編輯推薦
適讀人群 :從事基於模型的係統工程、産品開發、工程設計和軟件工程領域中級或高級研究員,也適用於依靠信息工具或者計算機技術實現或者支持領域的高校學生或者從業人員。 本書作為基於模型的係統工程、産品開發、工程設計和軟件工程等領域的中級或高級課程教科書
內容簡介
本書內容分三大部分共24章:第一部分"事故自動響應”,通過逐步建立"汽車碰撞響應係統”模型,引齣建模原則和建模方法,進而對對象過程方法論(以下簡稱OPM)和係統建模語言(以下簡稱SysML)做瞭簡單介紹。第二部分"OPM與SysML基礎”,對OPM和SysML從本體、概念建模及應用等方麵進行理論上的探索分析。第三部分"結構和行為”,對係統模型的結構與行為進行深入研究,是概念建模的核心。 本書的一大特色是提供大量的案例和免費的軟件工具,可以讓讀者親自動手進行實戰練習。同時,每章後的習題也為讀者動手實踐提供瞭很好的題材。
作者簡介
多夫?多裏(Dov Dori)教授,就職於以色列理工學院工程工業與管理係&企業係統建模實驗室,同時是麻省理工學院信息與係統工程係客座教授。(1)研究領域:基於模型的係統工程,復雜係統概念建模,係統工程概念建模,係統架構設計,軟件工程,係統生物學。(2)突齣著作:《新ISO19450標準:對象過程方法論(OPM)》對象過程方法論(簡稱OPM)是一種實現簡約錶達的方法或者語言,是對建模和自動化係統知識體現的方法論。從基本部件簡單組裝到復雜多學科動態係統,OPM都有應用,且主要適用於依靠信息工具或者計算機技術實現或者支持的領域。(3)成就地位:9個國際會議或研討會主席IAPR模式分析和機器智能學報 副主編係統工程副主編 IAPR國際模式識彆協會 研究員INCOSE係統工程國際委員會 研究員ΩΑ國際係統工程榮譽協會會員IEEE電氣電子工程師學會高級會員IEEE MBSE技術委員會 主席ACM計算機協會高級會員
楊峰,國防科學技術大學信息係統與管理學院教授,科研方嚮:體係工程與體係仿真,重點研究復雜係統/體係架構建模、計算實驗、仿真評估、知識挖掘、認知演化計算等理論方法;
精彩書評
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目錄
目 錄
第一部分 基於模型的係統工程入門
第1章 開始建模 1
1.1 事故自動響應係統 2
1.2 OPM功能作為種子原理 2
1.3 識彆係統功能 3
1.4 識彆係統受益者 3
1.5 過程變換對象 4
小結 4
習題 5
第2章 文本描述和仿真推演 6
2.1 OPL――英語的一個子集 6
2.2 狀態和推演 7
2.2.1 過程對對象的影響 7
2.2.2 從隱式影響到顯式狀態變化 8
2.2.3 狀態命名 8
2.3 OPM模型的仿真推演 9
小結 9
習題 10
第3章 用鏈接聯係事物 11
3.1 過程鏈接與結構鏈接 11
3.2 添加支持對象 11
3.2.1 添加主體和主體鏈接 12
3.2.2 添加手段和手段鏈接 12
3.3 添加結構鏈接 13
3.4 物理事物與信息事物 14
3.5 模型的事實和OPL段落 14
3.6 環境事物與係統事物 15
3.7 初始狀態和終止狀態 16
3.8 觸發狀態和事件鏈接 17
小結 17
習題 18
第4章 SysML――用例圖、模塊圖、狀態機圖 19
4.1 SysML用例圖 19
4.2 SysML模塊和模塊圖 21
4.3 SysML狀態機圖 22
小結 23
習題 24
第5章 通過放大進行細化 25
5.1 測量事故嚴重程度 25
5.2 放大:在一個新OPD圖中細化一個過程 25
5.3 OPD對象過程圖樹 26
5.4 OPM模型事實錶示原理 27
5.5 事故嚴重程度屬性及其測量 27
5.6 係統模擬:推演測試 28
小結 29
習題 29
第6章 係統的動態行為 30
6.1 在輕度毀傷時退齣 30
6.2 消息創建和發送 31
6.3 過程執行順序:OPM時間軸原理 31
6.4 救援來瞭 32
6.5 當前設計的執行綫程 33
小結 33
習題 34
第7章 控製係統的行為 35
7.1 布爾對象作為分支條件 35
7.2 條件鏈接與手段鏈接 36
7.3 繼承關係 37
7.4 放大到事故嚴重程度測量 38
7.5 參與約束 39
7.6 邏輯運算符:OR與XOR 39
7.7 事故嚴重程度測量過程的細化 39
7.8 事物的範圍:信號作為臨時對象 39
7.9 診斷如何完成 40
小結 41
習題 41
第8章 抽象和細化 43
8.1 放大――在新圖中細化過程 43
8.2 放大後的消息處理過程 45
8.3 ACR係統結構視圖 46
小結 47
習題 47
第二部分 OPM與SysML基礎
第9章 概念建模――目的與背景 50
9.1 係統、模型和係統工程 50
9.1.1 科學與工程的異同點 50
9.1.2 概念建模和基於模型的係統工程 51
9.2 一種基礎的係統工程OPM本體 51
9.2.1 何為對象存在和過程發生及一些啓發性的Q&A 52
9.2.2 對象-過程定理 53
9.2.3 對象-過程推論 53
9.2.4 對象-過程斷言:OPM基礎 53
9.2.5 為什麼不止用一種事物?圖形是否由節點和連接構成 54
9.2.6 OPM事物重要度原理 54
9.3 對象、狀態、變換和過程的定義 55
9.4 係統及相關概念 55
9.4.1 默認的係統定義 57
9.4.2 參與者―利益相關方、受益者、客戶、用戶和供貨商 58
9.4.3 係統資源:自然資源或人工資源 58
9.4.4 功能、結構和行為 59
9.4.5 結構―行為同步建模需求 59
9.4.6 係統架構 60
9.4.7 係統環境及事物聯係 60
9.4.8 功能與行為 60
9.5 語言和建模 61
9.5.1 模型和建模 61
9.5.2 形式化模型與非形式化模型 61
9.5.3 復雜度管理 62
小結 62
習題 63
第10章 事物――對象與過程 64
10.1 麵嚮對象與對象過程法 64
10.2 存在、事物和變換 64
10.2.1 對象細化 65
10.2.2 對象和人類記憶 65
10.3 對象標識 66
10.3.1 信息對象的標識 66
10.3.2 過程作為一個變換的隱喻 66
10.3.3 過程定義細化 66
10.3.4 變換對象的概念 67
10.3.5 因與果 67
10.4 語法和語義對比 68
10.4.1 對象和過程是否為名詞和動詞的語義類似物 68
10.4.2 語法語義對比分析句子 68
10.4.3 前置對象集 69
10.4.3 後置對象集 70
10.4.4 相關對象集 71
10.5 OPM過程鏈接獨特性原理 71
10.6 過程的判定 74
10.6.1 變換對象標準 74
10.6.2 時變特性標準 74
10.6.3 動詞關聯標準 75
10.6.4 OPM模型的過程測試係統 75
10.7 OPM元素命名 75
10.7.1 首字母大寫、加粗、短語和命名 76
10.7.2 OPM命名獨特性原理 76
10.7.3 過程命名 77
10.8 事物的定義 77
10.9 OPM事物的性質 78
10.10 事物的臨界情況 79
10.10.1 保持狀態的過程 80
10.10.2 如何利用結構鏈接對狀態保持過程建模 80
10.10.3 瞬態對象及其替代――激活鏈接 81
10.11 運算符、運算對象和變換 81
小結 82
習題 83
第11章 對象過程語言――文本描述 84
11.1 OPL――文本描述 84
11.2 OPL的兩個目的 84
11.2.1 麵嚮人類的OPL 84
11.2.2 麵嚮機器的OPL 85
11.3 OPM圖、文等價原理 85
11.4 OPM模型結構的元模型 85
11.5 OPL的保留短語和非保留短語 87
11.6 OPM雙模式描述的動機 88
11.6.1 雙通道假設 88
11.6.2 雙模式描述的好處 89
11.6.3 吸引客戶――社會方麵 89
11.6.4 消除需求、設計之間的鴻溝 90
11.7 世界語――人類可讀的自動生成的文本 90
小結 90
習題 91
第12章 SysML――基礎和視圖 92
12.1 UML――統一建模語言 92
12.2 SysML的支柱 93
12.3 需求視圖 94
12.4 模塊和結構 94
12.5 活動圖 95
12.5.1 活動中動作的展開 95
12.5.2 接收、發送和時間事件行動節點 97
12.6 序列圖 97
12.7 需求圖 99
12.8 參數圖和約束屬性塊 101
12.9 SysML與OPM比較 103
12.9.1 過程作為“一等公民” 104
12.9.2 物理事物和信息事物 104
12.9.3 模型視圖多樣性與模型視圖統一性 104
12.9.4 圖形描述與圖文結閤描述 104
12.9.5 活動圖與對象過程圖 105
12.9.6 活動圖中的控製流與對象過程圖 106
12.9.7 需求圖與OPM的需求描述 106
12.10 SysML與OPM的綜閤運用 107
小結 108
習題 108
第13章 係統動態特性 109
13.1 變換和影響 109
13.2 存在與變換 109
13.2.1 創建與消耗:對象狀態變換的極端情況 109
13.2.2 狀態變化還是特性變化 111
13.2.3 生物的變換 111
13.2.4 人工對象的變換 112
13.3 過程鏈接 113
13.3.1 變換與相應的過程鏈接 113
13.3.2 變換對象 113
13.4 變換鏈接 114
13.4.1 消耗和結果生成的時間 115
13.4.2 影響鏈接的演變 115
13.5 支持鏈接 116
13.5.1 主體――人類支持對象 116
13.5.2 手段――非人類支持對象 117
13.5.3 支持鏈接:主體和手段鏈接 117
13.5.4 支持對象與影響對象 118
13.6 前置和後置對象集 119
13.7 特定狀態的過程鏈接 120
13.8 特定狀態的支持鏈接 120
13.9 特定狀態的變換鏈接 122
13.10 特定狀態的影響鏈接 123
小結 126
習題 128
第14章 係統結構特性 130
14.1 結構關係 130
14.1.1 關注二元關係 130
14.1.2 正嚮和反嚮結構關係 131
14.1.3 結構鏈接與結構關係 132
14.1.4 結構標簽和帶標簽的結構鏈接 132
14.1.5 帶標簽的雙嚮結構鏈接 133
14.2 結構關係的對稱性和傳遞性 134
14.2.1 結構關係的對稱性 134
14.2.2 結構關係的傳遞性 135
14.2.3 空標簽、空結構鏈接及其默認OPL短語 136
14.2.4 特定型號的空標簽 137
14.3 結構關係作為狀態保持過程 137
小結 138
習題 139
第15章 參與約束和分支 140
15.1 結構和過程參與約束 140
15.2 結構參與約束 140
15.2.1 參數化結構參與約束 141
15.2.2 範圍參與約束 141
15.3 速記符和保留字 142
15.4 基數 143
15.4.1 四種常見的基數類 143
15.4.2 16種基數類 144
15.5 過程參與約束 144
15.5.1 參數化過程參與約束 145
15.5.2 支持對象和變換參與約束 145
15.6 結構關係的分配律 146
15.7 分支、柄和齒 147
15.8 齒事物集 149
15.8.1 分支度 149
15.8.2 分支完備性 150
15.8.3 分支有序性 151
15.8.4 齒事物集排序規則 152
小結 152
習題 153
第16章 基本結構關係 154
16.1 關係符號和參與者 154
16.2 關係命名和OPL語句 155
16.3 結構層次、傳遞性和用戶自定義符號 155
小結 156
習題 156
第三部分 結構和行為
第17章 組成關係 157
17.1 基本概念 157
17.1.1 完形理論 158
17.1.2 整體論和湧現 158
17.1.3 分解的深度 158
17.1.4 用“consists of”(由……組成)而不是“has a”(有) 158
17.2 組成關係作為分支 159
17.3 語義Web實例 160
17.4 組成關係命名 161
17.5 UML和SysML中強組成關係與弱組成關係 162
17.6 錶示部分的順序 163
17.7 組成關係和帶標簽的結構關係 164
17.8 非完備的組成關係 165
17.9 參數化的部分約束――微語言 167
小結 169
習題 169
第18章 錶徵關係 171
18.1 事物和特徵 171
18.2 屬性和操作:兩類特徵 172
18.3 UML/SysML和OPM中特徵的對比 173
18.4 OPM事物和特徵命名的唯一性 174
18.5 四類錶徵關係 175
18.5.1 對象-屬性組閤 175
18.5.2 對象-操作組閤 176
18.5.3 過程-屬性組閤 176
18.5.4 過程-操作組閤 177
18.6 基本的結構層次 178
18.7 屬性命名問題 179
18.8 特徵和鏈接的屬性 180
18.8.1 顯式度 180
18.8.2 模式 180
18.8.3 模糊度――定量屬性的屬性 181
18.8.4 湧現性 181
18.8.5 鏈接同質性屬性 181
小結 182
習題 182
第19章 狀態與取值 183
19.1 狀態定義 183
19.1.1 狀態示例 183
19.1.2 初始狀態、終止狀態和默認狀態 183
19.2 狀態隱藏和顯示 184
19.3 取值:狀態的數值化 185
19.4 狀態轉移:當過程起作用 186
19.5 路徑標簽和觸發器 188
19.6 大腦“自組織臨界”模型 190
19.7 特定狀態的結構鏈接定義 191
19.8 復閤狀態與狀態空間 194
19.8.1 OPL中的多重條件分句 195
19.8.2 使用過程確定復閤狀態 195
小結 196
習題 196
第20章 繼承關係與實例關係 197
20.1 繼承與實例化:簡介 197
20.2 繼承 199
20.2.1 從候選特殊事物創建一般事物 200
20.2.2 特徵的繼承 200
20.2.3 結構關係的繼承 201
20.2.4 狀態和鏈接繼承 201
20.3 通過辨彆屬性來特殊化 202
20.4 特定狀態的錶徵鏈接 203
20.5 類型-實例 204
20.5.1 類型與實例 204
20.5.2 實例化與特殊化 205
20.6 實例的相對性 205
20.7 約束屬性值 206
20.8 過程實例 207
小結 208
習題 209
第21章 復雜性管理――細化與抽象 210
21.1 復雜性管理的需求 210
21.2 模型復雜度聲明 211
21.3 基於側麵與基於細節分解 211
21.4 完備性和簡明性的權衡 212
21.5 狀態顯示和狀態隱藏 213
21.6 展開和摺疊 214
21.7 圖內展開和新圖展開 215
21.8 端口摺疊 215
21.9 放大和縮小 216
21.9.1 圖內放大和新圖放大 217
21.9.2 對象的放大和縮小 217
21.10 同步和異步過程細分 218
21.11 放大和展開的對等 219
21.12 係統框圖和最終對象過程圖 220
21.13 OPD對象樹和對象林 222
21.14 縮小 223
21.15 簡化一個OPD 224
21.16 考慮過程鏈接優先級的抽象 226
21.16.1 變換鏈接間的優先級 226
21.16.2 變換鏈接和支持鏈接間的優先級 227
21.16.3 同類非控製鏈接和控製鏈接之間的優先級 227
21.16.4 過程鏈接優先級的總結 228
21.17 放大時的鏈接遷移 228
21.18 視圖創建:第四類細分機製 228
21.19 自中間嚮兩頭作為架構設計的常見做法 229
21.19.1 OPM能夠滿足方法混閤使用的需要 229
21.19.2 何時需要創建一個新的OPD 229
21.20 OPM係統模型中的導航 230
21.20.1 OPM圖的標號和樹邊的標號 230
21.20.2 整體係統的OPL規範 230
小結 231
習題 232
第22章 OPM操作語義和控製鏈接 234
22.1 事件―條件―動作控製機製 234
22.2 前置條件、過程前置對象集和後置對象集 235
22.3 控製鏈接的種類 235
22.4 事件鏈接 235
22.4.1 通過事件鏈接激活非首子過程 236
22.4.2 支持事件鏈接和變換事件鏈接 236
22.4.3 特定狀態的支持和變換事件鏈接 237
22.4.4 激活鏈接 238
22.5 條件鏈接 239
22.5.1 跳過語義優先於等待語義 239
22.5.2 條件變換鏈接 240
22.5.3 條件支持鏈接 241
22.5.4 特定狀態的條件變換鏈接 241
22.5.5 特定狀態的條件支持鏈接 242
22.6 異常鏈接 243
22.6.1 過程的持續時間及其分布 243
22.6.2 超時異常鏈接 244
22.6.3 欠時異常鏈接 244
22.7 變換率 246
22.8 基於OPM的運算 246
22.9 集閤和反復 248
22.10 放大過程語境中的操作語義 248
22.10.2 隱性平行激活鏈接集 250
22.10.3 跨過程語境的鏈接分配率 251
22.10.4 分離的特定狀態的鏈接對 253
22.11 相關對象集實例變換 254
22.12 UML的對象約束語言 254
小結 255
習題 256
第23章 邏輯算子與概率 257
23.1 邏輯“與”的過程鏈接 257
23.2 邏輯“非” 258
23.3 邏輯“異或”與“或”鏈接符 259
23.3.1 邏輯“異或”運算符 260
23.3.2 邏輯“或”運算符 260
23.4 分散和匯聚“異或”和“或”鏈接 261
23.5 “異或”組閤和“或”組閤 264
23.5.1 組閤型“異或” 264
23.5.2 組閤“或” 265
23.6 邏輯“異或”與“或”:特定狀態的鏈接扇形 265
23.6.1 控製修飾鏈接扇形 266
23.6.2 特定狀態的控製修飾鏈接扇形 266
23.7 多控製鏈接的“或”語義 267
23.8 鏈接概率和概率鏈接扇形 268
小結 270
習題 271
第24章 ISO 19450標準概述 272
24.1 The ISO 19450 介紹 272
24.2 ISO 19450術語、定義和符號 273
24.3 OPM原理和概念 274
24.4 ISO 19450的4個附件 276
24.4.1 附錄A“規範:基於EBNF形式的OPL規範語法” 276
24.4.2 附錄B“提示:OPM指南” 277
24.4.3 附錄C“提示:運用OPM的OPM建模” 277
24.4.4 附錄D“信息:OPM的動態性和仿真性” 279
附:OPM原理一覽 280
參考文獻 282
前言/序言
體係工程與裝備論證係列叢書
總 序
1990年,我國著名科學傢和係統工程創始人錢學森先生發錶瞭《一個科學新領域——開放的復雜巨係統及其方法論》一文。他認為,復雜係統組分數量眾多,使得係統的整體行為相對於簡單係統來說可能湧現齣顯著不同的性質。如果係統的組分種類繁多,並具有層次結構,它們之間的關聯方式又很復雜,就構成瞭復雜巨係統;如果復雜巨係統再與環境進行物質、能量、信息的交換,接受環境的輸入、乾擾並嚮環境提供輸齣,而且還具有主動適應和演化的能力,就要把它作為開放復雜巨係統對待瞭。在研究解決開放復雜巨係統問題時,錢學森先生提齣瞭從定性到定量的綜閤集成方法,這是係統工程思想的重大發展,也可以看作對體係問題的先期探討。
從係統研究到體係研究涉及很多問題,其中有三個問題應該首先予以迴答:一是體係和係統的區彆,二是平颱化發展和體係化發展的區彆,三是係統工程與體係工程的區彆。下麵,我引用國內兩位學者的研究成果討論前兩個問題的看法,然後再談談我自己對第三個問題的看法。
(1)關於係統和體係的區彆。有學者認為,體係是由係統組成的,係統是由組元組成的。不是任何係統都是體係,但是隻要由兩個組元構成且相互之間具有聯係就是係統。係統的內涵包括組元、結構、運行、功能、環境,體係的內涵包括目標、能力、標準、服務、數據、信息等。係統最核心的要素是結構,體係最核心的要素是能力。係統的分析從功能開始,體係的分析從目標開始。係統分析的錶現形式是多要素分析,體係分析的錶現形式是不同角度的視圖。對係統發展影響最大的是環境,對體係形成影響最大的是目標要求。係統強調組元的緊密聯係,體係強調要素的鬆散聯係。
(2)關於平颱化發展和體係化發展的區彆。有學者認為,由於先進信息化技術的應用,現代作戰模式和戰場環境已經發生瞭根本性的轉變。受此影響,以美國為首的西方國傢在新一代裝備發展思路上也發生瞭根本性轉變,逐漸實現瞭裝備發展由平颱化嚮體係化的過渡。武器裝備體係化的重要性為眾人所知始於35年前的一場戰役。1982年6月的黎巴嫩戰爭中,以色列和敘利亞在貝卡榖地展開瞭激烈空戰,這次戰役的懸殊戰果對現代空戰戰法研究和空戰武器裝備發展有著多方麵的藉鑒意義,因為通過任何基於武器平颱分析的指標進行衡量,都無法解釋如此懸殊的戰果。以色列空軍各參戰裝備之間分工明確,形成瞭協調有效的進攻體係,是取勝的關鍵。自此以後,空戰武器裝備對抗由“平颱對平颱”嚮“體係對體係”進行轉變,為世界所周知。同時一種全新的武器裝備發展思路—“武器裝備體係化發展思路”逐漸浮齣水麵。這裏需要強調的是,武器裝備體係概念並非始於貝卡榖地空戰,當各種武器共同齣現在同一場戰爭中,執行不同的作戰任務,原始的武器裝備體係就已形成,但是這種武器裝備體係的形成是被動的;而武器裝備體係化發展思路應該是一種以武器裝備體係為研究對象和發展目標的武器裝備發展建設思路,是一種現代裝備體係建設的主動化發展思路。因此,武器裝備體係化發展思路是相對於一直以來武器裝備發展主要以裝備平颱更新為主的發展模式而言的。以空戰裝備為例,人們一般常說的三代戰鬥機、四代戰鬥機都是基於平颱化思路的發展和研究模式,是就單一裝備的技術水平和作戰性能進行評價的。可以說,傳統的武器裝備平颱化發展思路是針對某類型武器平颱,通過開發、應用各項新技術,研究製造新型同類産品以期各項性能指標超越過去同類産品的發展模式。而武器裝備體係化發展的思路則是通過對未來戰場環境和作戰任務的分析,並對現有武器裝備和相關領域新技術進行梳理,開創性地設計構建在未來一定時間內最易形成戰場優勢的作戰裝備體係,並通過對比現有武器裝備的優勢和缺陷確定要研發的武器裝備和技術。也就是說,其研究的目標不再是基於單一裝備更新,而是基於作戰任務判斷和戰法研究的裝備體係構建與更新,是將武器裝備發展與戰法研究充分融閤的全新的裝備發展思路,這也是美軍近三十多年裝備發展的主要思路。
(3)關於係統工程和體係工程的區彆。我認為,係統工程和體係工程之間存在著一種類似“一分為二、閤二為一”的關係,具體體現為分析與綜閤的關係。數學分析中的微分法(分析)和積分法(綜閤),二者對立統一的關係是牛頓-萊布尼茲公式。它們構成數學分析中的主脈,解決瞭變量中的許多問題。係統工程中的“需求工程”(相當於數學分析中的微分法)和“體係工程”(相當於數學分析中的積分法),二者對立統一的關係就是錢學森的“從定性到定量綜閤集成研討方法”(相當於數學分析中的牛頓-萊布尼茲公式)。它們構成係統工程中的主脈,解決和正在解決著大量巨型復雜開放係統的問題。我們稱之為係統工程Calculus(微積分)。
總之,武器裝備體係是一類具有典型體係特徵的復雜係統,體係研究已經超齣傳統係統工程理論和方法的範疇,需要研究和發展體係工程,用以指導體係條件下的武器裝備論證。
在係統工程理論方法中,係統被看作具有集中控製、全局可見、有層級結構的整體,而體係是一種鬆耦閤的復雜大係統,已經脫離瞭原來以緊密的層級結構為特徵的單一係統框架,錶現為一種顯著的網狀結構。近年來含有大量自主係統的無人作戰體係的齣現,使得體係架構的分布、開放特徵更加明顯,正在形成以即聯配係、敏捷指控、協同編成為特點的體係架構。以復雜適應網絡為理論特徵的體係,可以比單純遞階控製的層級化復雜大係統具有更豐富的功能配係、更復雜的相互關係、更廣闊的地理分布和更開放的邊界。以往的係統工程方法強調必須明確係統目標和係統邊界,但體係論證不再限於剛性的係統目標和邊界,而是強調裝備體係的能力演化,以及對未來作戰樣式的適應性。因此,體係條件下裝備論證關注的焦點,在於作戰體係架構對體係作戰對抗過程和效能的影響,在於武器裝備係統對整個作戰體係的影響和貢獻率。
迴顧40年前,錢學森先生在國內大力倡導和積極踐行復雜係統研究,並在國防科學技術大學親自指導和創建瞭係統工程與數學係,開辦瞭飛行器係統工程和信息係統工程兩個本科專業。麵對當前我軍武器裝備體係發展和建設中的重大軍事需求,由國防科學技術大學王維平教授擔任主編,集結國內在武器裝備體係分析、設計、試驗和評估等方麵具有理論創新和實踐經驗的部分專傢學者,編寫齣版瞭“體係工程與裝備論證係列叢書”。該叢書以復雜係統理論和體係思想為指導,緊密結閤武器裝備論證和體係工程的實踐活動,積極探索研究適閤國情、軍情的武器裝備論證和體係工程方法,為武器裝備體係論證、設計和評估提供理論方法和技術支撐,具有重要的理論價值和實踐意義。我相信,該叢書的齣版將為推動我軍體係工程研究、提高我軍體係條件下的武器裝備論證水平做齣重要貢獻。
2017年5月
湖南長沙
譯 者 序
大約十年前,MBSE方法剛剛興起時,王維平教授就注意到瞭一種方法OPM——對象過程法,並將其介紹到我們團隊。當時,我就感覺這是一個好方法,但是苦於當時沒有找到建模工具,也就沒有深入研究和實際應用。
2011年,我去美國密蘇裏科技大學Cihan Dagli教授那裏訪學,發現他們的團隊正在運用OPM方法進行智能係統架構設計研究,其研究成果獲得瞭國際係統工程委員會(INCOSE)的高度好評。這時,我纔開始對其投入精力,開展深入研究。目前,我們團隊已經在這個領域,發錶瞭一篇博士論文和三篇碩士論文,相關工作已經在軍隊組織架構設計、聯閤作戰模擬係統概念建模等領域進行瞭具體實踐,得到瞭軍方高層的認可。
2016年1月,當我作為IEEE MBSE委員會委員接受MBSE委員會主席Dov Dori(多裏?多夫)教授邀請,參加美國舉行的ASSESS(Analysis, Simulation and System Engineering Software Strategy Congress)創始大會時,第一次與Dov Dori教授見麵。我對Dori笑稱我是OPM理論在中國的“布道者”,我還告訴他OPM理論中的對象、過程二分理念,與東方文化裏的陰陽二分既對立統一的概念,有很強的相似性,更容易為東方人所接收。我嚮他建議說,目前美國國防部體係結構框架DODAF中提到的係統建模方法,主要介紹瞭結構化方法和麵嚮對象法,OPM應該成為第三代方法,我們已經在這一方麵開展瞭一些初步研究。Dori教授非常贊同我的觀點,在大會上恰好有美國國防部的官員參加,該官員在做大會報告時,Dori教授也站起來發言,錶達瞭這樣的思路。同時,他提到正準備齣版一本書Model Based Systems Engineering, with OPM and SysML,問我有沒有興趣翻譯,我錶示對這本感興趣,這就是這本譯著的緣起。
本書翻譯分工如下:楊峰負責統一基本術語的翻譯方式,王文廣負責組織第一部分翻譯(其中,周文璐翻譯第1、2、3章,李紫漠翻譯第4、5、6章,王文廣翻譯第7、8章),王濤負責組織第二部分翻譯(其中,王濤翻譯第9、10、11、16章,方斌強翻譯第12、14章,湯旭棟參與第13章翻譯,何華翻譯第15章),李誌飛負責組織第三部分翻譯(其中,李誌飛翻譯第17、18章,黃其旺翻譯第19、20章,石澤森翻譯第21、22章,鄭展翻譯第23、24章),最後由楊峰教授統稿。此外,董倩和紀夢琪為第二部分和第三部分中的圖例部分外文進行瞭翻譯,在此一並錶示感謝。
譯 者
2017年8月1日
原 著 序 言
在復雜世界中對簡單性的追求已經縈繞著各類思想傢近韆年瞭。如何將人類對外在世界的觀察結果和為瞭改進人類生活而希望進行的設計結果進行概念化錶達,成為推進人類文明進步的一個重要驅動力。20世紀中葉計算機的齣現,進一步推動瞭人類設法對現實事物進行概念化描述。一開始大傢普遍接受的思路是麵嚮過程的編程,這時人們將程序、例程和函數置於編程的核心。後來,人們提齣將對象——本質上更加靜態——作為軟件程序係統的核心,編程語言嚮麵嚮對象範式的轉移,這些發生在20世紀80年代和90年代。在此之後,人們又認識到在進行編程之
《基於模型的係統工程——綜閤運用OPM和SysML》 內容簡介 在當今復雜多變的工程領域,係統設計的挑戰日益嚴峻。隨著技術的飛速發展和係統功能的不斷擴展,傳統的文本描述和二維圖紙已難以有效應對。為瞭構建更健壯、可靠且易於維護的復雜係統,基於模型的係統工程(MBSE)應運而生,成為指導係統開發和管理的核心方法論。本書《基於模型的係統工程——綜閤運用OPM和SysML》深入探討瞭MBSE的精髓,並著重闡述瞭如何融閤麵嚮過程建模語言(OPM)和係統建模語言(SysML)這兩種強大的建模工具,以期為讀者提供一套全麵、高效且實用的係統工程解決方案。 本書並非僅僅介紹兩種建模語言的語法和工具使用,而是將目光聚焦於如何將這兩種方法有機結閤,構建一個統一、一緻且信息豐富的係統模型。我們將從係統工程的根本齣發,追溯其發展曆程,理解MBSE的齣現背景及其核心理念。在此基礎上,本書將係統地梳理OPM和SysML各自的特點、優勢以及在係統開發生命周期中的應用場景。隨後,我們將深入探討這兩種建模語言在實際工程項目中的集成策略,包括如何利用OPM的麵嚮過程的全局視角來定義係統需求和功能,再通過SysML的麵嚮對象和結構化方法來細化係統架構和設計。 第一部分:係統工程的基石與MBSE的崛起 本部分將為讀者奠定堅實的理論基礎。首先,我們將迴顧傳統係統工程的演進,剖析其在應對復雜係統時所遇到的局限性,例如信息孤島、溝通障礙、需求蔓延以及集成睏難等。在此基礎上,本書將清晰地闡述MBSE的核心價值,強調其如何通過建立統一的係統模型來提升整個工程過程的透明度、可追溯性、一緻性和可重用性。我們將深入解析MBSE的關鍵原則,例如模型驅動開發、需求管理、架構設計、驗證與確認等,並探討MBSE在不同行業領域的應用潛力。 第二部分:麵嚮過程建模語言(OPM)的深刻洞察 OPM以其獨特的麵嚮過程的視角,為係統功能的描述提供瞭直觀且強大的錶達能力。本部分將深入剖析OPM的核心概念,包括過程、對象、函數、狀態、觸發器等。我們將詳細講解OPM如何通過圖形化的符號和嚴格的語義來定義係統的行為邏輯,特彆是其對因果關係和流程的精確刻畫。讀者將學習到如何使用OPM來捕捉和錶達係統的動態特性,以及如何通過OPM模型進行係統功能的分析和驗證。本書將通過豐富的案例,展示OPM在需求建模、功能分析、行為仿真等方麵的實際應用,幫助讀者理解OPM在係統早期階段的關鍵作用。 第三部分:係統建模語言(SysML)的結構化藍圖 SysML作為一種通用的係統建模語言,為係統的靜態結構和動態行為提供瞭全麵的錶達能力。本部分將詳細介紹SysML的九種圖類型,包括用例圖、需求圖、類圖、序列圖、狀態機圖、活動圖、包圖、分配圖和約束參數圖。我們將深入講解每種圖的用途、構成元素及其相互之間的關係。讀者將學習到如何使用SysML來構建係統的需求模型、結構模型、行為模型和參數模型,從而形成一個完整的係統架構描述。本書將重點闡述SysML如何支持係統設計的迭代和演進,以及如何通過SysML模型進行係統集成和驗證。 第四部分:OPM與SysML的融閤之道——構築統一模型 本部分是本書的核心,也是最具創新性的部分。我們將係統地探討OPM和SysML的互補性和協同效應。 OPML在描述係統的“是什麼”(What)和“為什麼”(Why)方麵具有天然優勢,而SysML則在描述係統的“如何”(How)方麵更為強大。本書將提齣具體的融閤策略,例如: 需求層麵的整閤: 如何利用OPM清晰定義係統的功能需求和用戶場景,然後將這些需求映射到SysML的需求圖中,確保需求的完整性和可追溯性。 功能與架構的對接: 如何將OPM定義的係統過程和功能轉化為SysML的活動圖和序列圖,並與SysML的結構模型(如類圖、包圖)進行關聯,實現功能與架構的無縫對接。 行為建模的互補: 如何利用OPM描述關鍵的全局行為和因果邏輯,再通過SysML的狀態機圖和活動圖對具體組件的行為進行細化和約束。 模型一緻性與可追溯性: 探討如何建立OPM和SysML模型之間的鏈接,確保信息在不同視圖之間的傳遞和更新,從而實現模型的一緻性和全程可追溯性。 工具鏈的協同: 介紹如何選擇和利用支持OPM和SysML建模的工具,以及如何實現不同工具之間的數據交換和集成,構建高效的MBSE開發環境。 通過詳細的案例分析和實踐指導,讀者將掌握如何構建一個集OPM和SysML優勢於一體的統一係統模型,從而更有效地管理復雜係統的開發過程。 第五部分:基於OPM和SysML的MBSE實踐 本部分將聚焦於將理論知識轉化為實際應用。我們將深入探討在真實工程項目中使用OPM和SysML進行MBSE的實踐經驗。這包括: 項目啓動與需求獲取: 如何利用OPM進行初步的需求分析和概念建模,為後續的SysML建模奠定基礎。 係統架構設計與詳細設計: 如何結閤OPM和SysML的特點,進行係統架構的構建、組件的定義以及接口的規範。 驗證與確認: 如何利用OPM的仿真能力和SysML的模型檢查功能,對係統設計進行早期驗證和確認,減少後期返工。 配置管理與變更控製: 探討如何在MBSE環境中實現模型版本管理和變更控製,確保係統的穩定性和演進性。 團隊協作與溝通: 分析OPM和SysML如何促進跨學科團隊之間的溝通與協作,提高整體工作效率。 案例研究: 通過不同行業(如航空航天、汽車、軟件開發等)的實際案例,展示OPM和SysML融閤在解決具體工程問題中的成功應用。 第六部分:麵嚮未來的MBSE發展趨勢 在本書的最後,我們將展望MBSE的未來發展趨勢,包括: AI在MBSE中的應用: 探討人工智能技術(如機器學習、自然語言處理)如何賦能MBSE,實現模型的自動化生成、分析和優化。 數字孿生與MBSE的結閤: 分析MBSE在構建和管理數字孿生中的作用,實現物理世界與數字世界的深度融閤。 集成開發環境的演進: 展望下一代MBSE工具鏈的發展方嚮,更加注重互操作性、智能化和用戶體驗。 MBSE在敏捷開發中的應用: 探討如何將MBSE與敏捷開發方法相結閤,提升復雜係統的敏捷開發能力。 本書目標讀者 本書麵嚮所有緻力於提升係統工程能力、掌握先進建模技術的工程師、項目經理、係統架構師、領域專傢以及相關專業的研究生。無論您是剛剛接觸MBSE,還是希望深化對OPM和SysML的理解和應用,本書都將為您提供寶貴的知識和指導。 通過閱讀本書,您將能夠: 深刻理解MBSE的核心價值和方法論。 熟練掌握OPM和SysML各自的建模能力。 掌握OPM與SysML融閤的策略和實踐技巧。 構建統一、一緻且可追溯的係統模型。 有效提升復雜係統的設計、開發和管理效率。 為應對未來工程挑戰做好充分準備。 《基於模型的係統工程——綜閤運用OPM和SysML》旨在成為您在復雜係統工程領域徵程中的得力助手,引領您走嚮更高效、更可靠的係統開發之路。