基于SysML的平臺無關(guān)模型轉(zhuǎn)換研究

褚長勇 任栩生 孫安程

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 浙江 杭州 310018)

0 引 言

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，人們需要開發(fā)的系統(tǒng)日益復(fù)雜，而且牽涉到的領(lǐng)域也越來越廣。系統(tǒng)建模語言SysML針對系統(tǒng)工程領(lǐng)域中設(shè)計(jì)與建模的特點(diǎn)，提供了可視化、圖形化的系統(tǒng)建模支持，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)建模[1]。SysML包含九種模型視圖，側(cè)重于不同角度反映整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征。模型圖之間相互關(guān)聯(lián)，互為補(bǔ)充。但是現(xiàn)階段系統(tǒng)建模主要依賴于工程師的個人能力水平，不僅建模效率較低，而且也無法避免人為錯誤導(dǎo)致的模型錯誤、不一致等問題。

由于不同模型圖反映的模型信息存在重疊、冗余的情況，因此可以對模型信息進(jìn)行擴(kuò)展，加強(qiáng)模型之間的聯(lián)系，通過建立模型之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換達(dá)到快速開發(fā)建模的目的。模型驅(qū)動架構(gòu)MDA(Model Driven Architecture)是對象管理組織OMG(Object Management Group)于2001年提出的軟件系統(tǒng)開發(fā)方法。對MDA而言，模型不再是一種輔助工具，而是開發(fā)過程的產(chǎn)品，其核心即為模型轉(zhuǎn)換。平臺無關(guān)模型PIM(Platform Independent Model)和平臺相關(guān)模型PSM(Platform Specific Model)是MDA中用于開發(fā)工作的計(jì)算模型。MDA中PIM到PIM的轉(zhuǎn)換實(shí)際上是模型之間的增強(qiáng)、過濾和精化。目前MDA更多地關(guān)注在PIM到PSM的轉(zhuǎn)換上，忽視了PIM的精確性對系統(tǒng)需求的影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)快速、精確建立系統(tǒng)的SysML模型，提出一種基于UML Profile通用擴(kuò)展機(jī)制的模型轉(zhuǎn)換方法：根據(jù)模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分別定義SysML需求圖及用例圖的模型擴(kuò)展版型(Stereotype)，通過元模型間的映射方法實(shí)現(xiàn)SysML需求圖到用例圖、用例圖到序列圖的轉(zhuǎn)換。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[2]提出一種模型映射的九元組，并給出序列圖到狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換的形式化定義，但該方法沒有實(shí)現(xiàn)模型的自動生成，需要分段分析并進(jìn)行整合。文獻(xiàn)[3]采用規(guī)范化的描述語言，設(shè)計(jì)了一種用例圖到序列圖的半自動轉(zhuǎn)換方法，但這種方法不但在描述語言中抽取信息時存在混淆錯誤的情況，還需額外設(shè)計(jì)模型圖中元素的格局布置，準(zhǔn)確度和自由度較低。文獻(xiàn)[4]給出一種遞歸對象模型(ROM)到SysML模型的轉(zhuǎn)換方法，通過分析系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)其ROM模型，ROM模型實(shí)際上也是規(guī)范化描述語言的圖形化表示，通過分析ROM模型元素間得關(guān)系實(shí)現(xiàn)ROM到SysML的模型轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[2-4]對于建立SysML模型圖之間的映射、實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換給出了參考思路：通過分析模型圖的用途、元素組成，可以構(gòu)建模型元素間的映射關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換的目的。

文獻(xiàn)[5]提出以擴(kuò)展需求圖為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)其到用例圖及狀態(tài)圖的轉(zhuǎn)換。但其擴(kuò)展沒有依據(jù)SysML模型圖之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，只是將所有擴(kuò)展信息加入需求圖中，導(dǎo)致需求圖過于臃腫，并且適用范圍很窄。文獻(xiàn)[6]采用業(yè)務(wù)流程建模標(biāo)記(BPMN)方法，通過在計(jì)算無關(guān)模型(CIM)層次創(chuàng)建包含更多信息的業(yè)務(wù)模型，研究實(shí)現(xiàn)CIM到PIM的轉(zhuǎn)換，與文獻(xiàn)[5]類似，同樣使用擴(kuò)展源模型的方式來實(shí)現(xiàn)。因此，在建立模型間映射關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展源模型所包含的信息、約束、關(guān)聯(lián)關(guān)系是實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換、達(dá)到快速開發(fā)建模目的的有效方法。

2 模型轉(zhuǎn)換的擴(kuò)展Profile設(shè)計(jì)

2.1 需求圖到用例圖的轉(zhuǎn)換

SysML需求圖是由UML類圖擴(kuò)充而來，是SysML中用于溝通以文字形式記錄的系統(tǒng)需求的一種主要媒介。建模者通常會創(chuàng)建需求圖來表示需求之間的可跟蹤性，以及從需求到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行為的可跟蹤性,包括包含、跟蹤、繼承、改善、驗(yàn)證等關(guān)系[7]。SysML用例圖可以顯示各種類型的元素和關(guān)系，說明系統(tǒng)提供的服務(wù)信息，以及需要服務(wù)的利益相關(guān)者的信息。在用例圖中通過創(chuàng)建用例描述系統(tǒng)的功能性需求，包括基礎(chǔ)用例、內(nèi)含用例(include)和擴(kuò)展用例(extend)。因此，根據(jù)需求圖與用例圖內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將需求圖中的功能性需求部分通過模型轉(zhuǎn)換得到用例圖是可行的。

根據(jù)這種思想，首先需要使用UML Profile設(shè)計(jì)需求圖的擴(kuò)展版型(Stereotype)，使其能夠包含用例圖中的Actor、Include以及Extend等元素，這是實(shí)現(xiàn)需求圖到用例圖轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。如圖1所示，在功能性需求擴(kuò)展版型中：TargetUseCase用于判斷該需求是否為所需的功能性需求；TargetUser表示需求所服務(wù)的使用者，同時通過枚舉的方式列出使用者；IncludedBy表示用例的內(nèi)含關(guān)系；ExtendedFrom和ExtensionPoint則表示用例之間的擴(kuò)展關(guān)系。最后，將其導(dǎo)入到所建立的需求圖中。

圖1 需求圖的擴(kuò)展Profile

2.2 用例圖到序列圖的轉(zhuǎn)換

SysML中序列圖可以表達(dá)系統(tǒng)動態(tài)行為信息，說明隨著時間推移而發(fā)生的行為和事件的序列。通過生命線元素，為系統(tǒng)行為中的參與者建模，然后使用生命線之間的消息，為參與者之間的交互建模[7]。序列圖主要包含的模型元素有：消息發(fā)送者、消息接收者以及消息序列。用例圖是用來描述系統(tǒng)功能的，從面向?qū)ο蟮慕嵌葋砜?，系統(tǒng)的功能是由一組對象通過互相發(fā)送消息來完成，而序列圖則是通過這樣的對象和信息來描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。因此，序列圖是描述用例的事件流場景[8]。

基于用例圖與序列圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同樣使用UML Profile設(shè)計(jì)用例圖的擴(kuò)展版型(Stereotype)，使用例圖中每一個用例都可以完整表達(dá)其內(nèi)部的事件流，如圖2所示。首先，為了確定要進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換的目標(biāo)用例，設(shè)置TargetUseCase來進(jìn)行判斷，對布爾值為true的用例進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作；其次，由于序列圖中可能存在用例外部的“觸發(fā)者”通過消息激活序列圖事件流，所以設(shè)置多重性為[0,1]的Trigger作為觸發(fā)者，TMessage作為觸發(fā)消息，TReceiver作為接收消息的生命線元素表達(dá)這種情況；最后，通過發(fā)送者序列(SenderSequence)、接收者序列(ReceiverSequence)以及消息序列(MessageSequence)來表達(dá)生命線元素之間的消息交互。從縱向來看，消息的發(fā)送者、接收者和消息本身組成了一個消息傳遞的三元組，該三元組在橫向上按照從左到右的方式對消息傳遞按照時間先后進(jìn)行排序，從而可以得到消息傳遞的順序。

圖2 用例圖的擴(kuò)展Profile

3 基于擴(kuò)展Profile模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)過程

3.1 ATL模型轉(zhuǎn)換語言

ATL(Atlas Transf ormation Language)[9-10]是ATLAS、INRIA&LINA和Nantes大學(xué)共同開發(fā)的一種符合OMG的QVT解決方案，它基于EMF(Eclipse模型框架)，通過EMF來描述其元模型和模型。從本質(zhì)上來說，ATL是一種描述式和命令式混合的編程語言。一方面ATL的描述式可以簡化源模型和目標(biāo)模型元素之間的映射，另一方面命令式可以彌補(bǔ)描述式在映射關(guān)系上的不足[11]。

本文在Eclipse平臺上通過插件Papyrus分別對需求圖、需求圖擴(kuò)展Profile以及用例圖擴(kuò)展Profile進(jìn)行建模。在此基礎(chǔ)上，通過在ATL插件中使用ATL模型轉(zhuǎn)換語言編寫轉(zhuǎn)換代碼來實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換。

3.2 需求圖到用例圖轉(zhuǎn)換的ATL規(guī)則實(shí)現(xiàn)

首先，需定義模型(Model)層面的轉(zhuǎn)換規(guī)則，由需求模型經(jīng)ATL轉(zhuǎn)換生成用例模型，作為容器為后續(xù)元素層面的模型轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。規(guī)則可用如下偽代碼來描述：

if exist RequirementModel && contain Profile then

create UseCaseModel

在元素層面，將經(jīng)Profile擴(kuò)展的需求圖中包含的元素分別對應(yīng)轉(zhuǎn)換為用例圖中的執(zhí)行者、用例、執(zhí)行者與用例之間的關(guān)系以及用例之間的關(guān)系。在遍歷需求圖實(shí)例的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換規(guī)則如下：

(1) 若關(guān)鍵詞TargetUser存在，則將其包含的元素轉(zhuǎn)換為用例圖中的Actor，即執(zhí)行者；

(2) 判斷TargetUseCase設(shè)置的屬性值，若為true，將該實(shí)例轉(zhuǎn)換為用例圖中的UseCase，即用例；

(3) 若實(shí)例中TargetUser存在并且TargetUseCase為true，則在用例圖中創(chuàng)建執(zhí)行者與用例之間的關(guān)系(Association)；

(4) 若需求圖中IncludedBy存在，則將其包含的實(shí)例作為源端用例，該需求本身作為目標(biāo)用例，建立用例之間的內(nèi)含關(guān)系(include)；

(5) 同理，若需求圖中ExtendedFrom存在，則將其包含的實(shí)例作為目標(biāo)用例，該需求本身作為源端用例，在目標(biāo)用例中創(chuàng)建對源端用例的接口ExtensionPoint，實(shí)現(xiàn)用例之間的擴(kuò)展關(guān)系(extend)。

下列偽代碼描述了元素之間的對應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將其放入模型層中實(shí)現(xiàn)需求圖到用例圖的轉(zhuǎn)換過程：

traversal instances in RequirementModel

//創(chuàng)建執(zhí)行者

if exist TargetUser then

create Actor

Actor.name=TargetUser.name

//創(chuàng)建用例

if TargetUseCase is true then

create UseCase

UseCase.name=TargetUseCase.name

//創(chuàng)建Association

if exist TargetUser && TargetUseCase is true then

create Association

Association.from=Actor

Association.to=UseCase

//創(chuàng)建內(nèi)含關(guān)系

if exist IncludedBy then

create include

include.from=UseCase[target]

include.to=UseCase[self]

//擴(kuò)展關(guān)系與內(nèi)含關(guān)系類似，不再贅述

……

3.3 用例圖到序列圖轉(zhuǎn)換的ATL規(guī)則實(shí)現(xiàn)

在模型層面，與需求圖到用例圖的轉(zhuǎn)換類似，由用例模型轉(zhuǎn)換生成序列模型作為容器。與用例圖不同的是，序列圖還需在模型中創(chuàng)建一個交互(Interaction)面板，用于放置后續(xù)的模型元素。偽代碼如下：

if exist UseCaseModel && contain Profile then

create SequenceModel

create Interaction

元素層面上，需由用例包含的事件流信息轉(zhuǎn)換得到序列圖中生命線、消息序列等元素。其轉(zhuǎn)換規(guī)則設(shè)計(jì)如下：

(1) 設(shè)置布爾值屬性關(guān)鍵詞TargetUseCase，若值為true，則將該用例作為轉(zhuǎn)換時序圖的目標(biāo)用例，獲取該用例所包含的事件流信息；

(2) 若用例中外部觸發(fā)者Trigger存在，將該元素轉(zhuǎn)換為序列圖中的LifeLine，即生命線元素；

(3) 用例的觸發(fā)消息中，以Trigger、TMessage以及TReceiver作為觸發(fā)消息的三元組，判斷三者的值屬性轉(zhuǎn)換得到序列圖的觸發(fā)消息；

(4) 若用例的內(nèi)部事件InternalEvent存在，將其包含的所有元素均轉(zhuǎn)換為生命線元素；

(5) 用例內(nèi)部事件之間的消息交互，同樣采用消息三元組SenderSequence、MessageSequence以及ReceiverSequence通過模型轉(zhuǎn)換得到序列圖中生命線元素之間的消息序列；

(6) 規(guī)定TMessage和MessageSequence消息交互的屬性值首位以數(shù)字序號開頭，用以判別消息交互的序列，以便模型轉(zhuǎn)換后序列圖的消息布局。

實(shí)現(xiàn)該模型轉(zhuǎn)換的偽代碼如下：

//判斷是否為目標(biāo)用例

if TargetUseCase is true then

//創(chuàng)建觸發(fā)者生命線

if exist Trigger then

create LifeLine

LifeLine.name=Trigger.name

//若存在觸發(fā)者，則必定有觸發(fā)消息

//創(chuàng)建觸發(fā)消息

create LifeLine

LifeLine.name=TReceiver.name

create Message

//觸發(fā)消息必定在消息序列的首位

Message.name=“0 ”+TMessage.name

Message.from=LifeLine[Trigger]

Message.to=LifeLine[TReceiver]

//創(chuàng)建內(nèi)部事件生命線

if exist InternalEvent then

for i 0 to InternalEvent.length by 1 do

create LifeLine

LifeLine.name=InternalEvent[i].name

//創(chuàng)建內(nèi)部消息

for j 0 to MessageSequence.length by 1 do

create Message

//內(nèi)部消息序列從1開始排序

Message.name=“(j+1) ”+

MessageSequence[j].name

Message.from=SenderSequence[j].name

Message.to=ReceiverSequence[j].name

4 基于擴(kuò)展Profile的模型轉(zhuǎn)換實(shí)例

本章選取電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)作為案例，用以驗(yàn)證上文研究的模型轉(zhuǎn)換方法可行性。首先，通過分析充電樁軟件控制系統(tǒng)的需求[12]，在Eclipse平臺下采用papyrus插件建立系統(tǒng)的需求圖，并將其擴(kuò)展Profile導(dǎo)入，得到擴(kuò)展的系統(tǒng)需求圖，如圖3、圖4所示。

圖3 需求圖導(dǎo)入擴(kuò)展Profile

圖4 電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)需求圖

同樣在Eclipse平臺下，通過ATL模型轉(zhuǎn)換插件根據(jù)轉(zhuǎn)換算法編寫轉(zhuǎn)換代碼實(shí)現(xiàn)需求圖到用例圖的模型轉(zhuǎn)換，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)ATL模型轉(zhuǎn)換程序界面

在執(zhí)行ATL轉(zhuǎn)換程序時配置其輸入、擴(kuò)展Profile以及輸出得到電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)的用例圖，如圖6、圖7所示。

圖6 系統(tǒng)ATL模型轉(zhuǎn)換程序配置信息

圖7 電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)用例圖

同理，在得到的用例圖中導(dǎo)入其擴(kuò)展Profile，根據(jù)ATL轉(zhuǎn)換規(guī)則，得到電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)各個用例的序列圖。以“用戶驗(yàn)證”為例，其轉(zhuǎn)換后的序列圖如圖8所示。

圖8 電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)序列圖

5 結(jié) 語

針對目前系統(tǒng)開發(fā)需求復(fù)雜、領(lǐng)域交叉導(dǎo)致建模效率低、人為錯誤多等問題，本文提出一種基于擴(kuò)展UML Profile的模型轉(zhuǎn)換機(jī)制。在根據(jù)系統(tǒng)需求建立SysML需求圖的基礎(chǔ)上，建立需求圖到用例圖以及用例圖到序列圖的擴(kuò)展Profile。然后根據(jù)擴(kuò)展Profile包含的系統(tǒng)信息使用ATL模型轉(zhuǎn)換語言實(shí)現(xiàn)需求圖到用例圖、用例圖到序列圖的轉(zhuǎn)換。最后，通過以電動汽車充電樁軟件控制系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性。下一步，我們將研究關(guān)于序列圖消息序列排序更好的表達(dá)方式，并實(shí)現(xiàn)用例圖到序列圖中組合片段的轉(zhuǎn)換，建立更加完善的Profile擴(kuò)展信息。