• MetaGraph基于多架构统一建模语言Karma实现基于模型系统工程相关语言建模，架构驱动，代码生成，指标分析验证及需求验证工具。Karma语言是特定域建模DSM组织（http://www.dsmforum.org），IoF国际本体组织（https://www.industrialontologies.org/），中国系统工程学会科普工作站（http://www.ccose.org/）及全国信标委员会软件与系统工程分会认可的支持MBSE的多架构建模语言。

    图 1 原理图

     

    必要性

     

    复杂系统的需求论证方式需要适应新的系统研发形势发展。未来复杂装备呈现出体系交互的新特征，论证不仅要考虑单一系统，更要考虑多系统之间的交联关系，使得复杂装备需求描述的复杂性持续增加，按照传统的基于有限的需求开展的文档设计的论证方式生成的系统能力将很难满足未来的体系使用及交互需求。

     

    实现复杂系统快速准确设计是目前装备研发的需求。传统的设计-制造-试验的研制模式，在设计早期缺乏对系统整体功能和性能的考虑，系统综合集成验证不够，需要变革复杂系统的研发制造方式，开展系统各层级的虚拟综合和持续验证，实现在虚拟世界充分迭代。

     

    近年来武器装备的复杂程度增加，其系统变量越来越多、目标或任务也越来越多、硬件/软件越来越复杂，同一单位不同研发部门之间的建模软件都存在很多的差异，导致采用传统的基于文档进行产品设研发手段单一，流于形式，效率低下，较难形成一套真正的复杂装备的标准化、协同化、自动化和智能化开发方法。与此同时，随着大数据、物联网带来的数字化转型浪潮，诸多装备设计及开发企业对产品创新的需求也越来越迫切。对于产出装备的效率、效能及可靠性也提出了更高的要求。因此，急迫切的需要为复杂系统的研发企业提供一套可靠、高效、可以激发创新性的数字化研发手段。

    基于模型系统工程被认为是解决上述问题的关键技术。基于多架构建模语言的多架构建模工具更是对基于模型系统工程的落地的强有力支撑。用户在基于模型的软件工具环境中，高效的建立各种专业模型，如针对模型发动机的研发流程及需求架构模型等，进而实现复杂装备产品开发过程中的自动化开发。首先，客户通过对基于模型系统工程相关技术进行学习，了解相关原理及技术点，通过对工具的使用，完全实现对产品开发过程中的信息进行的模型化表达。其次，通过相关验证手段，实现对需求初期的指标验证。最后，针对产品开发过程，采用有限状态机仿真及联合仿真技术实现系统级的集成验证。

     

    主要功能

     

    • 实现不同通用建模语言及框架的模型库开发及建模，如UML, SysML, BPMN, Capella, DoDAF, UAF等。

    •  

    • 实现特定域建模语言基于框架的模型库开发及建模，如EAST-ADL等。

    •  

    • 可定制的架构驱动，即工具中架构模型之间的自动传递及转化。

    •  

    • 可定制的代码生成，即工具中架构模型向其他代码及数据的自动传递及转化。

    •  

    • 实现基于Karma语言的指标分析及验证

    •  

    • 实现基于Karma语言的需求验证

    •  

    • 支持模型与本体的信息的相互转化

     

    主要特点

     

    • 以文本可读的形式化语言表达MBSE模型
    •  
    • 可以执行架构驱动与代码生成
    •  
    • 支持模型状态机和系统架构的指标分解验证
    •  
    • 支持自动执行联合仿真及故障树分析

     

    方案构建

     

    MetaGraph 的核心理念是基于多架构建模语言Karma，即 “文本可读的形式化语言”对复杂装备的需求、功能、逻辑、架构等系统工程视点进行建模，并通过仿真分析及测试来验证指标的满足性及需求验证等。借助MetaGraph不仅可以在系统开发的早期阶段形式化其需求、功能、逻辑、架构等视点，还可以在系统方案初步确认前的概念设计阶段检查系统设计是否满足需求规范，从而极大地降低产品开发的成本与风险。

     

     

    支持统一的MBSE语言形式化及建模

     

    MetaGraph通过Karma语言实现对元模型及模型的形式化描述，Karma语言是一种面向对象的可读的文本语言，有关模型的所有信息及数据都保形式化在Karma语言中，包括GOPPRR元元模型、元模型以及模型。Karma语言形式化模型支持面向对象的语法，例如“继承”，“封装”等。

     

    支持可定制架构驱动

     

    MetaGraph支持用于架构驱动的模型自动转换，通过架构驱动器实现一种模型（源模型）向其他模型（目标模型）的转换，其中转换源模型及目标模型可以用不同的建模语言表达，例如从需求模型自动转换为物理架构模型。

     

    架构驱动器通过Karma语言编写模型转换规则，定义模型之间的映射规则，实现架构驱动的可定制化，架构驱动器预置了常用的规则模板。

     

    支持可定制代码生成

     

    MetaGraph支持自动生成目标代码以及报告文档。通过代码生成器将模型中的信息自动转换为目标代码，实现模型数据向其他平台的传递及转化，例如通过物理架构生成Simulink的M代码实现Simulink仿真模型自动生成，生成Modelica代码实现验证确认模型的自动生成，生成XML文档实现模型数据在网页端的展示。

     

    MetaGraph代码生成器通过Karma语言编写代码生成规则，进而实现目标代码的可定制化。代码生成器提供了完整的代码生成规则模板，例如“属性输出”“元素遍历”“文件输出”“逻辑判断”等规则模板，此外，代码生成器也预置大量Karma语言编写的生成器，例如可自动生成模型结构的XML文档等。

     

    支持指标验证及需求验证

     

    MetaGraph使用Karma语言对需求指标进行建模、仿真并验证。MetaGraph中包含了丰富的时间与逻辑运算符，例如：“当…时”，“如果”，“大于”，“只有”等。通过对需求指标按照运算符进行逻辑公理描述，并验证需求指标中是否满足公理描述；通过对仿真结果的观察，来验证需求规范中是否存在冲突与缺陷，进而保证了需求规范的正确性。

     

    MetaGraph可以根据需求描述自动生成符合需求的测试用例，也可以在MetaGraph中使用Karma描述并执行形式验证。

     

    支持有限系统行为动态仿真

     

    Karma语言支持对系统行为及体系活动流程描述以及仿真。在用Karma语言对系统行为及体系活动流程进行描述时，主要包括对系统行为及体系活动流程中一些仿真变量的定义，以及系统行为中的一些状态、触发事件、时间等的描述。最后进行系统行为及体系活动流程仿真，通过仿真结果（系统行为及体系活动流程中变量随时间的变化情况）对变量进行分析，验证其是否满足要求。

     

    支持验证的集成扩展性

     

    MetGraph支持其模型向本体转化，并导入集成仿真验证工具Prajna实现基于FMU的联合仿真、基于HLA或DDS的分布式仿真、基于贝叶斯网络的故障树仿真及决策树仿真。

    客户案例

     

    • 航天三院三部（用于建立某型号复杂装备开发过程中的需求）
    •  
    • 201所（用于建立某型号复杂装备开发过程中的需求）
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    • 国家海洋实验室（用于某型信息物理融合平台搭建）
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    • 606所（五代机基于模型需求分解）
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    • 29所（体系仿真及验证）
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    • 兵器集团（体系结构设计、建模及验证）

     

    工具界面

     

     

    图 2 Karma支持体系生成

    图 3 SysML案例

    图 4 Karma语言支持有限状态机仿真

    图 5 Karma语言支持指标验证

    图 6代码生成支持功能

  • 基于开发生命周期服务OSLC模型标准的数据总线工具集包括Datalinks工具适配器设计与构建工具及OSLC服务管理工具。Datalinks采用简单易用，力求在零代码基础上，构建标准化的多种功能的OSLC服务适配器。这些DataLinks工具开发出的工具适配器具有标准化的数据接口与数据协议可将生命周期过程中的相关模型及数据转为统一格式并生成REST服务，并支持在其他平台调用对应数据服务实现数据整合。用户根据提供的OSLC服务适配器库，可以快速实现数据转化生成对应数据服务。DataLinks同时提供多种显示插件，在适配器机器接口之外，提供多种人机接口支持数字孪生、数字总线，同时支持与其他系统和DataVis大数据分析可视化平台的集成。对于需要深度定制的适配器，DataLinks工具可以生成完整的适配器工程项目，用户可以根据需要对其功能与显示进行深度开发。OSLC服务管理工具支持针对生成的OSLC服务的发现管理、追溯管理、版本管理等, 实现生命周期过程中的异构数据整合及统一平台管理。

     

    工具架构

    图 1 工具架构

     

     

    必要性

    图 2 工具架构

     

     

    目前，在复杂装备的全寿命周期中，开发过程涉及基于模型系统设计相关的MBSE工具及数据、用于产品设计的CAD及CAE工具和数据、用于生产和维护的相关工具及数据等。由于相关工具操作及数据结构异构，传统的CAD模型之间的共性标准与CAE和CAD模型之间的互通标准，无法实现相关CAD和CAE模型与生命周期其他工具及数据的互通，如条目化需求及生产运维数据等。这也就导致产品开发人员无法实现跨生命周期的相关工具及数据的横向集成、纵向集成及端对端集成：

     

    • 横向集成，即生命周期中针对某一时间点，进行相关部门之间的技术资源整合。如采用CAD技术实现产品设计阶段，需集成及分析不同子系统特性、成本和开发周期相关的所有技术资源。

    •  

    • 纵向集成，即针对不同企业运营产品的管理集成。如采用CAD及CAE技术开发某新产品过程中，需要针对该产品相关CAD与CAE工具和模型进行需求管理、资源配置管理等的全过程集成。

    •  

    • 端对端集成，即贯穿整个生命周期的工程化信息系统集成，以保障大规模个性化定制的实施。如通过使用CAD模型向CAE模型进行转化实现验证分析时，相关转化过程需要追溯到产品的验证需求与已存在的实验数据。

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    因此，针对全寿命周期异构数据、异构工具之间互联互通、集成应用等方面问题，开展研究基于服务化的数据总线技术。突破覆盖产品全寿命周期的多源异构数据重用、应用集成、数据互联、数据可视化、数据分析与决策等技术，实现基于模型系统设计、基于模型产品设计、生产制造以及使用维护全部环节的打通，形成以统一标准为核心的产品设计、制造和保障服务的数据流，达到以数据为中心的复杂装备研发效果。

     

    数字总线基于统一标准构建多源异构数据流，采用服务化方法实现产品开发过程中跨生命周期和跨领域的数据传递，涉及生命周期前期系统设计过程中所涉及相关MBSE工具数据、产品设计过程中所涉及CAD及CAE工具数据、生产过程中相关MRP数据，后期维护过程中的健康管理数据。通过服务化数据传递技术，支持生命周期跨领域异构数据端对端集成。采用统一标准的数据服务化方法，构建复杂装备研发数据共享生态，实现跨平台的数据服务化，支持开源形式的数据跨域互用。

     

    与此同时，数字总线可以实现产品开发过程中相关工具集成，即通过数据总线相关标准，实现生命周期过程中的数据流集成、操作集成、前端集成、平台集成及流程集成。采用数据总线的集成标准实现产品生命周期数据（包含MBSE、CAE、CAD及其他可扩展领域）的可追溯性管理、依赖性管理、互用性管理、重用管理、版本管理、变更管理及流程管理。通过相关标准，定义以上管理过程中的相关操作，实现相关工具操作统一服务化表达。继而实现即引即用的操作模式，实现跨平台的工具互操作及管理过程互操作。

     

    主要功能

     

    • 构建生命周期数据总线架构，通过数据服务化方式实现，生命周期过程中的数据相互调用。
    •  
    • 数据整合，将生命周期中的数据进行整合，包括数据库、信息模型、验证模型、文档以及代码等，打通不同阶段之间的数据交流的壁垒。
    •  
    • 工具集成，实现生命周期中的不同工具的集成和调用。
    •  
    • 数字孪生，通过服务化标准化接口实现虚拟世界与现实世界的数据交互。
    •  
    • 支持协同设计，支持多用户协同数据调用，不同开发人员可通过此平台对产品生产的各个阶段进行协同的增删改查及版本管理。
    •  
    • 实现基于流程的数据总线驱动设计，基于BPMN规范设计的流程模型经过部署生成流程管理平台，由流程管理平台调用OSLC服务化生成的服务集，形成基于流程的数据总线，进而将产品开发生命周期过程中的异构数据数据流与开发流程集成，实现流程中数据查看、调用及流程决策过程。

     

    主要特点

     

    • 所构建的适配器使用标准化的OSLC数据传输格式与传输协议。
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    • OSLC配置器开发过程简单明了，服务配置过程简单。
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    • 支持多种适配器功能插件，完成零代码构建。
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    • 支持多种适配器显示插件，在机器接口外，提供人机接口。
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    • 支持自动服务发现与配置。
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    • 生成完整的适配器工程项目，可对生成的适配器功能与显示进行深度定制，面向个性化适配器构建需要。

     

    建设方案

    图 3 OSLC规范

     

     

    OSLC（Open Service for Lifecycle Collaboration）技术规范是由IBM提出的一套技术规范，旨在解决在系统设计生命周期各个阶段（概念阶段、开发阶段、生产阶段、利用阶段、支持阶段、退化阶段）工具使用中产生的异构数据集成问题。OSLC规范由核心规范和领域规范组成。核心规范用于对核心的集成技术及通用概念进行描述。领域规范则是对具体的工程领域展开。OSLC规范的核心思想是链接数据（Linked Data），即将系统设计生命周期的工件资源化并通过HTTP URI进行标识，进而允许用户通过HTTP协议请求获取通过标准形式表述的有用信息，且允许事物间的链接以便用户发现更多信息，例如对资源进行访问、传递与共享操作等。OSLC中对资源的表述强制要求具备RDF的提供能力，同时也可以支持例如JSON/HTML等其他资源格式。OSLC提供了基于统一标准的数据表达规范，为基于全域模型的数据整合与工具互操作提供规范基础。

     

    基于OSLC规范的异构数据服务化，是对软件工具的数据和功能进行服务化（生成URI）的过程。对于软件工具的数据和功能的服务化分别实现软件工具间的数据共享与互操作。

    图4 OSLC服务化流程

     

     

    • 系统设计人员在系统设计生命周期中通过领域软件工具产生以下异构数据格式文件：关系型数据库、电子表格、CAD模型图形文件、领域模型、API接口等。

    •  

    • 系统设计师通过DataLinks工具，结合由OSLC规范定义的统一的OSLC适配器模板，自定义设计开发针对特定领域数据资源的OSLC适配器项目框架，IT工程师可根据该框架通过开发平台定制开发针对特定领域数据资源的OSLC适配器。

    •  

    • OSLC适配器基于OSLC技术规范将异构数据格式文件资源化，通过OSLC适配器读取并统一表征为服务集，以实现数据的整合与统一表达。

    •  

    • 所有生成的服务可以通过生成对应的URI进行标识，通过URI的实时生成实现数据的实时更新。

    •  

    • OSLC服务集可以输出以RDF/JSON/HTML等数据格式表征的OSLC服务。

    •  

    • OSLC服务集通过URI对原始资源进行链接和描述，支持跨设计平台工具之间调用与互操作。

    •  

    • 对系统设计过程中提取的需求指标集及术语平台中定义的术语进行服务化

    •  

    • 支持Excel、MySQL、术语平台数据库等不同格式的异构表格数据的读取、修改、删除等操作，提供文件列表信息的URI查询

    •  

    • 支持STEP、STL等不同格式的三维CAD模型图形文件的几何信息读取和网端可视化服务

    •  

    • 对装配树列表信息提供条目化URI查询

    •  

    • 在建模工具MetaGraph中建立的领域模型通过OSLC服务化统一表述成OSLC服务集。

    •  

    • 可以在MetaGraph中调用服务集中URI并进一步生成OSLC数据集和模型化显示。

    •  

    • 系统设计过程中的需求模型和架构模型等通过OSLC服务化统一表述成OSLC服务集

    •  

    • OSLC服务通过对应的URI在数据可视化和分析平台DataVis中通过OSLC数据源调用，生成数据可视化大屏展示。

    •  

    可应用于以下几类场景：

     

    • 基于OSLC规范的异构数据服务化可用于解决系统设计生命周期工具使用中产生的异构数据集成问题，实现领域工具/建模工具的服务化生成。
    •  
    • 基于OSLC规范的异构数据服务化可通过自定义设计OSLC适配器实现其他格式数据与工具的服务化转化过程。
    •  
    • 基于OSLC规范的异构数据服务化可用于后续结合FMI实现数字孪生。
    •  
    • 基于OSLC规范的异构数据服务化可用于数据可视化与分析，提升关联系统工程建模工具易用性。
    •  
    • 基于OSLC规范的异构数据服务化可为建模工具使用人员提供历史知识支撑，通过参考已有软件工具的服务化历史资料，对领域工程师的系统架构设计和建模过程提供参考，提升建模效率
    •  

    标准化适配器构建

     

    基于DataLinks产品构建的工具适配器拥有统一的基于OSLC的适配器定义，并且提供统一的数据格式，可在统一的数据协议下传输工具使用过程中的各项数据。

    简单易用，力求零代码构建

     

    适配器设计器界面使用类网页设计，力求用户无需额外帮助文件即可理解适配器的设计。在多种适配器功能插件的基础上，用户可以完成许多常见场景的零代码构建。生成的适配器本身提供多种显示插件，可在机器接口的基础上提供多种人机接口，以方便与工具的交互。 

    自动服务发现与配置机制

     

    基于DataLinks产品设计开发的工具适配器具有服务发现与自动配置支持。

    适配器在启动时，会自动检测“服务发现与配置服务器”的位置，并向其注册和提供相关配置参数，同时工具适配器也可以获得例如DataVis数据总线与数据接入端口的信息，并自动向其提供数据。

     

    完整项目支持，支持深度定制

     

    DataLinks项目可根据用户的可视化设计生成对应的完整Maven项目。用户可以自由修改项目代码与各项配置，增加、修改适配器功能和显示支持，以实现个性项目需求。

    图 5 Datalinks工具界面

    图6 OSLC服务界面

    图7 OSLC服务管理界面

    图 8基于流程的数字总线

    图 9数字总线调用OSLC服务

    图 10 可视化及分析平台调用OSLC服务

     

     

    客户案例

     

    兵器集团信息化中心（MBSE数据集成项目）

     

    电科29所（体系大数据分析项目）

     

    航天八院某所（数字线索构建课题）