今天我們所需應(yīng)對的復(fù)雜系統(tǒng)中最突出的特征是由物理、控制、通信、計(jì)算和網(wǎng) 絡(luò)等多個(gè)方面的交互和集成，未來多學(xué)科的系統(tǒng)都將是賽博物理系統(tǒng)（簡稱 CPS）。當(dāng) 前，隨著各類賽博物理系統(tǒng)概念化構(gòu)思和規(guī)�；\(yùn)行的不斷涌現(xiàn)，而我們面對工程的 雄心和自信心將受到質(zhì)疑，因?yàn)閮H是憑借那些分散在單個(gè)學(xué)科的專家和知識以及樸實(shí) 的工程實(shí)踐能力，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法支持尋求和維系具有錯(cuò)綜復(fù)雜交互組件構(gòu)成的宏大的解 決方案。面對未來復(fù)雜的工程化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)工程的進(jìn)步方向不僅突出對技 術(shù)約束的考慮，而且更將會涉及消除如物理及數(shù)據(jù)交互帶來的影響。
在基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的整體理論以及系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)和工 具的支持下，我們亟待依賴建立單一的、形式化的系統(tǒng)建模語言，通過恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展來 表示系統(tǒng)中組件之間物理交互與信號流之間的相互作用，并解決兩類迥然不同的問 題：1）系統(tǒng)組件之間交換攜帶著能量物質(zhì)的物理交互，組件的行為由與流率、勢能 和組件變量相關(guān)的方程所決定，而在仿真中物理交互更適于表示具有實(shí)體物質(zhì)交換組 件的系統(tǒng)；2）系統(tǒng)組件按照預(yù)定方向交換數(shù)值和布爾值的信號流，其組件行為是由 相關(guān)的輸入、輸出和組件變量的方程來指定的，而信號流更適于描述控制和信號處理 系統(tǒng)。
對象管理組織（OMG）的 SysPhS 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用 SysML 的擴(kuò)展支持物理交互和信號流 的仿真，其優(yōu)點(diǎn)在于定義了 SysML 模型和 Modelica 或 MATLAB Simulink / Simscape 模 型之間轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，并提供了一種用于定義和共享仿真的、基于模型的簡潔方法，從 而支持系統(tǒng)工程師和其他的專業(yè)工程師之間開展跨學(xué)科的溝通。通過針對 SysML 增加 附加仿真信息的特點(diǎn)，SysPhS 的構(gòu)造型（stereotype）特別強(qiáng)調(diào)在模型中而不是在具體 仿真軟件配置中來定義模型的特性，從而擴(kuò)展出了獨(dú)立于仿真平臺的物理交互仿真模 型以及信號流仿真模型，并提供了人可理解的數(shù)學(xué)表達(dá)式的文本句法，同時(shí)可在系統(tǒng) 模型中創(chuàng)建可重用的仿真元素的 SysML 庫。
本書內(nèi)容源自 OMG 的《支持物理交互和信號流仿真的 SysML 擴(kuò)展》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
（版本 1.1）的內(nèi)容，重點(diǎn)在于突出其技術(shù)部分，介紹由 SysML 擴(kuò)展來定義支持物理交 互和信號流仿真的公共特征的基本方式，這部分特征在 SysML 中原本并不存在；描述 一種與平臺無關(guān)的、分別用以表示不透明表達(dá)式和不透明行為的方程式和算法語句的 語言；講解模型轉(zhuǎn)換到仿真平臺之前執(zhí)行的 SysML 預(yù)先處理過程；說明經(jīng)過上述擴(kuò)展 的 SysML 模型如何與多種仿真平臺（Modelica 和 Simulink，包括 Simulation 擴(kuò)展，如 Simscape）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；針對組件交互和行為定義，指導(dǎo)我們來定義一個(gè)與平臺 無關(guān)、支持重用的仿真組件庫。
本書的目的在于呈現(xiàn)支持賽博物理系統(tǒng)的交互仿真的 SysML 擴(kuò)展的基本原理和技術(shù)路徑，讀者將從本書中理解并掌握與物理交互和數(shù)據(jù)流仿的模型設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)用的 關(guān)鍵問題以及解決思路，并可從與相關(guān)軟件工具的應(yīng)用介紹中得到有關(guān)模型開發(fā)、模 型庫建立的有益指南。在 MBSE 應(yīng)用中，工程實(shí)踐人員將學(xué)習(xí)借助統(tǒng)一的系統(tǒng)建模語 言解決跨學(xué)科交互仿真的建模技術(shù)。同時(shí)，該書還可作為系統(tǒng)工程、賽博物理系統(tǒng)、 自主系統(tǒng)等方向研究生的教材，使其有機(jī)會可系統(tǒng)地學(xué)習(xí)關(guān)于物理交互和數(shù)據(jù)流仿真 的最新理論，并通過具體步驟、案例講解等的指導(dǎo)，領(lǐng)悟 MBSE 應(yīng)用中的倡導(dǎo)的協(xié)同 建模、協(xié)同仿真等相關(guān)新型技術(shù)的基本方法和實(shí)現(xiàn)方式。
作者 2023 年 12 月
第 1 章 范 圍…………………………………………………………………………… 1
第 2 章 符合性…………………………………………………………………………… 3
第 3 章 引 用…………………………………………………………………………… 4
3.1 規(guī)范性引用 …………………………………………………………………… 4
3.2 非規(guī)范性引用 ………………………………………………………………… 4
第 4 章 術(shù)語和定義……………………………………………………………………… 6
第 5 章 對象管理組織…………………………………………………………………… 7
第 6 章 附加信息………………………………………………………………………… 8
6.1 信號流與物理交互仿真的對比 ……………………………………………… 8
6.2 如何閱讀本書 ………………………………………………………………… 8
第 7 章 支持物理交互和信號流仿真的 SysML 擴(kuò)展 ………………………………… 10
7.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 10
7.2 仿真的擴(kuò)展集（profile） ……………………………………………………… 10
第 8 章 描述數(shù)學(xué)表達(dá)式的語言………………………………………………………… 14
第 9 章 SysML 模型預(yù)處理 …………………………………………………………… 15
9.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 15
9.2 使用關(guān)聯(lián)塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來替代由關(guān)聯(lián)塊所類型化的連接器 ……………… 15
9.3 將非仿真端口轉(zhuǎn)換為構(gòu)件 …………………………………………………… 16
9.4 分離擁有多個(gè)仿真流特性的塊，并類型化構(gòu)件和端口 …………………… 17
9.5 移除連接器末端的嵌套 ……………………………………………………… 22
第 10 章 SysML 平臺與仿真平臺之間的轉(zhuǎn)換 ………………………………………… 24
10.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 24
10.2 根元素 ………………………………………………………………………… 25
10.3 塊與特性 ……………………………………………………………………… 27
10.4 泛 化 ………………………………………………………………………… 30
10.5 特性重定義 …………………………………………………………………… 32
10.6 PhSVariable 和 PhSConstant ………………………………………………… 35
10.7 端口和流特性 ………………………………………………………………… 37
10.8 連接器 ………………………………………………………………………… 42
10.9 帶約束的塊 …………………………………………………………………… 47
10.10 缺省值和初始值 …………………………………………………………… 55
10.11 數(shù)據(jù)類型和單位 …………………………………………………………… 58
10.12 狀態(tài)機(jī) ……………………………………………………………………… 60
10.13 數(shù)學(xué)表達(dá)式 ………………………………………………………………… 66
第 11 章 平臺無關(guān)組件庫 ……………………………………………………………… 67
11.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 67
11.2 組件交互 ……………………………………………………………………… 67
11.3 組件行為 ……………………………………………………………………… 68
11.4 具有單位的值類型 …………………………………………………………… 80
11.5 平臺相關(guān)的擴(kuò)展 ……………………………………………………………… 81
附錄A：示例（非規(guī)范的）……………………………………………………………… 86
A.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 86
A.2 電 路 ………………………………………………………………………… 86
A.3 信號處理器 …………………………………………………………………… 91
A.4 液壓系統(tǒng) ……………………………………………………………………… 97
A.5 加濕器 ……………………………………………………………………… 101
A.6 巡航控制系統(tǒng) ……………………………………………………………… 119
附錄B：與平臺無關(guān)的調(diào)試（非規(guī)范）……………………………………………… 133
B.1 介 紹 ……………………………………………………………………… 133
B.2 預(yù)處理：簡化模型 ………………………………………………………… 134
B.3 仿真執(zhí)行失敗的靜態(tài)調(diào)試 ………………………………………………… 136
B.4 仿真結(jié)果超出預(yù)期的動態(tài)調(diào)試 …………………………………………… 140
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