基于模型的系统工程——综合运用OPM和SysML

内容简介

本书内容分三大部分共24章：*部分"事故自动响应”，通过逐步建立"汽车碰撞响应系统”模型，引出建模原则和建模方法，进而对对象过程方法论（以下简称OPM）和系统建模语言（以下简称SysML）做了简单介绍。第二部分"OPM与SysML基础”，对OPM和SysML从本体、概念建模及应用等方面进行理论上的探索分析。第三部分"结构和行为”，对系统模型的结构与行为进行深入研究，是概念建模的核心。 本书的一大特色是提供大量的案例和免费的软件工具，可以让读者亲自动手进行实战练习。同时，每章后的习题也为读者动手实践提供了很好的题材。

作者简介

多夫·多里（Dov Dori）教授，就职于以色列理工学院工程工业与管理系&企业系统建模实验室，同时是麻省理工学院信息与系统工程系客座教授。（1）研究领域：基于模型的系统工程，复杂系统概念建模，系统工程概念建模，系统架构设计，软件工程，系统生物学。（2）突出著作：《新ISO19450标准：对象过程方法论（OPM）》对象过程方法论（简称OPM）是一种实现简约表达的方法或者语言，是对建模和自动化系统知识体现的方法论。从基本部件简单组装到复杂多学科动态系统，OPM都有应用，且主要适用于依靠信息工具或者计算机技术实现或者支持的领域。（3）成就地位：9个国际会议或研讨会主席IAPR模式分析和机器智能学报 副主编系统工程副主编 IAPR国际模式识别协会 研究员INCOSE系统工程国际委员会 研究员ΩΑ国际系统工程荣誉协会会员IEEE电气电子工程师学会高级会员IEEE MBSE技术委员会 主席ACM计算机协会高级会员杨峰，国防科学技术大学信息系统与管理学院教授，科研方向：体系工程与体系仿真，重点研究复杂系统/体系架构建模、计算实验、仿真评估、知识挖掘、认知演化计算等理论方法；

目录

第一部分 基于模型的系统工程入门
第1章 开始建模 1
1.1 事故自动响应系统 2
1.2 OPM功能作为种子原理 2
1.3 识别系统功能 3
1.4 识别系统受益者 3
1.5 过程变换对象 4
小结 4
习题 5
第2章 文本描述和仿真推演 6
2.1 OPL——英语的一个子集 6
2.2 状态和推演 7
2.2.1 过程对对象的影响 7
2.2.2 从隐式影响到显式状态变化 8
2.2.3 状态命名 8
2.3 OPM模型的仿真推演 9
小结 9
习题 10
第3章 用链接联系事物 11
3.1 过程链接与结构链接 11
3.2 添加支持对象 11
3.2.1 添加主体和主体链接 12
3.2.2 添加手段和手段链接 12
3.3 添加结构链接 13
3.4 物理事物与信息事物 14
3.5 模型的事实和OPL段落 14
3.6 环境事物与系统事物 15
3.7 初始状态和终止状态 16
3.8 触发状态和事件链接 17
小结 17
习题 18

第4章 SysML——用例图、模块图、状态机图 19
4.1 SysML用例图 19
4.2 SysML模块和模块图 21
4.3 SysML状态机图 22
小结 23
习题 24
第5章 通过放大进行细化 25
5.1 测量事故严重程度 25
5.2 放大：在一个新OPD图中细化一个过程 25
5.3 OPD对象过程图树 26
5.4 OPM模型事实表示原理 27
5.5 事故严重程度属性及其测量 27
5.6 系统模拟：推演测试 28
小结 29
习题 29
第6章 系统的动态行为 30
6.1 在轻度毁伤时退出 30
6.2 消息创建和发送 31
6.3 过程执行顺序：OPM时间轴原理 31
6.4 救援来了 32
6.5 当前设计的执行线程 33
小结 33
习题 34
第7章 控制系统的行为 35
7.1 布尔对象作为分支条件 35
7.2 条件链接与手段链接 36
7.3 继承关系 37
7.4 放大到事故严重程度测量 38
7.5 参与约束 39
7.6 逻辑运算符：OR与XOR 39
7.7 事故严重程度测量过程的细化 39
7.8 事物的范围：信号作为临时对象 39
7.9 诊断如何完成 40
小结 41
习题 41
第8章 抽象和细化 43
8.1 放大——在新图中细化过程 43
8.2 放大后的消息处理过程 45
8.3 ACR系统结构视图 46
小结 47
习题 47

第二部分 OPM与SysML基础
第9章 概念建模——目的与背景 50
9.1 系统、模型和系统工程 50
9.1.1 科学与工程的异同点 50
9.1.2 概念建模和基于模型的系统工程 51
9.2 一种基础的系统工程OPM本体 51
9.2.1 何为对象存在和过程发生及一些启发性的Q＆A 52
9.2.2 对象-过程定理 53
9.2.3 对象-过程推论 53
9.2.4 对象-过程断言：OPM基础 53
9.2.5 为什么不止用一种事物？图形是否由节点和连接构成 54
9.2.6 OPM事物重要度原理 54
9.3 对象、状态、变换和过程的定义 55
9.4 系统及相关概念 55
9.4.1 默认的系统定义 57
9.4.2 参与者—利益相关方、受益者、客户、用户和供货商 58
9.4.3 系统资源：自然资源或人工资源 58
9.4.4 功能、结构和行为 59
9.4.5 结构—行为同步建模需求 59
9.4.6 系统架构 60
9.4.7 系统环境及事物联系 60
9.4.8 功能与行为 60
9.5 语言和建模 61
9.5.1 模型和建模 61
9.5.2 形式化模型与非形式化模型 61
9.5.3 复杂度管理 62
小结 62
习题 63
第10章 事物——对象与过程 64
10.1 面向对象与对象过程法 64
10.2 存在、事物和变换 64
10.2.1 对象细化 65
10.2.2 对象和人类记忆 65

10.3 对象标识 66
10.3.1 信息对象的标识 66
10.3.2 过程作为一个变换的隐喻 66
10.3.3 过程定义细化 66
10.3.4 变换对象的概念 67
10.3.5 因与果 67
10.4 语法和语义对比 68
10.4.1 对象和过程是否为名词和动词的语义类似物 68
10.4.2 语法语义对比分析句子 68
10.4.3 前置对象集 69
10.4.3 后置对象集 70
10.4.4 相关对象集 71
10.5 OPM过程链接独特性原理 71
10.6 过程的判定 74
10.6.1 变换对象标准 74
10.6.2 时变特性标准 74
10.6.3 动词关联标准 75
10.6.4 OPM模型的过程测试系统 75
10.7 OPM元素命名 75
10.7.1 首字母大写、加粗、短语和命名 76
10.7.2 OPM命名独特性原理 76
10.7.3 过程命名 77
10.8 事物的定义 77
10.9 OPM事物的性质 78
10.10 事物的临界情况 79
10.10.1 保持状态的过程 80
10.10.2 如何利用结构链接对状态保持过程建模 80
10.10.3 瞬态对象及其替代——激活链接 81
10.11 运算符、运算对象和变换 81
小结 82
习题 83
第11章 对象过程语言——文本描述 84
11.1 OPL——文本描述 84
11.2 OPL的两个目的 84
11.2.1 面向人类的OPL 84
11.2.2 面向机器的OPL 85
11.3 OPM图、文等价原理 85
11.4 OPM模型结构的元模型 85
11.5 OPL的保留短语和非保留短语 87
11.6 OPM双模式描述的动机 88
11.6.1 双通道假设 88
11.6.2 双模式描述的好处 89
11.6.3 吸引客户——社会方面 89
11.6.4 消除需求、设计之间的鸿沟 90
11.7 世界语——人类可读的自动生成的文本 90
小结 90
习题 91
第12章 SysML——基础和视图 92
12.1 UML——统一建模语言 92
12.2 SysML的支柱 93
12.3 需求视图 94
12.4 模块和结构 94
12.5 活动图 95
12.5.1 活动中动作的展开 95
12.5.2 接收、发送和时间事件行动节点 97
12.6 序列图 97
12.7 需求图 99
12.8 参数图和约束属性块 101
12.9 SysML与OPM比较 103
12.9.1 过程作为“一等公民” 104
12.9.2 物理事物和信息事物 104
12.9.3 模型视图多样性与模型视图统一性 104
12.9.4 图形描述与图文结合描述 104
12.9.5 活动图与对象过程图 105
12.9.6 活动图中的控制流与对象过程图 106
12.9.7 需求图与OPM的需求描述 106
12.10 SysML与OPM的综合运用 107
小结 108
习题 108
第13章 系统动态特性 109
13.1 变换和影响 109
13.2 存在与变换 109
13.2.1 创建与消耗：对象状态变换的情况 109
13.2.2 状态变化还是特性变化 111
13.2.3 生物的变换 111
13.2.4 人工对象的变换 112
13.3 过程链接 113
13.3.1 变换与相应的过程链接 113
13.3.2 变换对象 113
13.4 变换链接 114
13.4.1 消耗和结果生成的时间 115
13.4.2 影响链接的演变 115
13.5 支持链接 116
13.5.1 主体——人类支持对象 116
13.5.2 手段——非人类支持对象 117
13.5.3 支持链接：主体和手段链接 117
13.5.4 支持对象与影响对象 118
13.6 前置和后置对象集 119
13.7 特定状态的过程链接 120
13.8 特定状态的支持链接 120
13.9 特定状态的变换链接 122
13.10 特定状态的影响链接 123
小结 126
习题 128
第14章 系统结构特性 130
14.1 结构关系 130
14.1.1 关注二元关系 130
14.1.2 正向和反向结构关系 131
14.1.3 结构链接与结构关系 132
14.1.4 结构标签和带标签的结构链接 132
14.1.5 带标签的双向结构链接 133
14.2 结构关系的对称性和传递性 134
14.2.1 结构关系的对称性 134
14.2.2 结构关系的传递性 135
14.2.3 空标签、空结构链接及其默认OPL短语 136
14.2.4 特定型号的空标签 137
14.3 结构关系作为状态保持过程 137
小结 138
习题 139
第15章 参与约束和分支 140
15.1 结构和过程参与约束 140
15.2 结构参与约束 140
15.2.1 参数化结构参与约束 141
15.2.2 范围参与约束 141
15.3 速记符和保留字 142
15.4 基数 143
15.4.1 四种常见的基数类 143
15.4.2 16种基数类 144
15.5 过程参与约束 144
15.5.1 参数化过程参与约束 145
15.5.2 支持对象和变换参与约束 145
15.6 结构关系的分配律 146
15.7 分支、柄和齿 147
15.8 齿事物集 149
15.8.1 分支度 149
15.8.2 分支完备性 150
15.8.3 分支有序性 151
15.8.4 齿事物集排序规则 152
小结 152
习题 153
第16章 基本结构关系 154
16.1 关系符号和参与者 154
16.2 关系命名和OPL语句 155
16.3 结构层次、传递性和用户自定义符号 155
小结 156
习题 156

第三部分 结构和行为
第17章 组成关系 157
17.1 基本概念 157
17.1.1 完形理论 158
17.1.2 整体论和涌现 158
17.1.3 分解的深度 158
17.1.4 用“consists of”（由……组成）而不是“has a”（有） 158
17.2 组成关系作为分支 159
17.3 语义Web实例 160
17.4 组成关系命名 161
17.5 UML和SysML中强组成关系与弱组成关系 162
17.6 表示部分的顺序 163
17.7 组成关系和带标签的结构关系 164
17.8 非完备的组成关系 165
17.9 参数化的部分约束——微语言 167
小结 169
习题 169
第18章 表征关系 171
18.1 事物和特征 171
18.2 属性和操作：两类特征 172
18.3 UML/SysML和OPM中特征的对比 173
18.4 OPM事物和特征命名的性 174
18.5 四类表征关系 175
18.5.1 对象-属性组合 175
18.5.2 对象-操作组合 176
18.5.3 过程-属性组合 176
18.5.4 过程-操作组合 177
18.6 基本的结构层次 178
18.7 属性命名问题 179
18.8 特征和链接的属性 180
18.8.1 显式度 180
18.8.2 模式 180
18.8.3 模糊度——定量属性的属性 181
18.8.4 涌现性 181
18.8.5 链接同质性属性 181
小结 182
习题 182
第19章 状态与取值 183
19.1 状态定义 183
19.1.1 状态示例 183