;同时模型还为各方提供了一个公共通用的、无二义性的设计信息交流工具,这一点尤其对复杂产品异地分布的系统设计具有重要意义。因此,近年来模型驱动的复杂产品系统建模与系统设计已成为学术界与工业界的研究重点,在建模语言与建模方法等方面取得了重要的进展,但同时也还存在许多亟待解决的问题。1暋模型驱动的复杂产品系统设计建模语言暋暋如前所述,复杂产品的特点是高度分布性与可重构性,为此要求其对应的建模语言必须具有如下特点:支持模型驱动建模和支持模型验证与分析。针对复杂产品的系统设计建模语言已有很多,如行为图、IDEF0等,但它们的符号与语义不尽相同,彼此间很难互操作与重用。统一建模语言UML[6]在软件工程领域的模型驱动软件设计中取得了巨大成功,它具有极好的扩展性能与开放性能,因而UML在复杂产品的系统建模中也得到了大量的关注与应用[7]。在UML2灡0的基础上,国际系统工程学会和对象管理组织对其进行重用和面向系统工程的扩展,定义了一种新的系统建模语言标准———SysML语言[8]。1.1暋复杂产品的系统建模语言SysMLSysML对对象的定义主要通过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完成。其中,结构模型侧重于对系统的层次以及系统间不同对象的相互关联关系进行建模;行为模型主要针对基于功能的和基于状态的行为进行建模;需求模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及设计对需求的满足情况等;参数模型主要强调系统或系统内部部件间的约束关系。在具体的实现层次上,SysML语义通过元模型(Metamodel)来定义与实现,其核心部分如图1所示[9]。SysML是一种图形建模语言,其建模通过图形而实现,支持对包含人员、硬件、软件、过程、控制等在内的复杂系统进行说明、分析、设计、验证与确认,且独立于具体的方法与工具。在继承UML图形表示的基础上,SysML包含的基本建模图形及其关系如图2所示。由图2可知,可以图1暋SysML的元模型表示图2暋SysML所有图形的层次结构通过SysML的多种图形方便地实现对复杂产品的结构、行为、需求与属性约束关系进行建模。SysML一个重要特点是它基于端口(port)进行建模。端口作为图形与外部信息交互的唯一接口,将图形内部信息与外部完全隔离,同时也十分有利于代表不同结构功能、行为功能、约束等图形单元的封装与重用。目前,SysML语言尽管获得了广泛的应用,国内学者也开始了积极的应用探索[10飊12],但也还存在许多不足亟待研究与解决:(1)SysML对需求建模功能的支持还远远不够。目前,SysML的需求建模仅是文本式的建模,既缺乏必要的语法支持,更没有领域语义支持。一个可能的做法将是,对需求进行功能需求和非功能需求的分类,对功能需求进行基于能量流(energyflowbased)的层次式分解直至分解为基本功能单元,而对非功能需求则进行影响要素分析与分解。(2)SysML还缺乏对连续行为的显式支持。尽管SysML图中包含了活动图、序列图与状态机图,但这些均只支持对离散行为的描述,不能用来描述动态的连续行为。虽然可以用参数图间接表示动态连续行为,但不能方便地表示构件间广义的基尔霍夫定律。当然,SysML也还无法支持对复杂产品的连续/离散混合的建模。(3)SysML还缺乏对模拟仿真的直接支持,缺乏对动态仿真信息的有效表示。此外,SysML目前对一些深层次的复杂产品·247·中国机械工程第21卷第6期2010年3月下半月系统建模问题(如嵌套接口、多层抽象、关联块图重用等)也还缺乏有效支持。国际系统工程学会、佐治亚理工学院(GaT灢ech)、乔治梅森大学等正在对SysML进行积极的完善工作。佐治亚理工学院Thomas等[13飊14]在现有SysML功能的基础上探索如何将SysML的功能扩展到对连续系统进行建模,为支持仿真,他们还提出基于图的双向映射机制,在SysML模型和Modelica间进行双向转换,然而现在支持的功能还十分有限且映射不稳定。乔治梅森大学的SysML研究小组深入、系统地研究SysML所有功能,甚至给出了基于SysML进行复杂系统建模的标准流程[15]。为具体研究分析SysML对超复杂系统建模的支持程度,INCOSE德国分会、欧洲南部气象台(ESO)等以超大型望远镜的系统建模为基础,正在探索SysML在结构、行为、参数等多方面的建模能力[16]。1.2暋其他复杂产品系统建模语言由于UML在软件工程领域的成功和影响的广泛性,在SysML建模语言正式成为标准前,已有许多工作基于UML进行了扩展以支持复杂产品的建模,代表性的语言有MechatronicUML[17]和UMLH[18]。在UML的基础上,Burmester等[19飊21]提出了MechatronicUML建模语言,以使得UML扩展后能支持复杂产品建模和验证。他们提出了图块“pattern暠的概念,图块主要用来表示构件之间的一些比较常用的协作方式,以方便于对设计知识的表示,并可逐渐形成一个pattern库。针对图块的具体表示,需要进行结构建模和行为建模。前者具体指构件间的连接结构,而后者指构件间的协作行为。Burmester等用类似SysML中的内部块图来进行结构建模,而行为则用每个参与者的状态机表示。参与者之间的协作主要通过信号传递实现,这种信号传递在模型中表示为一个参与者发送信号到其对应的“传递行为暠上,而另一个参与者将接收的信号放到其对应的“行为激发暠