基於模型的系統工程 — 綜合運用 OPM 和 SysML (Model-based systems engineering with OPM and SysML)

Dov Dori

就職於以色列理工學院工程工業與管理系&企業系統建模實驗室，同時是麻省理工學院信息與系統工程系客座教授。

（1）研究領域：基於模型的系統工程，複雜系統概念建模，系統工程概念建模，系統架構設計，軟件工程，系統生物學。

（2）突出著作：《新ISO19450標準：對象過程方法論（OPM）》對象過程方法論（簡稱OPM）是一種實現簡約表達的方法或者語言，是對建模和自動化系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系統，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系統工程副主編IAPR國際模式識別協會研究員INCOSE系統工程國際委員會研究員ΩΑ國際系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。
 

第一部分基於模型的系統工程入門

第1章開始建模1 
1.1事故自動響應系統2 
1.2 OPM功能作為種子原理2 
1.3識別系統功能3 
1.4識別系統受益者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章用鏈接聯繫事物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環境事物與系統事物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模型事實表示原理27 
5.5事故嚴重程度屬性及其測量27 
5.6系統模擬：推演測試28 
小結29 
習題29 

第6章系統的動態行為30 
6.1在輕度毀傷時退出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救援來了32 
6.5當前設計的執行線程33 
小結33 
習題34 

第7章控制系統的行為35 
7.1布爾對像作為分支條件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系統結構視圖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系統、模型和系統工程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系統工程51 
9.2一種基礎的系統工程OPM本體51 
9.2.1何為對象存在和過程發生及一些啟發性的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系統及相關概念55 
9.4.1默認的系統定義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系統資源：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系統架構60 
9.4.7系統環境及事物聯繫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複雜度管理62 
小結62 
習題63 

第10章事物——對象與過程64 
10.1面向對象與對象過程法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模型的過程測試系統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面向人類的OPL 84 
11.2.2面向機器的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——社會方面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圖形描述與圖文結合描述104 
12.9.5活動圖與對象過程圖105 
12.9.6活動圖中的控制流與對象過程圖106 
12.9.7需求圖與OPM的需求描述106 
12.10 SysML與OPM的綜合運用107 
小結108 
習題108 

第13章系統動態特性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章系統結構特性130 
14.1結構關係130 
14.1.1關註二元關係130 
14.1.2正向和反向結構關係131
14.1.3結構鏈接與結構關係132 
14.1.4結構標籤和帶標籤的結構鏈接132 
14.1.5帶標籤的雙向結構鏈接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空標籤、空結構鏈接及其默認OPL短語136 
14.2.4特定型號的空標籤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表示部分的順序163 
17.7組成關係和帶標籤的結構關係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章表徵關係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 
18.5四類表徵關係175 
18.5.1對象-屬性組合175 
18.5.2對象-操作組合176 
18.5.3過程-屬性組合176 
18.5.4過程-操作組合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路徑標籤和触發器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複合狀態與狀態空間194 
19.8.1 OPL中的多重條件分句195 
19.8.2使用過程確定複合狀態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通過辨別屬性來特殊化202 
20.4特定狀態的表徵鏈接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章複雜性管理——細化與抽象210 
21.1複雜性管理的需求210 
21.2模型複雜度聲明211 
21.3基於側面與基於細節分解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展開和折疊214
21.7圖內展開和新圖展開215 
21.8端口折疊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系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同類非控制鏈接和控制鏈接之間的優先級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：第四類細分機制228 
21.19自中間向兩頭作為架構設計的常見做法229 
21.19.1 OPM能夠滿足方法混合使用的需要229 
21.19.2何時需要創建一個新的OPD 229 
21.20 OPM系統模型中的導航230 
21.20 .1 OPM圖的標號和樹邊的標號230 
21.20.2整體系統的OPL規範230 
小結231 
習題232

第22章OPM操作語義和控制鏈接234 
22.1事件—條件—動作控制機制234 
22.2前置條件、過程前置對象集和後置對象集235 
22.3控制鏈接的種類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佈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集合和反复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”組合和“或”組合264 
23.5.1組合型“異或” 264 
23.5.2組合“或” 265 
23.6邏輯“異或”與“或”：特定狀態的鏈接扇形265 
23.6.1控制修飾鏈接扇形266 
23.6.2特定狀態的控制修飾鏈接扇形266 
23.7多控制鏈接的“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