Проектирование систем


Ведущий Автор: Сэнфорд Фриденталь, Соавторы: Дов Дори, Янив Мордехай


В этом разделе приводятся основополагающие понятия. Такие как определения модельноймодели и языка моделирования. А также выражаются их отношения к средствам моделирования modeling tools и model-based systems engineering (MBSE)model-based systems engineering (MBSE).

Определение модели

Существует множество определений слова модель. Следующие определения относятся к модели как к представлению выбранных аспектов области интересаобласти интереса для моделиста:

  • физическое. Математическое или иное логическое представление системы, объекта. Явления или процесса (DoD 1998);
  • представление одного или нескольких понятий. Которые могут быть реализованы в физическом мире (Friedenthal, Moore. And Steiner 2009);

  • упрощенное представление системы в какой-то конкретной точке времени или пространства. Предназначенное для содействия пониманию реальной системы (Bellinger 2004);
  • абстракцияабстракция системы. Направленная на понимание. Коммуникацию. Объяснение или проектирование аспектов. Представляющих интерес для этой системы (Dori 2002); и
  • выборочное представление некоторой системы. Форма и содержание которой выбираются на основе определенного набора проблем; модель связана с системой явным или неявным отображением (Object Management Group 2010).

В контексте системной инженериимодель . Представляющая систему и ее окружение, имеет особое значение для системного инженера . Который должен определять, проектировать, анализировать и проверять системы. А также обмениваться информацией с другими заинтересованнымисторонами . Различные модели систем используются для представления различных типов систем для различных целей моделирования. Некоторые из целей моделирования систем кратко изложены в разделе Почему модель?, а простая таксономия различных типов моделей описана в разделе

Типы моделей. То тема стандартов моделирования относится к некоторым стандартным языкам моделирования систем и другим стандартам моделирования. Поддерживающим MBSE.

Модель может иметь различные формы. Как указано в первом определении выше. Включая физическое. Математическое или логическое представление. Физическая модельфизическая модель это может быть макет. Представляющий реальную систему. Например модель самолета. Математическая модель может представлять возможные траектории полета с точки зрения ускорения, скорости. Положения и ориентации.

Логическая модель может представлять логические отношения. Которые описывают потенциальные причины отказа самолета. Такие как то. Как отказ двигателя может привести к потере мощности и привести к потере высоты самолета. Или как части системы взаимосвязаны. Очевидно, что для представления системы интересов может потребоваться множество различных моделей.

Язык моделирования

Физическая модель-это конкретное представление реальной системы. Которую можно почувствовать и потрогать. Другие модели могут быть более абстрактными представлениями системы или сущности. Эти модели полагаются на языкмоделирования язык моделирования для выражения их значения. Как описано в “

On Ontology. Ontologies. Conceptualizations. Modeling Languages. And (Meta)Models” (Guizzardi 2007).

Так же как и инженернаяинженерия чертежи выражают трехмерную структуру механических и архитектурных конструкций. Концептуальные модели являются средствами. С помощью которых системы задумываются. Проектируются. Проектируются и строятся. Полученные модели являются аналогами чертежа механической конструкции. Однако разница заключается в том, что. В то время как чертежи являются точными представлениями физических артефактов с точным. Согласованным синтаксисом и давней традицией служить средством коммуникации между профессионалами. Концептуальные модели только начинают продвигаться к тому. Чтобы быть полным и однозначным представлением разрабатываемой системы.

В статьях специального раздела коммуникаций Ассоциации вычислительной техники (ACM) (Dori 2003) представлен абстрактный мир системного анализа и архитектуры с помощью концептуального моделирования. А также способы оценки. Выбора и построения моделей.

Языки моделирования. Как правило. Предназначены как для интерпретации человеком. Так и для интерпретации компьютером и определяются с точки зрения как синтаксиса, так и

семантикисемантики.

Абстрактный синтаксис абстрактный синтаксис задает конструкции модели и правила построения модели. В случае естественного языка. Такого как английский. Конструкции могут включать такие типы слов. Как глаголы. Существительные. Прилагательные и предлоги. И правила определяют. Как эти слова могут использоваться вместе для формирования правильных предложений. Абстрактный синтаксис математической модели может определять конструкции для определения математических функций. Переменных и их отношений. Абстрактный синтаксис логической модели может также указывать конструкции для определения логических сущностей и их отношений.

Хорошо сформированная модель подчиняется правилам построения. Точно так же. Как хорошо сформированное предложение должно соответствовать грамматическим правилам естественного языка.

Конкретный синтаксисконкретный синтаксис определяет символы. Используемые для выражения конструкций модели. Естественный язык Английский язык может быть выражен в тексте или азбукой Морзе. Язык моделирования может быть выражен с помощью графических символов и/или текстовых операторов. Например, функциональная потоковая модель может быть выражена с помощью графических символов. Состоящих из комбинации графических

узловузлов и дуг. Аннотированных текстом. В то время как имитационный язык моделирования моделирования может быть выражен с помощью текстового синтаксиса языка программирования. Такого как язык программирования Си.

Семантика семантика из языка определяют значение конструктов. Например, английское слово не имеет явного значения. Пока оно не определено. Аналогично, конструкция. Выраженная в виде символа. Такого как прямоугольник или стрелка на блок-схеме. Не имеет смысла. Пока она не определена.

Язык должен придать смысл понятию глагола или существительного и должен придать особое значение определенному слову. Которое является глаголом или существительным. Определение может быть установлено путем предоставления определения на естественном языке или путем сопоставления конструкции с формализмом. Значение которого определено. В качестве примера можно привести графический символ. Выражающий sin(x) и cos(x) определяются с использованием хорошо определенного математического формализма для функции синуса и косинуса. Если положение маятника определяется в терминах sin(θ) и cos(θ), то значение положения маятника понимается в терминах этих формализмов.

Инструменты моделирования

Модели создаются моделистом с помощью инструментов моделирования. Для физических моделей инструменты моделирования могут включать сверла. Токарные станки и молотки. Для более абстрактных моделей инструменты моделирования обычно представляют собой программноеобеспечение программы. Работающие на компьютере. Эти программы предоставляют возможность выражать конструкции моделирования с помощью определенного языка моделирования. Текстовый процессор можно рассматривать как инструмент. Используемый для построения текстовых описаний с использованием естественного языка.

Аналогичным образом инструменты моделирования используются для построения моделей с использованием языков моделирования. Инструмент часто предоставляет инструментальную палитру для выбора символов и область содержимого для построения модели из графических символов или другого конкретного синтаксиса. Инструмент моделирования обычно проверяет модель. Чтобы оценить. Соответствует ли она правилам языка. И применяет такие правила. Чтобы помочь разработчику модели создать хорошо сформированную модель. Это похоже на то. Как текстовый процессор проверяет текст на соответствие грамматическим правилам естественного языка.

Некоторые инструменты моделирования являются коммерчески доступными продуктами. В то время как другие могут быть созданы или настроены для обеспечения уникальных решений моделирования. Инструменты моделирования часто используются как часть более широкого набора инженерных инструментов. Составляющих среду разработки систем. Повышенное внимание уделяется инструментальной поддержке стандартных языков моделирования. Позволяющих обмениваться моделями и моделирующей информацией между различными инструментами.

Связь модели с проектированием систем на основе моделей

Международный совет системной инженерии (INCOSE) (INCOSE Systems Engineering Vision 2020 2007) определяет MBSE как “формализованное применение моделирования для поддержкитребований к системе требований, проектирования, анализа, верификацииверификациии валидациивалидационных мероприятий . Начинающихся на этапе концептуального проектирования и продолжающихся на протяжении всей разработки и последующих этапов жизненного цикла.” В MBSE модели системы являются первичными артефактами процесса проектирования систем и управляются. Контролируются и интегрируются с другими частями технической

базовой линии системы. Это контрастирует с традиционным документоцентрическим подходом к системной инженерии. Где текстовая документация и спецификации управляются и контролируются . Использование модельного подхода к проектированию систем должно привести к значительному улучшению качества спецификации системы и качества проектирования, снижению рискариска и стоимости разработки системы за счет выявления проблем на ранних этапах процесса проектирования. Повышению производительности за счет повторного использования системных артефактов и улучшению коммуникаций между командами разработки и внедрения системы.

В дополнение к созданию моделей подход MBSE обычно включает методы управления моделями, которые направлены на обеспечение надлежащего управления моделями . И методы валидации моделей, которые направлены на обеспечение того . Чтобы модели точно представляли моделируемые системы.

Совместно спонсируемая INCOSE/Object Management Group (OMG) MBSE Wiki предоставляет дополнительную информацию об инициативе INCOSE MBSE. Включая некоторые приложения MBSE и некоторые ключевые темы . Связанные с MBSE. Такие как разделы по методологии и метрикамМетрикии Управление моделями.

Заключительный отчет Подкомитета по моделированию на основе моделей (MBE), который был подготовлен Комитетом по моделированию и моделированию Национальной оборонно-промышленной ассоциации (NDIA) Отдела системной инженерии. Освещает многие преимущества. Риски и проблемы модельного подхода и включает в себя множество ссылок на тематические исследования MBE (NDIA 2011).

Краткая история языков и методов системного моделирования

Многие методы системного моделирования и связанные с ними языки моделирования были разработаны и развернуты для поддержки различных аспектов системного анализа. Проектирования и реализации.

Языки функционального моделирования включают диаграмму потока данных (DFD) (Yourdon and Constantine 1979). Определение интеграции для функционального моделирования (IDEF0) (Menzel and Maier 1998) и расширенную блок-схему функционального потока (eFFBD). Другие методы поведенческого моделирования включают классическую диаграмму перехода состояний. Диаграммы состояний (Harel 1987) и диаграммы потоков процессов. Методы структурного моделирования включают диаграммы структуры данных (Jackson 1975). Диаграммы отношений сущностей (Chen 1976) и методы объектного моделирования (Rumbaugh et al. 1991). Которые объединяют объектные диаграммы. DFDS и диаграммы состояний.

В 2008 году Эстефан провел обширное исследование методов. Процессов и инструментов системного моделирования и задокументировал результаты в Обзоре методологий проектирования систем на основе моделей (MBSE) (Estefan 2008). Этот опрос выявил несколько возможных методологий MBSE и языков моделирования. Которые могут быть применены для поддержки подхода MBSE. Дополнительные методы моделирования доступны на сайте MBSE Wiki в разделе Стандарты моделирования раздел относится к некоторым стандартным языкам моделирования систем и другим стандартам моделирования. Поддерживающим MBSE.

После доклада Эстефана был проведен ряд исследований. Направленных на понимание приемлемости и барьеров для разработки систем на основе моделей (Bone and Cloutier 2010, 2014; Cloutier 2015).

Рекомендации

Цитируемые работы

Bellinger, G. 2004. размышлениях о ментальной модели. Доступно по адресу: http://www.systems-thinking.org/modsim/modsim.htm.

Bone, M. & Cloutier. R. 2010. ” Текущее состояние системной инженерии на основе моделей: результаты запроса OMG™ SysML на информацию 2009 г. Доступно по адресу http://www.omgsysml.org/SysML_2009_RFI_Response_Summary-bone-cloutier.pdf

. Дата обращения: 26 мая 2019 года.

Cloutier, R. & Bone. M. 2014. “MBSE surveyДоступно по адресу: http://www.omgwiki.org/MBSE/lib/exe/fetch.php?media=mbse:incose_mbse_survey_results_initial_report_2015_01_24.pdf. Дата обращения: 26 мая 2019 года.

Cloutier. R. 2015. “Современные тенденции моделирования в системной инженерии, INCOSE Insight, vol. 18, no. 2.

Chen, P. 1976. Transactions on Data Base Systems, vol. 1, no. 1, pp. 9-36.

МО, 1998. DoD Manual 5000.59-M. Арлингтон, Вирджиния, США: Министерство обороны США.

Январь. П2.13.22. Доступно по адресу http://www.dtic.mil/whs/directives/corres/pdf/500059m.pdf.

Дори, Д. 2002. Объектно-Процессная Методология: Целостная Системная Парадигма. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Springer.

Дори, Д. 2003. , Communications of the ACM, vol. 46, no. 10, pp. 62-65. Доступно по адресу: http://esml.iem.technion.ac.il/site/wp-content/uploads/2011/02/article169.pdf.

Эстефан, Дж. A Survey of Model-Based Systems Engineering (MBSE) Methodologies, rev. B, Seattle, WA, USA: International Council on Systems Engineering. INCOSE-TD-2007-003-02…

Фриденталь, С., А. Мур. Р. Штайнер и М. Кауфман.

2012. Практическое руководство по SysML: Язык моделирования систем, 2-е издание. Нидхэм, Массачусетс, США: OMG Press.

Guizzardi, G. 2007. On ontology. Ontologies. Conceptualizations. Modeling languages. And (meta)modelsДоступно по адресу: http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1565425.

Харель, Д. 1987. , Science of Computer Programming, vol. 8, no. 3, pp. 231-74.

Джексон, М. А. 1975. Принципы проектирования программ. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Academic Press.

Menzel, C. and R. J. Mayer, 1998. Справочник по архитектуре информационных систем. Берлин, Германия: Springer-Verlag, стр.

ОМГ. 2010. Модель фундамента МДА. Needham, MA, USA: Object Management Group. ORMSC/2010-09-06.

Румбо, Дж., М. Блаха. У. Премерлани. Ф. Эдди и У. Лоренсон. 1990. Объектно-ориентированное моделирование и проектирование. Аппер-Седл-Ривер. Нью-Джерси, США: Прентис-Холл.

Пресса, Ю. и Л. Л. Константин. 1976. Структурированное проектирование: Основы дисциплины проектирования компьютерных программ и систем. Аппер-Седл-Ривер. Нью-Джерси, США: Прентис-Холл.

Йордон Е. и Константин Л. Л. Структурированное проектирование: Основы дисциплины Аппер-Седл-Ривер. Нью-Джерси, США: Prentice-Hall. Inc. 1-е издание.

Основные ссылки

Эстефан, Дж. Обзор методологий системной инженерии на основе моделей (MBSE), ред. Б. Сан-Диего. Калифорния, США: Международный совет по системной инженерии. INCOSE-TD-2007-003-02… Доступно по адресу: http://www.incose.org/ProductsPubs/pdf/techdata/MTTC/MBSE_Methodology_Survey_2008-0610_RevB-JAE2.pdf.

Guizzardi, G. 2007. On ontology. Ontologies. Conceptualizations. Modeling languages. And (meta)modelsДоступно по адресу: http://portal.acm.org/citation.cfm?id=1565425.

INCOSE. 2007. Видение системной инженерии 2020г. Сиэтл, Вашингтон, США: Международный совет по системной инженерии.

Сентябрь 2007 года. INCOSE-TP-2004-004-02.

NDIA. 2011. Заключительный отчет Подкомитета по разработке моделей на основе моделей (MBE). Арлингтон, Вирджиния, США: Национальная оборонно-промышленная ассоциация. Доступно по адресу: http://www.ndia.org/Divisions/Divisions/SystemsEngineering/Documents/Committees/M_S%20Committee/Reports/MBE_Final_Report_Document_(2011-04-22)_Marked_Final_Draft.pdf

Дополнительные ссылки

Downs, E., P. Clare. And I. Coe. 1992. Structured Systems Analysis and Design Method: Application and Context. Хартфордшир. Великобритания: Prentice-Hall International.

Эйснер, Х. 1988. Инженерия автоматизированных систем. Энглвуд-Клиффс. Нью-Джерси, США: Прентис-Холл.

Харель, Д. 1987. , Science of Computer Programming, vol. 8, no. 3, pp. 231-74.

Kossiakoff, A. and W. Sweet. 2003. Глава 14Принципы и практика системной инженерии. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Уайли и сыновья.

OMG. Группа управления объектами (OMG). Доступно по адресу: http://www.omgwiki.org/MBSE/doku.php. Дата обращения: 11 сентября 2011 года.

Оливер, Д., Т. Келлибер и Дж. 1997. Инженерные комплексные системы с Моделями и Объектами. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: McGraw-Hill.



| Родительская статья |

SEBoK v. 2.3, выпущенный 30 октября 2020 года