基于SysML的模型驅(qū)動(dòng)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的信息集成框架研究

劉玉生 袁文強(qiáng) 樊紅日 曹 悅

浙江大學(xué)CAD＆CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310027

0 引言

由于復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)涉及機(jī)械、電子、控制等多個(gè)領(lǐng)域，因此具有高度復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和不確定性等諸多特點(diǎn)［1］。在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)時(shí)往往是先設(shè)計(jì)好其機(jī)械部分，然后再設(shè)計(jì)其電子與控制等其他部分，其間設(shè)計(jì)遵循端到端的集成方式，在各個(gè)子系統(tǒng)均設(shè)計(jì)好后進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的總裝成［2］。這種設(shè)計(jì)方法至少存在著以下幾個(gè)問(wèn)題：①由于在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期，缺乏在其系統(tǒng)層面進(jìn)行整體全局的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因而原本功能良好的各個(gè)子系統(tǒng)間很可能產(chǎn)生沖突，致使整個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品機(jī)電系統(tǒng)功能失效，更為嚴(yán)重的后果是，此類設(shè)計(jì)缺陷無(wú)法通過(guò)后期的詳細(xì)設(shè)計(jì)或加工來(lái)彌補(bǔ)；②各個(gè)子系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，缺乏考慮子系統(tǒng)間的功能交疊與相互依賴的特點(diǎn)，只考慮了其領(lǐng)域內(nèi)本身參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，而不同子系統(tǒng)（如機(jī)械、控制、電子系統(tǒng)）參數(shù)間的相互影響關(guān)系很難在優(yōu)化設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)；③由于很難對(duì)多域進(jìn)行統(tǒng)一建模，且多域協(xié)同仿真建模具有過(guò)程復(fù)雜和難以通用的特點(diǎn)，仿真分析只有在各個(gè)單物理域（如機(jī)械、控制、電子域）中進(jìn)行，且通常是在復(fù)雜產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，很難在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行應(yīng)用。因此，傳統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足市場(chǎng)的需要［3－5］。

造成上述問(wèn)題的關(guān)鍵原因之一是缺乏多物理域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)不同層次的設(shè)計(jì)信息及仿真分析信息集成的方法與工具。具體問(wèn)題主要有：如何統(tǒng)一地表征多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的系統(tǒng)層設(shè)計(jì)信息；如何建立多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計(jì)模型與仿真模型間的信息動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)與集成；如何建立多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)層與具體工具層間信息的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)；如何建立多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品具體不同的工具層模型之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。

受軟件工程及其統(tǒng)一建模語(yǔ)言（unified mod－eling language，UML）的巨大影響［6］，國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)和面向?qū)ο蠊芾斫M織于2006年提出了一種全新的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語(yǔ)言SysML［7］，以支持基于模型的系統(tǒng)工程（或稱為模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)）。目前已有研究人員將其用于復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)中［8－9］，在SysML中重建了幾乎所有的Modelica建模功能，然而，其映射只是在SysML表示的Modelica分析建模功能與其他仿真平臺(tái)的Modelica建模功能間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行，且設(shè)計(jì)者只能使用該擴(kuò)展的分析建模工具進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。筆者所在課題組也已開(kāi)始了相關(guān)研究，基于SysML探索了系統(tǒng)行為的建模方法、基于元模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析集成等，但均還不完善［10－12］。

基于SysML，本文提出一種支持模型驅(qū)動(dòng)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的信息集成框架與方法。一方面，建立包括產(chǎn)品系統(tǒng)層的設(shè)計(jì)信息與仿真信息，具體不同工具層的關(guān)鍵信息，如關(guān)鍵的特征幾何信息與尺寸約束信息、控制參數(shù)信息等的集成信息建模；另一方面，以典型的系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真信息集成為例，探索上述信息集成與動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)方法，以期解決上文提到的多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)存在的信息集成問(wèn)題。

1 基于SysML的多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品多層次系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真集成的信息框架

1.1 SysML的復(fù)雜系統(tǒng)建模功能

如前所述，SysML是在UML建模語(yǔ)言的基礎(chǔ)上面向復(fù)雜系統(tǒng)建模的擴(kuò)展。它是一種圖形化可視建模語(yǔ)言，其建模過(guò)程由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過(guò)圖形（Diagram）交互實(shí)現(xiàn)。相比于基于文檔的系統(tǒng)工程中主要以文本的形式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，基于模型的系統(tǒng)工程基于SysML建模語(yǔ)言，旨在從一開(kāi)始就以模型的形式對(duì)包含人員、硬件、軟件、過(guò)程、控制等在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行二義性的說(shuō)明、分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與確認(rèn)等，且獨(dú)立于具體的方法與工具。這樣做的好處是從一開(kāi)始就在設(shè)計(jì)人員、客戶等各相關(guān)人員間建立清晰、無(wú)二義性的交流平臺(tái)，消除理解歧義，同時(shí)還能支持將仿真分析引入至復(fù)雜產(chǎn)品早期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中來(lái)。

在繼承UML圖形表示的基礎(chǔ)上，SysML包含的基本建模圖形及其關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，通過(guò)SysML的多種圖形可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、行為、需求與屬性約束關(guān)系的建模。其中結(jié)構(gòu)模型側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)的層次以及系統(tǒng)間不同對(duì)象的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系建模；行為模型主要針對(duì)基于功能的和基于狀態(tài)的行為進(jìn)行建模；需求模型強(qiáng)調(diào)用戶需求的層次關(guān)系、需求間的追溯關(guān)系及設(shè)計(jì)對(duì)需求的滿足情況等；參數(shù)模型主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部部件間的約束關(guān)系。在具體的實(shí)現(xiàn)層次上，SysML語(yǔ)義通過(guò)元模型（Metamodel）來(lái)定義與實(shí)現(xiàn)。SysML的一個(gè)重要特點(diǎn)是：它具有極強(qiáng)的擴(kuò)展能力，通過(guò)其擴(kuò)展機(jī)制Stereotype，用戶可以自定義其需要的功能。

圖1 SysML所有圖形的層次結(jié)構(gòu)

1.2 多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品多層次系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真集成的信息集成框架

復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)涉及多學(xué)科領(lǐng)域和眾多的參與人員，同時(shí)為保證極其復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在最短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)盡量達(dá)到性能最優(yōu)，應(yīng)盡可能地在產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段即引入仿真分析，以幫助設(shè)計(jì)人員及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。為此，本文提出支持面向多域多層次復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真分析的信息集成框架，如圖2所示。基于SysML，在復(fù)雜產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面、系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真分析間、系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與具體的工具層設(shè)計(jì)間及不同的工具層設(shè)計(jì)平臺(tái)間建立基于模型的無(wú)二義性的信息交流與集成平臺(tái)，它主要包含兩方面的內(nèi)容：①用于支持多域多層次的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)無(wú)二義性信息集成的核心信息模型。如圖2所示，在多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要涉及四方面的信息：系統(tǒng)層設(shè)計(jì)信息、系統(tǒng)層仿真信息、工具層不同子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)信息及工具層的仿真信息。然而，在每個(gè)部分中，并不是所有的信息都要用于集成。以系統(tǒng)層設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)層設(shè)計(jì)信息包含多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的需求信息、功能及其分解信息、結(jié)構(gòu)信息、行為信息及系統(tǒng)層各模型參數(shù)間的約束信息等，但在設(shè)計(jì)過(guò)程中，該部分的核心信息主要包括統(tǒng)一的層次式系統(tǒng)層結(jié)構(gòu)與行為信息、關(guān)鍵具體結(jié)構(gòu)與約束信息及其他領(lǐng)域參數(shù)與約束信息等。②模型驅(qū)動(dòng)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不同集成信息間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制。上述的集成核心信息確定后，還只是靜態(tài)的信息，只有在其間建立動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)并將其與不同的具體信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)無(wú)二義性的信息交流。因此，需要在上述集成信息的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真信息間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制、系統(tǒng)層與工具層間信息的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制及不同工具層平臺(tái)間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制。

圖2 基于SysML的模型驅(qū)動(dòng)多域復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息集成框架圖

2 支持多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品多層次設(shè)計(jì)與仿真集成的核心信息模型

由圖2可知，從確定用戶需求開(kāi)始，到滿足其要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)全部完成，需要經(jīng)過(guò)多個(gè)反復(fù)的設(shè)計(jì)過(guò)程。這些設(shè)計(jì)過(guò)程總體上可以分為系統(tǒng)層設(shè)計(jì)和工具層設(shè)計(jì)兩大部分。在系統(tǒng)層設(shè)計(jì)部分，主要是根據(jù)用戶給定的需求，基于各種物理效應(yīng)、工作原理等對(duì)給出的需求進(jìn)行逐步的功能分解與功能推理，直至對(duì)應(yīng)上可以實(shí)現(xiàn)的功能模型；接著基于此功能模型，求解能滿足功能需求的行為模型和結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其間的參數(shù)約束關(guān)系進(jìn)行定義；在具體的工具層設(shè)計(jì)階段，以系統(tǒng)層設(shè)計(jì)部分給定的需求模型、行為模型、結(jié)構(gòu)模型、參數(shù)約束模型為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行不同物理域子系統(tǒng)的劃分，將劃分的各模型作為不同子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始條件，進(jìn)行具體的詳細(xì)設(shè)計(jì)。另外，考慮到多域機(jī)電產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、行為上的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)人員不可能僅基于設(shè)計(jì)給出的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和行為模型對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，只有通過(guò)動(dòng)態(tài)的模擬仿真分析，才能對(duì)可能的眾多設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)的對(duì)比、優(yōu)化。

基于上述分析，要支持多域復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品多層次的設(shè)計(jì)與仿真的集成，其核心信息模型則必須包含以下三方面的信息：①支持系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真集成的信息；②支持不同層次的設(shè)計(jì)集成的信息；③支持不同的具體工具間集成的信息。

2.1 支持復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真集成的信息表示

如前所述，復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)中包含多個(gè)不同域的子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)相互作用共同完成給定的要求，而這些不同子系統(tǒng)間可能會(huì)產(chǎn)生功能交疊與沖突、甚至是不可預(yù)測(cè)的行為［13］。更為嚴(yán)重的是：這類“先天缺陷”無(wú)法經(jīng)過(guò)后續(xù)設(shè)計(jì)與加工來(lái)彌補(bǔ)。因此，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)的仿真以評(píng)價(jià)、優(yōu)化系統(tǒng)方案。然而，直接基于現(xiàn)有的SysML設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真存在以下3個(gè)問(wèn)題：①SysML提供的Diagram較多，且相同的設(shè)計(jì)需求可以由不同的Diagram來(lái)完成設(shè)計(jì)，因此，如何基于SysML給出統(tǒng)一的、面向系統(tǒng)層仿真的信息表示是必須解決的問(wèn)題；②雖然SysML提供了較多的Diagram以支持復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但由于復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的特殊性，如包含有連續(xù)行為甚至是離散／連續(xù)的混合行為，因此必須要對(duì)SysML進(jìn)行面向復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的擴(kuò)展，以支持其特定信息的表示；③在進(jìn)行系統(tǒng)層仿真時(shí)，還需要包含有仿真環(huán)境及仿真參數(shù)的建模。因此，本文對(duì)SysML進(jìn)行以下擴(kuò)展，以支持復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真集成信息的表示。

2.1.1 面向連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為設(shè)計(jì)建模的SysML擴(kuò)展

由物理學(xué)可知，復(fù)雜系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為的重要特點(diǎn)是遵循克希霍夫定律（Kirchhoff’s law），即在復(fù)雜系統(tǒng)的某一節(jié)點(diǎn)上，其勢(shì)變量之值必相等，而流變量之和為零。為此，本文擴(kuò)展了SysML語(yǔ)言的connector功能，定義了擴(kuò)展類dynamicsConnector以表達(dá)克希霍夫定律的各元素間的聯(lián)系關(guān)系。如針對(duì)圖3所示簡(jiǎn)單的彈簧－阻尼系統(tǒng)，其基于SysML的內(nèi)部塊圖（internalblockdiagram，IBD）和擴(kuò)展后dynamicsConnector的連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為如圖4所示。由圖4可知，各建模元素間均通過(guò)具有克希霍夫語(yǔ)義的dynamicsConnector進(jìn)行連接，可以由圖4方便地建立系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)力學(xué)行為。

圖3 彈簧－阻尼系統(tǒng)

圖4 基于IBD的系統(tǒng)行為模型

2.1.2 面向混合行為設(shè)計(jì)建模的SysML擴(kuò)展

復(fù)雜產(chǎn)品的典型行為特征是離散與連續(xù)混合。根據(jù)不同的外部條件，復(fù)雜產(chǎn)品的控制子系統(tǒng)會(huì)選擇不同的行為。因此，要正確表達(dá)混合行為，所建模型必須能有效表達(dá)不同行為發(fā)生的條件及其轉(zhuǎn)換機(jī)制。基于此，本文分別在SysML的約束塊（constraintblock）和依賴關(guān)系（dependency）的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，提出條件約束塊（conditionalconstraintblock，CCB）和狀態(tài)轉(zhuǎn)換（transition）的概念，并基于此，在SysML參數(shù)圖（parametricdiagram）的基礎(chǔ)上，提出有序參數(shù)圖（sequencedparametricdiagram，SPD），以支持復(fù)雜產(chǎn)品混合行為的統(tǒng)一建模。

（1）條件約束塊CCB的定義。在SysML中，約束塊用來(lái)作為其他塊（block）的約束屬性以對(duì)塊的屬性進(jìn)行約束，當(dāng)實(shí)例化為約束屬性時(shí)，它就永遠(yuǎn)處于活動(dòng)（active）的狀態(tài)（即受約束的屬性必須永遠(yuǎn)符合其所定義的約束）。條件約束塊CCB是在包含約束塊所有內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下語(yǔ)義的擴(kuò)展：當(dāng)它作為約束屬性時(shí)，具有“活動(dòng)”和“不活動(dòng)”兩種狀態(tài)，且只有處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其約束才生效。為此，CCB在約束塊的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)數(shù)據(jù)信息：①活動(dòng)指示（invariant）。invariant是一個(gè)約束，當(dāng)該CCB處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該約束為“真（true）”，因此，它是CCB被激活的前提條件，同時(shí)也是CCB變?yōu)椴换顒?dòng)的結(jié)果（如果該條件為false，則CCB處于inactive狀態(tài)）。②觸發(fā)器（trigger）。這里的trigger即標(biāo)準(zhǔn)的UML中的觸發(fā)器，可以激發(fā)相應(yīng)的約束塊使其狀態(tài)變?yōu)椤盎顒?dòng)”。除添加上述數(shù)據(jù)信息外，相應(yīng)的參數(shù)信息也進(jìn)行了擴(kuò)展。除了約束參數(shù)之外，CCB的參數(shù)還包含了活動(dòng)指示invariant以及觸發(fā)器所涉及的一些參數(shù)。為了區(qū)別，添加了兩種擴(kuò)展類——InvariantParameter以及TriggerParameter，它們與約束參數(shù)在句法上沒(méi)有區(qū)別，只是作為語(yǔ)義區(qū)分，且要求CCB在相互繼承時(shí)，只繼承一般參數(shù)，不繼承其他部分參數(shù)。

（2）有向連接（directedlink）。在SPD中，除了SysML中的綁定連接（bindingconnector）之外，為表達(dá)不同行為間的順序關(guān)系，基于依賴關(guān)系（dependencyrelationship），擴(kuò)展定義了有向連接DirectedLink。它主要用于兩個(gè)CCB之間，用來(lái)表示CCB之間的序列。其語(yǔ)義是：一旦其被激活，則其源CCB變?yōu)椤安换顒?dòng)”狀態(tài)，而其目標(biāo)CCB變?yōu)椤盎顒?dòng)”狀態(tài)。

（3）有序參數(shù)圖（SPD）。SPD是在參數(shù)圖的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)的，以支持復(fù)雜產(chǎn)品混合行為的建模。其節(jié)點(diǎn)可以是CCB或約束屬性，而節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系除了綁定連接外，還有有向連接。由于條件約束屬性對(duì)應(yīng)的CCB可以進(jìn)一步包含子CCB，因此SPD可支持層次建模。SPD元模型表示如圖5所示。

圖5 SPD的元模型

2.1.3 面向系統(tǒng)層仿真信息建模的SysML擴(kuò)展

本文擴(kuò)展一個(gè)Simulation功能以表示基于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息。包含的信息主要可以分為兩類：仿真環(huán)境配置信息（如起始時(shí)間等）和仿真相關(guān)的參數(shù)信息（如外作用的脈沖力大小等）。此外，根據(jù)使用的仿真系統(tǒng)的不同，有的系統(tǒng)可能還需要提供仿真時(shí)的感應(yīng)設(shè)備模型。

2.2 支持不同層次設(shè)計(jì)模型集成與不同工具間模型集成的信息表示

本文主要考慮在系統(tǒng)層設(shè)計(jì)模型與工具層模型間尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)模型與控制設(shè)計(jì)模型的信息集成。對(duì)于系統(tǒng)層內(nèi)的設(shè)計(jì)模型間如需求模型、功能模型、結(jié)構(gòu)模型及行為模型間的信息交互，及不同具體設(shè)計(jì)工具內(nèi)的不同層次設(shè)計(jì)模型間的信息集成則不重點(diǎn)研究。

2.2.1 基于SysML復(fù)雜產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)信息表示

目前幾乎所有CAD系統(tǒng)均支持基于特征的產(chǎn)品信息表示，但不同的系統(tǒng)有不同的特征定義庫(kù)。本文以SolidWorks為例討論復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)模型與系統(tǒng)層模型的集成。理論上，有兩種集成的方法，即系統(tǒng)層設(shè)計(jì)模型在CAD系統(tǒng)中表示和基于SysML的CAD機(jī)械設(shè)計(jì)信息表示。本文選擇第二種方法，即探索如何擴(kuò)展SysML以支持相關(guān)產(chǎn)品特征信息及約束信息的表示，進(jìn)而支持系統(tǒng)層設(shè)計(jì)信息與CAD產(chǎn)品信息的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。一般地，在CAD系統(tǒng)中存在三個(gè)層次的信息：裝配層、零件層和特征層。對(duì)于復(fù)雜零件，中間還存在子裝配層等。

本文通過(guò)分別擴(kuò)展SysML的塊定義擴(kuò)展類CadAssembly、CadPart來(lái)表示裝配層、零件層的信息，其擴(kuò)充的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則用來(lái)表示裝配層和具體零件的信息。具體地，在CadAssembly中，主要包含有零件、子裝配及其間的約束關(guān)系等。在CadPart中，首先包含所有的特征及特征間的約束參數(shù)關(guān)系。此外，為支持系統(tǒng)層的設(shè)計(jì)與仿真，一些相關(guān)信息如質(zhì)心坐標(biāo)、零件質(zhì)量等也包含在內(nèi)。這里的約束關(guān)系是通過(guò)SysML中的Constraint來(lái)表達(dá)的。對(duì)于具體的特征，則分別建立相應(yīng)的擴(kuò)展類，如對(duì)通槽特征，建立CadThroughSlot，而通槽特征的形狀參數(shù)——深度與寬度則被定義為CadThroughSlot的屬性。除上述各特征的形狀參數(shù)外，特征間還需要定位參數(shù)約束信息，如特征間的方向與位置參數(shù)約束，及一些特殊約束如對(duì)齊、平行、垂直等約束關(guān)系等。此外，在特征中還有一個(gè)重要的依賴關(guān)系，即通過(guò)復(fù)制、剪切與拷貝建立的特征約束關(guān)系也需要建立。同樣地，可以建立其他特征如通孔、階梯、盲孔等特征的SysML表示。

2.2.2 基于SysML復(fù)雜產(chǎn)品的控制信息表示

控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的作用至關(guān)重要，是復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的中樞部分。國(guó)際電工委員會(huì)受軟件工程中模型化設(shè)計(jì)的影響，提出了用于分布式工業(yè)過(guò)程測(cè)量與控制系統(tǒng)功能塊的新標(biāo)準(zhǔn)IEC 61499function block（FB）［14］。其主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型化。其基本的控制功能模塊定義如圖6所示。而實(shí)際的控制應(yīng)用 系 統(tǒng) （application）即 是 由 FB 實(shí) 例 （instances）連接形成的網(wǎng)絡(luò)。由于本文重點(diǎn)是研究其功能建模，因此關(guān)注的核心是FB的類型T參數(shù)（FB types）和FB的實(shí)例化I參數(shù)（FB instances），而其他參數(shù)如Sa、Ie、Oe主要是用于控制功能的分析與推理［15－16］，本文不考慮對(duì)其進(jìn)行建模。

圖6 基本控制功能模塊

首先，本文基于SysML的Block需要擴(kuò)展添加FB Application，用于表示整個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)，其中包含各種FB類型的功能實(shí)例，最終形成一個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于基本的FB類型，本文對(duì)基于SysML的block及其屬性進(jìn)行擴(kuò)展，其定義如表1所示。

相應(yīng)地，基于FB類型的實(shí)例化結(jié)果即是相應(yīng)FB類型實(shí)例化出的屬性。而實(shí)例之間的連接關(guān)系，則可在SysML的ibd中用連接“connector”進(jìn)行關(guān)聯(lián)。具體定義如表2所示。

3 基于元模型的系統(tǒng)層設(shè)計(jì)模型與仿真模型集成

本文基于三元圖文法（triple graphics grammar，TGG）來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層設(shè)計(jì)模型與仿真模型間的集成。其主要特點(diǎn)是除了分別建立源模型和目標(biāo)模型元模型的圖之外，還需要建立表示其映射關(guān)系的映射圖。這里，仿真模型擬以基于Simscape表示進(jìn)行討論。因?yàn)镾imscape是 Mathworks為支持復(fù)雜物理系統(tǒng)仿真而最新推出的建模語(yǔ)言，是其Simulink產(chǎn)品線的擴(kuò)展與延伸，十分容易為用戶熟悉和接受。

表2 基本FB類型實(shí)例化的SysML表示

3.1 SysML和Simscape的元模型

SysML元模型是用來(lái)表示建模語(yǔ)言SysML的最基本的建模元素及其間的關(guān)系的。通過(guò)分析SysML的建模功能，我們可以分析得出SysML和Simscape的元模型。關(guān)于Stereotype的元模型表示，本文將其簡(jiǎn)化為一個(gè)字符串，即stereo－type：String。雖然這樣存在一定的不合理之處（如無(wú)法體現(xiàn)其他屬性），但易于實(shí)現(xiàn)。

3.2 TGG的轉(zhuǎn)換規(guī)則

本文基于MOFLON實(shí)現(xiàn)了基于TGG的模型雙向轉(zhuǎn)換與集成。為此，首先建立了一些TGG的連接類型（link type），以表示兩個(gè)元模型的元素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（如SysML的block對(duì)應(yīng)到Simscape的component）；然后，針對(duì)每個(gè)link type建立相應(yīng)的TGG轉(zhuǎn)換規(guī)則。

圖7 域、包與塊的變換規(guī)則

域、包與塊的轉(zhuǎn)換規(guī)則（domain，package，block）基本類似，如圖7所示。以block為例：包含兩個(gè)連接屬性，分別表示頂層block的轉(zhuǎn)換和在包內(nèi)的block的轉(zhuǎn)換，如圖7a所示，圖7b所示為相應(yīng)的TGG規(guī)則。這里存在的一個(gè)問(wèn)題是在進(jìn)行block屬性間轉(zhuǎn)換時(shí)，需要用到block之間轉(zhuǎn)換的連接類型。而由于block之間的連接類型有多條，在表示屬性轉(zhuǎn)換的時(shí)候也要寫(xiě)多條。若這樣遞推下去，就會(huì)比較麻煩。為此，本文采用繼承關(guān)系，只需要在表示屬性轉(zhuǎn)換的時(shí)候，使用block轉(zhuǎn)換的父類連接屬性。

類似地，對(duì)于SysML中的數(shù)值屬性（ValueProperty）、端口（Port）、方程（Equation）、繼承關(guān)系等也可以建立在SysML和Simscape間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則。

4 實(shí)現(xiàn)與實(shí)例

本文以 MagicDraw 16.5、Simscape 4.2和SolidWorks為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)基于SysML的復(fù)雜產(chǎn)品信息集成，其SysML模型和Simscape模型均以XMI格式進(jìn)行表示。其對(duì)應(yīng)的meta－model模型通過(guò) MOFLON’s MOF 2.0editor來(lái)獲取［17］。SolidWorks模型也是基于XMI來(lái)表示的。TGG轉(zhuǎn)換規(guī)則等則通過(guò)TGG規(guī)則插件來(lái)完成其功能，這里TGG的規(guī)范是通過(guò)FUJABA工具包自動(dòng)形成其帶操作規(guī)則的元模型來(lái)表示的［18－19］，在完成轉(zhuǎn)換得到Simscape模型的XMI表示后，通過(guò)后處理操作生成MathWorks Simscape平臺(tái)可接受的ssc文件后，利用其相關(guān)命令如ssc＿build直接生成Simscape仿真模型。

圖8 一級(jí)倒立擺系統(tǒng)示意圖

在完成上述實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文以圖8的倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證分析。這里，小車的主要參數(shù)是：質(zhì)量0.5kg，摩擦系數(shù)0.1N／（m·s）；倒擺的主要參數(shù)是：質(zhì)量0.2kg，長(zhǎng)度為0.3m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.006kg·m2，并且假設(shè)對(duì)小車有一個(gè)恒定朝右方向的擾動(dòng)力，其大小為0.2N。這里，為保持倒擺盡可能地處于垂直位置，其控制模式有兩種：基本控制和實(shí)驗(yàn)控制。其控制方程分別如下：

式中，x為小車的位移；v為小車的速度；θ為倒擺角；ω為倒擺角速度。

基于Simscape的倒立仿真模型如圖9所示。在假設(shè)倒擺的初始角度為零時(shí)，其仿真結(jié)果如圖10所示，圖10a是倒擺角度的變化曲線圖，圖10b和圖10c所示分別是基本控制和實(shí)驗(yàn)控制結(jié)果。基于上述的仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)一步分析，并通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化參數(shù)達(dá)到最優(yōu)的控制效果。通過(guò)上述實(shí)例可以看出，在復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品最開(kāi)始的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，就可以針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真、對(duì)比，從而從一開(kāi)始就排除明顯不合理的設(shè)計(jì)方案。

圖9 基于Simscape的倒立擺仿真模型

圖10 倒立擺仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于SysML的、模型驅(qū)動(dòng)的多域產(chǎn)品不同層次設(shè)計(jì)信息與仿真信息的集成框架，討論了多域復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)信息集成的具體問(wèn)題，深入地研究了如何擴(kuò)展SysML以支持系統(tǒng)層設(shè)計(jì)時(shí)的離散／連續(xù)混合行為的表示、仿真信息的表示、控制設(shè)計(jì)信息的表示等。并以系統(tǒng)層設(shè)計(jì)與仿真集成為例，詳細(xì)研究了基于TGG的復(fù)雜產(chǎn)品信息集成方法與機(jī)制。多域多層次的復(fù)雜產(chǎn)品信息集成是一項(xiàng)工程浩大的工作，目前還不完善，后期將進(jìn)一步對(duì)不同層次的設(shè)計(jì)信息及具體工具層的設(shè)計(jì)信息與仿真分析信息的集成進(jìn)行深入研究。

［1］ Michelle B，David H.System Design：New Product Development for Mechatronics［R］.Aberdeen：Aberdeen Group，2008.

［2］ Thramboulidis K.Model Integrated Mechatronicstowards a New Paradigm in the Development of Manufacturing Systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2005，1（1）：1－14.

［3］ Hewit J.Mechatronic Design－the Key to Performance Enhancement［J］.Robotics and Autonomous Systems，1996，19（2）：135－142.

［4］ Rzevski G.On Conceptual Design of Intelligent Mechatronic Systems［J］.Mechatronics，2003，13：1029－1044.

［5］ Amerongen J.Mechatronic Design［J］.Mechatronics，2003，13：1045－1066.

［6］ Object Management Group（OMG）.Official UML Specification［EB／OL］.［2011－08－15］.http：／／www.omg.org／spec／UML／2.4.1／

［7］ Object Management Group（OMG）.Systems Modeling Language specification［EB／OL］.［2010－06－01］.http：／／www.omg .org／spec／SysML／1.2／PDF.

［8］ Turki S，Soriano T.A SysML Extension for Bond Graphs Support［C］／／5th Int.Conf.on Technology and Automation.Thessaloniki，Greece，2005：1707－1713.

［9］ Thomas A J，Paredis C J J，Roger B.Integrating Models and Simulations of Continuous Dynamics Into SysML［C］／／Proc.of the 6th Int.Modelica Conf..Bielefeld，Germany，2008：135－145.

［10］ Liu Yusheng，Cao Yue，Gao Shuming.Uniform Behavior Modeling for Mechatronic Systems Based on SysML Parametric Diagram：a Case Study［C］／／The 8th Int.Symp.on TMCE.Ancona，Italy，2010：1333－1344.

［11］ Cao Yue，Liu Yusheng，Paredis C J J.Integration of System－level Design and Analysis of Mechatronic Systems Based on SysML and Simscape［C］／／Conf.of ASME IDETC／CIE 2010.Montreal，Canada，2010：1－11.

［12］ 劉玉生，蔣玉芹，高曙明.模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模綜述［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（6）：741－749.

［13］ 鐘掘.復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)耦合設(shè)計(jì)理論與方法［J］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［14］ Nils H，Bernardo W.Analyzing the Liveliness of IEC 61499Function Blocks［C］／／Proc.of 13th IEEE Int.Conf.on Emerging Technologies and Factory Automation，ETFA 2008.Hamburg，Germany，2008：380－383.

［15］ Goran C，Knut A.On Formal Analysis of IEC 61499Applications Part A：Modeling［J］.IEEE Trans.on Industrial Informatics，2010，6（2）：136－144.

［16］ Goran C，Knut A.On Formal Analysis of IEC 61499Applications Part B：Execution Semantics［J］.IEEE Trans.on Industrial Informatics，2010，6（2）：145－154.

［17］ Object Management Group.Meta Object Facility（MOF）Core Specification［EB／OL］.http：／／www.omg.org／spec／MOF／2.0／PDF，2006.

［18］ Klar F，Rose S，Schürr A.TiE－a Tool Integration Environment［C］／／Proc.of the 5th ECMDA Traceability Workshop.The Netherlands，2009：39－48.

［19］ Fujaba Core Development Group.Fujaba Tool Suite［CP／OL］.http：／／www.fujaba.de.