基于特定領(lǐng)域建模的仿真組件建模方法?

趙晨陽

（華中科技大學(xué) 國家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074）

0 引言

在仿真組件模型開發(fā)方法上，當(dāng)前主要圍繞基于XML的MDA（Model Driven Architecture）的思想和方法［1，2］，然而，基于MDA的模型驅(qū)動開發(fā)方法沒有領(lǐng)域概念支持，通用的UML并不能清楚地表達(dá)建模時需要的一些概念并且對模型的描述不精確。DSM是新一代建模理論［3］，其主要思想是針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域建立該領(lǐng)域建模語言（DSML，Domain-Specific Modeling Language）或規(guī)則，直接使用問題域的業(yè)務(wù)概念和規(guī)則解決領(lǐng)域問題。這種方法比基于UML的MDA抽象層次更高、效率更高，完全由用戶控制代碼的生成。目前，特定領(lǐng)域建模方法已經(jīng)在軍事、汽車、航空和化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［4－6］，并體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，但在仿真組件建模領(lǐng)域的研究國內(nèi)外還比較少。本文基于特定領(lǐng)域建模技術(shù)，構(gòu)建仿真組件領(lǐng)域元模型，實現(xiàn)了面向仿真組件領(lǐng)域的精確建模到模型代碼的自動生成。

1 仿真組件領(lǐng)域建模過程

仿真組件建模采用DSM理論，可以將過程劃分為兩個階段：仿真組件領(lǐng)域建模環(huán)境構(gòu)建和用戶仿真模型的開發(fā)。仿真組件領(lǐng)域建模過程如圖1所示。

首先要進行領(lǐng)域建模，采用DSM理論，抽象出面向仿真組件模型領(lǐng)域的元模型［7］，建立統(tǒng)一的面向該領(lǐng)域的DSML，在元模型的基礎(chǔ)上開發(fā)出模型解釋器。

用戶開發(fā)模型是用面向仿真組件建模領(lǐng)域的DSML構(gòu)建仿真組件模型，因此，仿真組件模型開發(fā)人員不需要跟計算機領(lǐng)域的開發(fā)人員溝通，根據(jù)自身所掌握的領(lǐng)域知識和系統(tǒng)的需求來搭建領(lǐng)域模型，通過模型解釋器實現(xiàn)模型到代碼的轉(zhuǎn)換，生成最終模型代碼。

圖1 仿真組件領(lǐng)域建模過程

2 仿真組件領(lǐng)域模型構(gòu)建

2.1 仿真組件的基本結(jié)構(gòu)分析

隨著基于組件的設(shè)計（Component-based design）理念的提出，SCM成為整個仿真系統(tǒng)的核心部分。SCM是針對仿真領(lǐng)域的基于組件的標(biāo)準(zhǔn)模型，實現(xiàn)仿真功能和行為、仿真集成需求與中間件的分離［8］。采用DSM理論，抽象出仿真組件最小單元共性的基本結(jié)構(gòu)，SCM結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為組件各模塊組成、組合及相互間的鏈接關(guān)系。SCM組件模塊可分解為模型輸入模塊、模型輸出模塊、模型狀態(tài)模塊、模型數(shù)據(jù)模塊、功能接口模塊、用戶消息模塊和模型調(diào)用接口模塊等，如圖2所示。

2.2 仿真組件領(lǐng)域元模型構(gòu)建

基于特定領(lǐng)域建模就是用領(lǐng)域建模語言對領(lǐng)域模型進行描述，建立元模型的過程，即為建立DSML的過程［9］。根據(jù)仿真組件模型的領(lǐng)域概念及其基本結(jié)構(gòu)分析，構(gòu)建仿真組件模型的元模型。仿真組件元模型包括根模塊域類（ModelRoot）、功能模塊域類（Function）和消息模塊域類（Message）。功能模塊域類由ModelRootHasFunctions關(guān)系嵌入到根模塊域類，消息模塊域類由ModelRootHasMessage關(guān)系嵌入到根模塊域類。功能模塊定義輸入域類（InputParam）、輸出域類（OutputParam）、狀態(tài)域類（StateParam）、初始變量域類（InitializeParam）、系統(tǒng)消息域類（RespondMessage）、用戶消息域類（UserMessage）、內(nèi)部變量域類（InsideVariable）和它們的屬性共同嵌入到功能模塊域類。消息參數(shù)域類由MessageHasMessageParam關(guān)系嵌入到消息域類，由此構(gòu)建的SCM元模型如圖3所示。這些模型要素在后臺均以XML格式進行層次化存儲。仿真組件元模型的定義和約束的過程，也是定義SCMML的過程。

圖2 仿真組件基本結(jié)構(gòu)

3 仿真組件領(lǐng)域建模實例

本文主要由火箭仿真組件領(lǐng)域開發(fā)人員，利用SCMML建模，完成火箭仿真組件領(lǐng)域建模。根據(jù)火箭仿真組件領(lǐng)域建模需求，使用SCMML建立的火箭仿真組件模型如圖4所示，其中定義了功能模塊RunModel及其如下輸入?yún)?shù)：地球基本參數(shù)BasicEarthParam、反射點地理參數(shù)LaunchPos、引力加速度VecGravity＿g、輸出火箭位置VecPos＿g、狀態(tài)參數(shù)StateParam1、初始參數(shù)InitializeParam1、7個固定的系統(tǒng)消息、用戶消息Msg1、內(nèi)部變量k1以及class1和Msg1。

發(fā)出轉(zhuǎn)換模型命令后，通過模型轉(zhuǎn)換器，在Visual Studio的“解決方案資源管理器”代碼框架里自動添加對應(yīng)的模型代碼。本實例添加的模型代碼文件為類定義文件class1.h和class1.cpp、結(jié)構(gòu)體定義文件User＿Struct.h、用戶消息定義文件UserMsgDef.h、功能模塊定義文件Runodel.cpp和UserApi＿RunModel.cpp以及組件模型接口文件Interface.cpp。

圖3 SCM元模型

圖4 火箭仿真組件領(lǐng)域建模實例

通過和手工編碼建立火箭仿真模型的研究比較，利用特定領(lǐng)域建模的仿真組件建模方法自動生成火箭仿真模型可節(jié)省50%的時間，在模型重用性、快速定制方面有很大的優(yōu)勢。經(jīng)編譯調(diào)試及在第三方仿真平臺調(diào)用測試，表明自動生成的模型具有良好的可靠性。

4 結(jié)束語

本文分析確定了仿真組件結(jié)構(gòu)和開發(fā)過程，引入特定領(lǐng)域建模理論建立了仿真組件領(lǐng)域元模型，開發(fā)了仿真組件領(lǐng)域建模語言SCMML，使得該領(lǐng)域模型的開發(fā)工作主要集中在組件的建模、設(shè)計。應(yīng)用此建模語言搭建了火箭仿真組件模型，經(jīng)過模型轉(zhuǎn)換器生成火箭組件模型源程序，比手工編碼建模節(jié)省了50%的時間。因此基于DSM方法開發(fā)仿真組件模型，滿足了領(lǐng)域工程人員對該領(lǐng)域的特定模型進行快速定制，形成了仿真組件開發(fā)方法上的突破，較之傳統(tǒng)的手工編碼，無論是從提高開發(fā)效率方面，還是模型維護和重用方面，都有許多優(yōu)勢。

［1］付佩，谷青范.基于UML的可執(zhí)行模型實現(xiàn)機制研究［J］.航空電子技術(shù)，2013（1）：10-14.

［2］王超.基于MDA的仿真模型開發(fā)與集成框架研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2006：25-34.

［3］Karsai G，Sztipanovits J，Ledecai A，et al.Modelintegrated development of embedded software［J］.Proceedings of the IEEE，2003，91（1）：145-164.

［4］Delaval G，Rutten E.A domain-specific language for multitask systems，applying discrete controller synthesis［J］.Eurasip Journal on Embedded Systems，2007（10）：17-33.

［5］舒兆港，李迪，胡躍軍，等.基于領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)代碼生成技術(shù)［J］.計算機工程，2009，35（1）：7-9.

［6］Oscar G，Rubby C，Dirk D.MMC-BPM：a domainspecific language for business processes analysis［J］.Business Information Systems，2009，21：157-168.

［7］肖蘇華，李迪，葉峰，等.基于特定領(lǐng)域建模的數(shù)控系統(tǒng)元模型研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報（理工版），2008，25（1）：92-96.

［8］燕雪峰，杜慶偉，柴旭東.一種新的仿真組件模型及其實現(xiàn)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，38（6）：780-785.

［9］崔妍妍.特定領(lǐng)域動態(tài)元建模語言研究［D］.昆明：云南大學(xué)，2010：78.