SysML v2：系统工程新篇章-新一代系统建模语言

● SysML v2概览

MBSE是一种系统工程方法论。它强调在复杂系统研制过程中，以模型为参与各方人员以及工具的唯一信息源，参与者创建和维护唯一的连贯系统模型。与传统的基于文档的方法形成对比，它具有可视化、可追溯、可重用等特性，能够提高复杂系统研制的质量和效率。

01 SysML发展历程

SysML（System Modeling Language系统建模语言）是在UML（Unified Modeling Language，统一建模语言）的基础上扩展而来、专门为基于模型的系统工程设计的一种建模语言。其来源是由国际对象管理组织（Object management group，OMG）和国际系统工程理事会（International Council on Systems Engineering，INCOSE）于2003年发布的征求建议书（Request for proposal，RFP），基于此RFP，国际对象管理组织于2007年9月正式发布SysML v1.0，并逐步迭代至当前的v1.7版本。

图1 SysML发展历程

尽管OMG已针对SysML v1使用和实践过程中存在的问题采取修订的方式来完善其功能，然而，由于一些根本性问题无法完全解决，OMG决定为了从底层优化SysML的表述结构，开始开发全新的SysML v2。

02 SysML v2核心目标

在过去长时间的实践中，SysML v1暴露了许多问题，例如：1）一些语法语义设计不符合行业要求，这主要是由于UML专门针对软件行业开发，与其它行业虽然有一些共同点，但也必定存在诸多不同。另外由于其一些繁琐的语法，增加了用户使用和工具开发的难度；2）没有明确的访问和操作模型的相关接口，致使与其它工具之间的打通变得困难，不同工具可能会因此制定不同的方案设计；3）双方难以以一个统一的格式进行信息传递，模型文件通常以模型元数据交换（XML Metadata Interchange，XMI）格式进行传递，但XMI传递和解析具有很高的壁垒。

因此，针对以上问题，OMG组织在SysML v2的RFP中要求，SysML v2应该具有显著的交互性和互操作性的改善，并且使其不依赖于传统的UML语言的约束，提高其语法简洁程度和丰富其表达能力。

SysML v2核心目标

1.具有显著的交互性和互操作性的改善

2.不依赖于传统的UML语言的约束

3.提高其语法简洁程度和丰富其表达能力

03 SysML v2语言架构

为了实现更强的扩展能力。在设计SysML v2时，开发者将其中公共的语法要素抽取成KerML语言，以提供一个系统工程建模语言必要的公共基础。

基于此公共基础，扩展其语法语义便变得更加灵活。在KerML的基础中，SysML v2发展出了其特定的抽象语法、具体语法和模型库等内容，丰富了SysML v2这一语言的独特的语法语义。

下面就一些典型的语法进行介绍：

1.需求定义元素

在SysML v2中，设计了需求定义这一元素，其作用是在传统的需求描述功能之外，承载利益相关者关心的约束满足情况。需求定义可以有一个主题对象，用于指定需求约束的相关输入参数。需求可以用分解关系进行进一步的需求分解。

2.部件的定义

部件表示一个模块化的系统单元或者外部实体。部件的定义继承自项目定义，因此可以用于表述具有时空范围的事物对象，如在部件上定义时间片或者快照。部件本身被视为一个复合结构，因此能够被进一步分解。部件的各个属性能够表示能量、物理或者其它方面的特征。部件之间通过端口交互，部件的执行操作可以触发项目流在连接器之间流转。

3.分析案例定义

分析案例定义可以用于对具体对象进行分析。分析案例的主题可用于确定正在分析的内容对象。执行关于主题对象的分析案例后，可以返回其分析结果。分析案例的具体执行可以以指定分析动作、指定外部求解器、指定一组联立方程式等不同的方式来进行。

4.其他语法要素

Sysml v2中，更多的语法要素以实体、关系、属性这一模式来表示，例如元素之间的层级关系用OwningMemberShip关系来刻画，类型定义用Defined By关系，分析能力以FeatureMemberShip延申开来。这种转变使得Sysml v2的能够以更结构化的形式组织，类似于知识图谱，此种形式可将Sysml v2的模型元素和更广泛的要素链接起来，并实现统一的预测、分析、推理等功能。

图2 描述SysML v2架构

04 SysML v2主要特性与改进

1.增强的可扩展与可重用性

在SysML v1中，传统的扩展方式利用UML的扩展机制，通过构造型定义新的语法要素，或者增加新的语法属性。其弊病为此举会频繁修改扩展包的内容，且每次修改步骤相对较为繁琐。此外，SysML v1中也难以自定义模型语义。为了加强这方面的能力，SysML v2将语义融入到语义模型库中，用户可以通过扩展语义模型库的内容，添加语义到模型要素中。此外，通过采用“定义-使用”这一新的模式，SysML v2极大地增强了模型要素的可重用能力，将用户从定义构造型的任务中解脱出来。

2.SysML v2 API

SysML v2增加的另一项主要特性为其制定的标准API。基于此特性，其它工具与SysML建模工具之间的交互能力大大增强。用户可以通过REST\HTTP的方式或者OSLC形式的接口来访问模型或者创建、操作模型。基于此，能够使不同编程语言开发的平台的接入或者多个平台之间的交互变成可能。

图3 描述API架构及能力

此外，API不仅仅提供了基础模型的操作能力，也提供了各项基础设施能力，如项目创建、项目之间的引用共享等。

3.工具之间的互操作性

虽然SysML v2提供了标准API以供用户使用，但是在某些情况下，部署API服务可能具有一定限制。为了解决这一困境，SysML v2在图形交互的基础上，提供了文本表达式这一全新的特性。

图4 文本表示法案例

文本表示法以形式化语言的形式将模型中的信息表达出来。该表示法使用户有更多的机会和条件去进行模型相关的操作和业务。其表示形式大大增强了模型的表达能力，使得模型的定性定量的表达更加准确和精确。借助文本解析器，文本语言也可以在离线场景下被其它工具解析，并在进行约束分析和逻辑分析后进行细节的修正。

05 总结

SysML v2在上一代系统建模语言的基础上，对语法语义、可扩展性、开放性等均进行了进一步的能力加强。面向未来，基于开放的SysML v2标准，华望团队将提供新一代的MBSE解决方案，旨在打造企业级系统工程能力，加强企业对新产品的设计和分析能力，帮助企业优化系统架构，加速产品决策。