工程系統信息化多態建模研究

［摘 要］在現代社會，工件的創作被分為兩個階段。第一階段，要在設計過程中形成創建工件的概念，并對其進行描述或建模。第二階段，即工件將在制造過程中完成，從而得到實際的、可以投入使用的產品。工程系統信息化多態建模是本文研究的重點。本文闡述了設計者對模型描述的靈活性要求。由于現有的建模系統不能提供這種靈活性，本文針對如何改進這一點提出了建議。

［關鍵詞］信息化多態建模；子系統；優化

doi：10.3969/j.issn.1673-0194.2024.07.051

［中圖分類號］TP315 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）07-0175-03

1" " "緒 論

1.1" "研究背景

產品的功能性和可靠性在很大程度上是在設計過程中被決定的，創新也在很大程度上取決于設計過程。因此，一個工業公司為了保持競爭力，關鍵在于掌握設計要點，以及不斷改進設計過程。本文著重論述了多態建模在信息工件加工過程中的重要性以及設計方法，以優化受控機電設計為例［1］。

1.2" "研究內容

建立一個真實世界的模型，連續時間系統涉及一組狀態變量x和一組系統相關變量（可能是時變的）以及環境變量u。這些關系應該在任何時候都得到滿足。根據定義，模型的結果是一個抽象的現實世界的系統，在這個意義上，它打算只納入與利益相關的系統性質，并給定問題背景。如果這個意圖得到滿足，也就是說，如果我們有一個稱職的系統模型，我們就可以根據這個模型對現實世界的系統進行推理并得出結論。

在基于計算機的建模系統中，模型的分解、分類和表示由維護模型的數據結構決定。數據結構是根據計算機科學中可用的結構原理或實現技術設計的。因此，模型在基于計算機的建模工具中的形式受系統中包含的實現技術的影響。本文通過模型對此進行了分析。該分析通過顯示特定示例系統在包含所考慮的實現技術的系統中的形式來說明。示例系統為直流電機，由直流電源供電，驅動與飛輪（負載）相連的齒輪箱［2］。直流電機模型包括電感和電阻以及機械慣性和摩擦。該模型的不同形式見圖1。

在鍵合圖方面，該模型如圖2所示。注意，通過指示的參數，鍵合圖表明所有元件（電壓源除外）都被認為是線性和時不變的。

當一個真實系統被適當地分解，子系統將會被有意義地分類，一個有意義的系統被建立時，模型被創建的目的將會更容易實現，并且評估能力的提升也不那么困難。以兩種不同形式的模型為例，即（數學）系統特征和鍵合圖。系統特征f （x， u， t）可以被看作是模型的最直接、最簡單的形式。具有這種內部結構的模型沒有明確地將分解納入子系統及其分類中去，而是用數學方程表示。雖然這種形式的模型可以通過計算來解決問題，但它不太適合于前面的步驟，即獲得復雜系統的良好模型；它不會提供太多的見解，也不容易被理解。

2" " "多態建模

分類不被正確支持的基本原因是繼承機制支持抽象，但導致類型沒有完全指定。換句話說，抽象和類型化的結合限制太大了。一旦清楚了這一點，解決方案就很簡單了：應該定義一個抽象屏障，將子類型繼承的（泛型）子系統定義的屬性與不繼承的屬性分開。抽象屏障的這種用法類似于計算機科學中被稱為模塊化的技術。模塊化是一種程序結構原則，因此在MODULA–2中得到了廣泛應用。

本文將抽象障礙定義為子系統的本質屬性和附帶屬性之間的分離。本質屬性是子系統的“典型”屬性，即對子系統進行分類所必需的屬性。基本屬性在子系統類型中定義，并由子類型繼承。相比之下，子系統的附帶屬性不是典型的，可以采取不同的形式。附帶屬性不再在子系統類型中定義，因此不再繼承，而是在子系統類型的規范中定義。這表明一個完整的模型將為每個子系統展示兩種選擇：由類型反映的基本屬性和由規范反映的附帶屬性。此外，一種類型可以具有多個規范。

一個類型可能有多個規范的主要原因有兩個。第一，這是因為一個規范比另一個規范更詳細地描述了子系統的行為，即它們具有不同的分辨率。以PMDC電機為例，其既可以定義僅包含回轉器的規范，也可以定義包含機械和電氣“寄生效應”的規范。第二，類型具有不同行為的實例，盡管行為不重要。例如，庫侖摩擦和粘滯摩擦用不同的本構方程來描述，但都規定了機械摩擦。應該為模型中的子系統選擇哪個規范，這取決于使用模型的上下文［3］。

多態建模是建模過程中模塊化和子類型化的結合應用，即將子系統描述劃分為子系統類型和子系統規范，并用一個或多個指定的其他類型表示子系統類型。在本文中，考慮了一種特殊的子類型，即單一繼承：一個子系統類型是另一個子系統類型的特殊化，并繼承其定義。單一繼承是最簡單、最直接的子類型化形式。

多態建模的概念很有用，因為它通過泛型和特定類型改進了子系統的分類；它通過分別描述基本模型來完成模型的表示附帶特征；它進一步增強了重用，因為子系統類型和子系統規范可以單獨重用；它使子系統庫能夠以一種層次結構進行組織，這樣子系統就可以逐步向下進行專門化。

3" " "研究結論

3.1" "支持進化模型構建方法

盡管建模和設計是遞歸和交互的過程，但全局工作方向是向下的：通常從將頂層模型分解為子系統開始，然后在下一步通過再次分解這些子系統來進一步開發，以此類推。因此，模型的結構層數逐漸擴大。這正好映射到模塊化：第一步，確定頂層模型的子系統類型；第二步，根據底層子系統類型等描述每個子系統的適當規范。多態建模系統將類型和規范分開，因此非常適合自上而下的方法。

通過這種方式，可以使模型具有不同意義。首先是非詳細級別定義屬性，其次才是更具體的屬性。在單態類型的情況下，這種方法不能被支持，因為為了確定子系統的類型，必須對內部結構進行選擇。一開始可以忽略內部結構（即使用內部結構為空或完全錯誤的類型），然后進行調整。但這更像是一種繞過缺乏支持的方式。人們必須付出巨大努力才能獲得相關類型的可重用屬性。另外，內部結構為了不丟失空的或舊的類型，必須建立有新的標識的類型。

3.2" "分層子系統庫

以繼承的形式進行模塊化和子類型化對基于計算機的建模工具庫有重要的意義：對于每種類型都被組織在一個層次結構中，列出可用的規范。通過這種方式，多態建模對庫中包含的子系統集合施加了一致的結構。請注意組織鍵合圖元素層次結構的其他方法可以是所考慮的工程系統的多態建模。

類似于編程中的情況，我們期望重用公共屬性的容易性是由連貫結構提供的清晰性和概念簡約性所附帶的。就模型庫而言，多態建模的主要優點不是額外的可重用性，而是庫的結構使得通過層次結構很容易理解和維護。尤其是當庫中的模型數量很大時，例如在OLMECO項目中，這一點非常重要。

4" " "設計問題

在基于計算機的系統中結合多態建模會引起一些系統設計問題，需要在考慮實現之前進行討論。這是本論文的主題。

看待類型的一種方式是說它是子系統的內部世界（即其內部結構）和外部世界（即包含它的模型）之間的接口層。因此，類型的作用是在這兩個世界之間執行正確的交互。如果交互完全基于端口，則類型定義中包含的特征始終與子系統的端口相關。因此，子系統描述中抽象屏障的方便位置是在端口定義和子系統定義的其余部分之間。圖3中也提出了這一點。

因此，規范的描述與非模塊化的子系統描述類似，只是端口定義被類型聲明替換。

5" " "結 論

在基于計算機的建模工具中應用參數化和類型化是有用的，因為這些技術支持層次化建模，并提供顯式分類的、封裝的、可重用的子系統。除此之外，基于端口的接口通過允許在建模中使用面向對象的方法而不是面向過程的方法，并通過使模型能夠表示為互連子系統的網絡，來改進建模支持。其與鍵合圖建模一樣，包含參數化、類型化和基于端口的接口的建模工具可以完全支持網狀結構。

然而，鍵合圖模型中常見的分類并沒有得到充分的支持。這是因為在這些系統中，子系統類型是單態的，即不能定義泛型子系統。子類型和繼承的使用，如SIMULA中引入的和面向對象編程中的common，并不能解決這個問題，因為子系統的內部結構通常不能抽象為泛型子系統類型。只有將子類型化與模塊化相結合，才能描述通用子系統。模塊化意味著子系統定義分為兩部分：一個類型定義基本屬性，以及定義附帶屬性的規范。通過允許一個類型具有多個規范令子系統類型變得多態。因此，模塊化和子類型化的結合稱為多態建模。

多態建模使計算機的系統能夠更充分地支持分類。此外，還增強了子系統的表示和重用。多態類型產生一個層次化的子系統庫。這一點的重要性主要在于它提供了一個概念清晰、連貫的結構。此外，它們使建模系統有可能符合模型構建的進化本質。它們促進了模型的操作，比如創建備選方案和鍵合圖模型的對偶。

在應用多態建模時，模型生成器面臨兩個新問題：①新的子系統定義是實例化還是現有類型的子集？②如何建立子系統類型的層次結構？與這些問題有關的主體已經在全球范圍內引起廣泛關注，未來將會就如何處理這些問題制定更多的制度，從而不斷優化建模。

主要參考文獻

［1］湯東旭，張慶良，劉祥兵，等.關于多功能液壓支架拖運車的電控系統設計［J］.煤礦現代化，2022（1）：82-84.

［2］陜建光.智能化掘進機電控系統設計及關鍵技術研究［J］.機械管理開發，2023（10）：148-150.

［3］DESTERCKE S，SALLAK M. An extension of universal generating function in multi-state systems considering epistemic uncertainties［J］. IEEE Transactions on Reliability，2013，62（2）：504-514.