基于MBSE的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法与流程

本发明属于计算机仿真与建模技术领域，尤其涉及一种基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法。

背景技术：

目前，人们在设计新型号时，大多采取基于文本的系统工程(tse)。这就是说，系统设计产生的大量信息以文本的形式记录和在不同人员、专业和部门之间传递。随着系统的日益复杂，基于文本的系统工程(tse)逐渐无法应对挑战，产生了各种各样的问题，比如很容易产生理解不一致的问题。基于模型的系统工程(mbse)就是在这一背景下被提出的，它是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始持续贯穿到设计开发以及后来的所有生命周期阶段。通过采用基于模型的系统工程(mbse)，可以有效缩短新型号研发周期，提高设计研发效率和质量，节约研发成本。

为了满足系统工程的实际需要，国际系统工程学会incose和对象管理组织omg提出了一种新的系统建模语言--sysml(systemsmodelinglanguage)。sysml是一种面向对象的标准建模语言，建立在对uml的重用和扩展的基础上，用于对系统的可视化建模在系统工程应用领域的延续和扩展，用于对复杂系统的集成体系结构进行可视化的说明、分析、设计及校验。

顶层模型设计人员可以首先使用sysml图进行建模，再利用sysml模型转换为对应的petri网模型的规则，将sysml图转换为petri网，利用petri网的分析技术对模型进行分析验证，找出模型中的错误或缺陷，最终改进系统的设计方案。但是，现有顶层系统设计方案存在难以动态评估的问题。因此，亟需一种新的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有顶层系统设计方案存在难以动态评估的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法。

本发明是这样实现的，一种基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统，所述基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统包括：

系统设计数据获取模块、数据预处理模块、中央控制模块、设计方案建模与验证模块、设计方案转换模块、petri网方案评估模块、联合仿真模块、设计方案优化模块、数据存储模块、更新显示模块。

系统设计数据获取模块，与中央控制模块连接，用于通过数据获取设备获取所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需的数据；

数据预处理模块，与中央控制模块连接，用于通过数据预处理程序对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理；

中央控制模块，与系统设计数据获取模块、数据预处理模块、设计方案建模与验证模块、设计方案转换模块、petri网方案评估模块、联合仿真模块、设计方案优化模块、数据存储模块、更新显示模块连接，用于通过中央处理器控制所述基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统各模块的正常运行；

设计方案建模与验证模块，与中央控制模块连接，用于通过sysml图形化建模语言，根据预处理后的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据，按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案，并在建模过程中对设计方案进行验证；

设计方案转换模块，与中央控制模块连接，用于通过方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型；

petri网方案评估模块，与中央控制模块连接，用于通过评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突，对初始令牌数量进行赋值，明确决策节点转换的分支结构中的选择条件；

联合仿真模块，与中央控制模块连接，用于通过仿真程序对所述顶层系统的petri网模型进行联合仿真运行，并统计仿真运行结果；

设计方案优化模块，与中央控制模块连接，用于通过方案优化程序根据转换后的petri网模型的仿真运行结果，对设计方案进行调整优化；

数据存储模块，与中央控制模块连接，用于通过存储器存储获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果；

更新显示模块，与中央控制模块连接，用于通过显示器对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果的实时数据进行更新显示。

进一步，所述设计方案建模与验证模块包括：

需求建模与验证单元，用于通过需求建模程序运用sysml根据系统需求建立需求图模型，根据需求确定系统顶层功能；

功能建模与验证单元，用于通过功能建模程序根据需求确定的顶层功能，运用sysml建立用例图模型以及整个顶层系统的活动图模型；

结构建模与验证单元，用于通过结构建模程序根据顶层系统功能流程，建立sysml的块定义图模型以及带泳道的活动图模型。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，所述基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法包括以下步骤：

步骤一，通过系统设计数据获取模块利用数据获取设备获取所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需的数据；

步骤二，通过数据预处理模块利用数据预处理程序对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理；

步骤三，通过中央控制模块利用中央处理器控制所述基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统各模块的正常运行；

步骤四，通过设计方案建模与验证模块利用sysml图形化建模语言，根据预处理后的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据，按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案，并在建模过程中对设计方案进行验证；

步骤五，通过设计方案转换模块利用方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型；

步骤六，通过petri网方案评估模块利用评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突，对初始令牌数量进行赋值，明确决策节点转换的分支结构中的选择条件；

步骤七，通过联合仿真模块利用仿真程序对所述顶层系统的petri网模型进行联合仿真运行，并统计仿真运行结果；通过设计方案优化模块利用方案优化程序根据转换后的petri网模型的仿真运行结果，对设计方案进行调整优化；

步骤八，通过数据存储模块利用存储器存储获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果；

步骤九，通过更新显示模块利用显示器对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果的实时数据进行更新显示。

进一步，步骤二中，所述通过数据预处理模块利用数据预处理程序对所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理，包括：

(1)获取所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据，将所述数据映射到集合内；

(2)通过所述集合接收数据处理请求并在所述集合内执行数据处理，其中所述数据处理包括写入处理和读出处理；

(3)检测所述集合内的主节点和所述纠删码节点是否存在所述数据存储故障；若存在数据存储故障，对所述数据存储故障进行排除后完成数据冗余处理。

进一步，所述集合包括主节点和与主节点对应的纠删码节点，所述数据分别映射存储到所述主节点以及所述主节点对应的纠删码节点。

进一步，步骤四中，所述通过设计方案建模与验证模块利用sysml图形化建模语言按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案，包括：

(1)设计系统需求列表，通过需求建模与验证单元利用需求建模程序运用sysml根据系统需求列表建立需求图模型，根据需求模型图确认需求之间是否冲突，验证需求合理性；根据需求确定系统顶层功能，将系统划分为子系统；

(2)根据需求确定的顶层功能，通过功能建模与验证单元利用功能建模程序运用sysml建立用例图模型以及整个顶层系统的活动图模型；

(3)根据顶层系统功能流程，通过结构建模与验证单元利用结构建模程序建立sysml的块定义图模型以及带泳道的活动图模型，验证系统结构是否能支持整个系统功能子系统的划分。

进一步，步骤五中，所述通过设计方案转换模块利用方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型，包括：

(1)获取sysml模型中用例图、活动图和状态图文件，并将所述模型文件导入至预设petri网模型软件；

(2)根据所述模型文件得到模型接口说明文件；其中，所述模型接口说明文件包括模型属性信息和模型仿真信息；

(3)根据所述模型仿真信息生成第一预设语言的接口函数，以完成所述第一预设语言对所述模型文件的封装；

(4)根据所述模型属性信息、所述模型仿真信息和所述第一预设语言的接口函数得到第二预设语言模型，并将所述第二预设语言模型按照建模元素映射规则导出为petri网模型。

进一步，所述第二预设语言模型用于支持模型属性浏览、可视化建模和仿真求解。

进一步，步骤六中，所述通过petri网方案评估模块利用评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突，包括：

通过构建评估指标体系，采集不同评估指标的执行情况；

生成训练样本集，每个样本由实际操作集合和对应专家评分组成；

然后利用加权求和的方法计算最后的评估结果。

进一步，所述评估指标体系包括操作时间、操作过程和操作结果；

所述操作时间用于反映模拟训练人员对于软件操作的熟悉程度；

所述操作过程用于模拟训练人员是否存在误操作、漏操作或者重复操作的情况；

所述操作结果与具体的训练科目相关，用于反映操作过程中设置的参数对操作结果影响程度。

进一步，所述利用加权求和的方法计算最后的评估结果，包括：

首先选择petri网模型中最重要的特性，再选择次重要的特性，以此类推选择所有特性；

确定最重要特性的权重系数之后，根据最重要的特性和次重要的特性之间的相对重要程度比值计算次重要特性的权重系数，以此类推计算其他特性的权重系数；

利用新的权重系数等于老的权重系数加上权重系数的增量来计算新的权重系数；

对各个特性单独进行评估然后再加权求和得到系统行为的评估结果，所述评估结果表示系统当前的行为和预设的行为标准之间差异的评估。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，基于mbse，采用标准系统建模语言照sysml构建系统设计模型并作为可追踪的信息集成框架，能够集成表达产品研发早期需求、功能、结构和行为方面的信息，为研发过程的需求管理和追踪提供便利。同时，本发明提供了具有有较强的可操作性和针对性的建模方法，能够抽象顶层系统特点以进行设计方案的合理性分析，建模过程更简单并且容易实现，能够更好地支持设计方案验证、优化和评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统结构框图；

图中：1、系统设计数据获取模块；2、数据预处理模块；3、中央控制模块；4、设计方案建模与验证模块；5、设计方案转换模块；6、petri网方案评估模块；7、联合仿真模块；8、设计方案优化模块；9、数据存储模块；10、更新显示模块。

图2是本发明实施例提供的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法流程图。

图3是本发明实施例提供的通过数据预处理模块利用数据预处理程序对所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理的方法流程图。

图4是本发明实施例提供的通过设计方案建模与验证模块利用sysml图形化建模语言按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案的方法流程图。

图5是本发明实施例提供的通过设计方案转换模块利用方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型的方法流程图。

图6是本发明实施例提供的通过petri网方案评估模块利用评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统包括：系统设计数据获取模块1、数据预处理模块2、中央控制模块3、设计方案建模与验证模块4、设计方案转换模块5、petri网方案评估模块6、联合仿真模块7、设计方案优化模块8、数据存储模块9、更新显示模块10。

系统设计数据获取模块1，与中央控制模块3连接，用于通过数据获取设备获取所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需的数据；

数据预处理模块2，与中央控制模块3连接，用于通过数据预处理程序对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理；

中央控制模块3，与系统设计数据获取模块1、数据预处理模块2、设计方案建模与验证模块4、设计方案转换模块5、petri网方案评估模块6、联合仿真模块7、设计方案优化模块8、数据存储模块9、更新显示模块10连接，用于通过中央处理器控制所述基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统各模块的正常运行；

设计方案建模与验证模块4，与中央控制模块3连接，用于通过sysml图形化建模语言，根据预处理后的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据，按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案，并在建模过程中对设计方案进行验证；

设计方案转换模块5，与中央控制模块3连接，用于通过方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型；

petri网方案评估模块6，与中央控制模块3连接，用于通过评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突，对初始令牌数量进行赋值，明确决策节点转换的分支结构中的选择条件；

联合仿真模块7，与中央控制模块3连接，用于通过仿真程序对所述顶层系统的petri网模型进行联合仿真运行，并统计仿真运行结果；

设计方案优化模块8，与中央控制模块3连接，用于通过方案优化程序根据转换后的petri网模型的仿真运行结果，对设计方案进行调整优化；

数据存储模块9，与中央控制模块3连接，用于通过存储器存储获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果；

更新显示模块10，与中央控制模块3连接，用于通过显示器对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果的实时数据进行更新显示。

本发明实施例提供的设计方案建模与验证模块4包括：

需求建模与验证单元4-1，用于通过需求建模程序运用sysml根据系统需求建立需求图模型，根据需求确定系统顶层功能；

功能建模与验证单元4-2，用于通过功能建模程序根据需求确定的顶层功能，运用sysml建立用例图模型以及整个顶层系统的活动图模型；

结构建模与验证单元4-3，用于通过结构建模程序根据顶层系统功能流程，建立sysml的块定义图模型以及带泳道的活动图模型。

如图2所示，本发明实施例提供的基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法包括以下步骤：

s101，通过系统设计数据获取模块利用数据获取设备获取所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需的数据；

s102，通过数据预处理模块利用数据预处理程序对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理；

s103，通过中央控制模块利用中央处理器控制所述基于mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估系统各模块的正常运行；

s104，通过设计方案建模与验证模块利用sysml图形化建模语言，根据预处理后的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据，按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案，并在建模过程中对设计方案进行验证；

s105，通过设计方案转换模块利用方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型；

s106，通过petri网方案评估模块利用评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突，对初始令牌数量进行赋值，明确决策节点转换的分支结构中的选择条件；

s107，通过联合仿真模块利用仿真程序对所述顶层系统的petri网模型进行联合仿真运行，并统计仿真运行结果；通过设计方案优化模块利用方案优化程序根据转换后的petri网模型的仿真运行结果，对设计方案进行调整优化；

s108，通过数据存储模块利用存储器存储获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果；

s109，通过更新显示模块利用显示器对获取的所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据、数据预处理结果、设计方案建模与验证结果、petri网模型、petri网方案评估结果、联合仿真运行结果设计方案优化结果的实时数据进行更新显示。

如图3所示，本发明实施例提供的步骤s102中，所述通过数据预处理模块利用数据预处理程序对所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据进行冗余处理，包括：

s201，获取所述mbse的顶层系统设计方案验证、优化和评估所需数据，将所述数据映射到集合内；

s202，通过所述集合接收数据处理请求并在所述集合内执行数据处理，其中所述数据处理包括写入处理和读出处理；

s203，检测所述集合内的主节点和所述纠删码节点是否存在所述数据存储故障；若存在数据存储故障，对所述数据存储故障进行排除后完成数据冗余处理。

本发明实施例提供的集合包括主节点和与主节点对应的纠删码节点，所述数据分别映射存储到所述主节点以及所述主节点对应的纠删码节点。

如图4所示，本发明实施例提供的步骤s104中，所述通过设计方案建模与验证模块利用sysml图形化建模语言按照需求、功能和结构的顺序建立模型描述顶层系统设计方案，包括：

s301，设计系统需求列表，通过需求建模与验证单元利用需求建模程序运用sysml根据系统需求列表建立需求图模型，根据需求模型图确认需求之间是否冲突，验证需求合理性；根据需求确定系统顶层功能，将系统划分为子系统；

s302，根据需求确定的顶层功能，通过功能建模与验证单元利用功能建模程序运用sysml建立用例图模型以及整个顶层系统的活动图模型；

s303，根据顶层系统功能流程，通过结构建模与验证单元利用结构建模程序建立sysml的块定义图模型以及带泳道的活动图模型，验证系统结构是否能支持整个系统功能子系统的划分。

如图5所示，本发明实施例提供的步骤s105中，所述通过设计方案转换模块利用方案转换程序按照建模元素映射规则将sysml模型中用例图、活动图、状态图转换至petri网模型，包括：

s401，获取sysml模型中用例图、活动图和状态图文件，并将所述模型文件导入至预设petri网模型软件；

s402，根据所述模型文件得到模型接口说明文件；其中，所述模型接口说明文件包括模型属性信息和模型仿真信息；

s403，根据所述模型仿真信息生成第一预设语言的接口函数，以完成所述第一预设语言对所述模型文件的封装；

s404，根据所述模型属性信息、所述模型仿真信息和所述第一预设语言的接口函数得到第二预设语言模型，并将所述第二预设语言模型按照建模元素映射规则导出为petri网模型。

本发明实施例提供的第二预设语言模型用于支持模型属性浏览、可视化建模和仿真求解。

如图6所示，本发明实施例中的步骤s106中，通过petri网方案评估模块利用评估程序检查转换后petri网模型中是否存在死锁或资源冲突，包括：

s501，通过构建评估指标体系，采集不同评估指标的执行情况；

s502，生成训练样本集，每个样本由实际操作集合和对应专家评分组成；

s503，然后利用加权求和的方法计算最后的评估结果。

本发明实施例中的评估指标体系包括操作时间、操作过程和操作结果；

所述操作时间用于反映模拟训练人员对于软件操作的熟悉程度；

所述操作过程用于模拟训练人员是否存在误操作、漏操作或者重复操作的情况；

所述操作结果与具体的训练科目相关，用于反映操作过程中设置的参数对操作结果影响程度。

本发明实施例中的步骤s503中，利用加权求和的方法计算最后的评估结果，包括：

首先选择petri网模型中最重要的特性，再选择次重要的特性，以此类推选择所有特性；

确定最重要特性的权重系数之后，根据最重要的特性和次重要的特性之间的相对重要程度比值计算次重要特性的权重系数，以此类推计算其他特性的权重系数；

利用新的权重系数等于老的权重系数加上权重系数的增量来计算新的权重系数；

对各个特性单独进行评估然后再加权求和得到系统行为的评估结果，所述评估结果表示系统当前的行为和预设的行为标准之间差异的评估。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。