CN116680885A - 一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，该方法包括：构建基于SysML的Tango元模型领域扩展库，包含函数、属性和状态等关键要素信息；基于SysML构建面向设备服务软件研制业务流程的领域模板库；通过参数化建模实现设备服务软件模型的快速构建；通过***行为仿真验证设备服务软件状态逻辑；通过模型转换与代码生成工具自动生成设备服务控制软件的代码框架；通过活动图和参数图仿真，实现软件需求指标设计与验证。本发明解决复杂装置控制***研制中控制软件文档表达一致性、软件研制过程的规范化以及异构设备服务软件复用等问题，极大地提升了大型复杂装置控制***的设备服务软件研制的可靠性和研制效率。

Description

一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法

技术领域

本申请涉及复杂装置控制***技术领域，具体而言，涉及一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法。

背景技术

复杂装置控制***尤其是激光装置控制***具有设备元器件众多、控制规模庞大、控制过程复杂、建造时间长和运行周期长等特点。这要求其控制***具有较好的可维护性和可扩展性，从而满足装置未来的控制需求。基于Tango的集成控制方案能够有效解决复杂异构硬件设备的集成以及长周期维护升级问题，但当前基于文档的控制软件开发和管理模式存在文档描述不一致和变更困难、控制逻辑和控制性能缺乏验证、软件设计知识复用率低等问题，制约装置集成控制***研制、集成调试效率和质量。

基于模型的***工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）是建模方法的形式化引用，以使建模方法支持***要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及以后的生命周期阶段。该方法与Tango控制软件相结合，能够通过形式化建模、仿真验证以及模型分析管理等计算手段实现控制需求描述的一致性、控制逻辑和控制性能的仿真验证以及控制软件设计的复用。

目前，国内复杂装置控制***研制主要侧重于软件的研制和基于文档的过程管理，缺乏有效的***工程手段实现复对杂装置控制软件全生命周期的支持。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，以解决上述问题。

构建基于SysML的Tango元模型的领域扩展库，包含函数、属性和状态在内的关键要素信息；

基于SysML构建面向设备服务软件研制业务流程的领域模板库；

通过参数化建模快速构建设备服务软件模型；

通过***行为仿真验证设备服务软件状态逻辑；

通过模型转换与代码生成工具自动生成设备服务控制软件的代码框架；

通过活动图和参数图仿真，验证软件需求指标。

进一步的，还包括复杂装置控制软件建模与验证工具集，包括：

SysML***建模工具、SysML服务化接口、活动图仿真引擎、Pogo代码生成工具、Tango软件、Tango软件测试模块、Tango CI/CD部署和监控工具。

进一步的，所述基于SysML构建面向设备服务软件研制业务流程的领域模板库，包括：

用户需求、软件需求、软件设计、软件测试以及软件运行等全流程要素信息以及步进电机、示波器、CCD在内的各种类设备模板，通过模块化和模板化的方式提升模型建模的效率和表达的一致性。

进一步的，所述通过参数化建模快速构建设备服务软件模型，包括：通过向导和表格式方式实现控制软件的参数化建模，提升建模过程的易用性。

进一步的，所述通过***行为仿真验证设备服务软件状态逻辑，包括：基于SysML和Tango软件构建的模型生成、设备状态仿真、功能性能等需求指标校验等仿真验证手段确保软件设计逻辑的正确性、开发软件的可测试性以及需求相关技术指标的可追溯性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证的流程图；

图2是本发明所述一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证的框架图；

图3是本发明所述一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证的V型建模与验证流程图；

图4 为本发明所述一种Tango Profile 模型对象定义图；

图5 为本发明所述一种Tango Profile 数据类型定义图；

图6 为本发明所述一种步进电机领域扩展图；

图7 为本发明所述一种步进电机模型定义图；

图8 为本发明所述一种步进电机执行逻辑图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“获取”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。应当理解，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“存储介质”可以是ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。术语“处理器”可以是CPLD（Complex Programmable Logic Device：复杂可编程逻辑器件）、FPGA（Field－Programmable Gate 信息ray：现场可编程门阵列）、MCU（Microcontroller Unit：微控制单元）、PLC（Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器）以及CPU（CentralProcessing Unit：中央处理器）等具备数据处理功能的芯片或电路。术语“电子设备”可以是具有数据处理功能和存储功能的任何设备，通常可以包括固定终端和移动终端。固定终端如台式机等。移动终端如手机、PAD以及移动机器人等。此外，后续所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例

本实施例的联邦数据库***构建流程如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤一：构建基于SysML的Tango元模型领域扩展库，包含函数、属性和状态等关键要素信息；

步骤二：基于SysML构建面向设备服务软件研制业务流程的领域模板库；

步骤三：通过参数化建模实现设备服务软件模型的快速构建；

步骤四：通过***行为仿真验证设备服务软件状态逻辑；

步骤五：通过模型转换与代码生成工具自动生成设备服务控制软件的代码框架；

步骤六：通过活动图和参数图仿真，实现软件需求指标设计与验证。

进一步的：步骤1实现Tango元模型领域库的构建，主要基于SysML基础元素及通用模型库扩展并定义Tango相关的数据类型、状态机状态、读写类型、属性、方法、类以及追溯关系等基本要素信息。

进一步的：步骤2将控制软件研制过程划分为用户需求、软件需求、软件设计、代码生成、编码、单元测试、软件测试等步骤，并在***模型中通过需求、结构、活动、状态、用例及追溯关系等建模要素信息表达上述要素信息；在此基础上，实现设备服务软件建模的模块化和参数化，前者将***模型拆分为需求-结构-行为-参数等模板，实现模块化的设备服务软件建模，后者按照硬件设备类型构建不同类型的***模型族，实现同种类型软件的参数化建模，例如电机、CCD、示波器、AWG等。

进一步的：步骤3采用向导技术实现同类型软件的快速建模，提取不同类型元属的关键属性信息，以表格的形式定义参数化的元素信息，分别实现***模型中需求、软件描述、Property、方法、属性以及状态机等相关信息的配置，最后向导生成器定义不同设备服务软件的生成顺序，最终在已有或者新建模型中，实现不同类型设备的建模；

进一步的：步骤4构建基于活动图和状态机图混合的行为仿真逻辑，以活动节点表达软件函数，然后构建以函数调用与状态机状态变换的行为模型，然后基于fuml活动图仿真引擎实现其仿真。

进一步的：步骤5构建SysML与Tango pogo平台无关的模型转换规则，实现***模型到Pogo XMI文件的转换，映射规则包括类信息、Property、属性、函数、状态等信息，并通过pogo相关的代码生成工具，将平台无关模型转换为平台相关模型，例如C++、python和java等。

进一步的：步骤6构建基于SysML模型和设备服务软件研发工具集构建完完整的复杂装置控制软件建模与研制平台，通过Tango客户端实现控制软件的单元测试、复杂逻辑控制的测试模板，并通过基于SysML模型的模型交互接口实现需求技术指标的追溯，包括功能指标及性能指标等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是

采用基于SysML和Tango的***工程方法，能够有效保障软件过程相关技术文档描述的一致性；

根据软件研制工程实践，将模型模块化和参数化，提升了模型的建模效率以及模型的复用性；

构建完整的Tango软件建模和研制流程，通过行为仿真及参数关联确保软件接口设计的合理性以及可追溯性。

实施例

一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，如图1至图8所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1，通过属性定义（AttributeDefinition）定义tango的数据类型、Property、属性、状态信号，通过枚举定义（EnumerationDefinition）定义设备服务状态、属性读写、属性数据格式、显示级别，通过动作定义(ActionDefinition)定义函数，并通过块定义（PartDefinition）定义设备抽象类。具体定义如下：

数据类型 TangoDataType，包括标量类型和数组类型，通过继承关系实现元素类型的扩展，其中标量类型包括DevBoolean、 DevShort、DevEnum、DevLong、DevLong64、DevFloat、DevDouble、DevString、DevEncoded、DevUChar、DevUShort、DevULong、DevULong64等；数组类型包括DevVarCharArray、DevVarShortArray、DevVarLongArray、DevVarStringArray、DevVarFloatArray、DevVarDoubleArray、DevVarUShortArray、DevVarULongArray、DevVarULong64Array、DevVarLongStringArray等；

attribute def TangoDataType;

attribute def TangoScalarValue :>TangoDataType;

attribute def TangoVectroValue :>TangoDataType;

attribute def DevBoolean :>TangoScalarValue;

attribute def DevVarCharArray :>TangoVectroValue;

设备状态 DevState及设备状态信号，前者包括ON、OFF、CLOSED、OPEN、INSERT、EXTRACT、MOVING、STANDBY、FAULT、INIT、RUNNING、ALARM、DISABLE、UNKNOWN等14种状态；后者通过Attribute def定义14中设备状态信号。

enum def DevState {

enum ON;

enum OFF;

…

}

Attribute def signalON；

Attribute def signalOFF；

…

读写属性AttrWriteType、数据类型、DispLevel显示级别，分别包含 READ、READ_WITH_WRITE、WRITE、READ_WRITE、WT_UNKNOWN，SCALAR、SPECTRUM、IMAGE、FMT_UNKNOWN等；

attribute def DevProperty：Property,包含值和描述两个属性，值可以关联数据类型；

attribute def DevAttribute:属性DevAttribute：包含读写性、数据类型、值、x长度、y长度、描述、标签、单位、最小值、最大值等信息；

action def DevCommand:包含输入参数和输出参数等；

part def TangoClass：设备类，包含类描述字段、类Property、设备Property、命令、标量属性、数组属性、图像属性、状态等字段信息。

part def TangoClass {

attribute class_family : String;

attribute platform : String;

attribute bus : String;

attribute manufacturer : String;

attribute programl_language : String;

attribute project_title : String;

attribute description : String;

attribute copyright : String;

attribute classProperties : DevProperty[*];

attribute deviceProperties : DevProperty[*];

action commands : DevCommand [*];

attribute scalarAttributies : DevAttribute[*];

attribute spectrumAttributies : DevAttribute[*];

attribute imageAttributes : DevAttribute[*];

state def States;

}

步骤2，通过基于值的需求来构建需求描述、定义、追溯以及校验关系；通过需求定义RequirementDefinition来描述用户需求和结构需求，包含文本话信息（ReqId、ReqText、name）、值属性（AttributeUsage）以及约束表达式（ConstraintUsage），并将需求划分为功能需求、性能需求、接口需求以及设计需求等，并通过语义定义需求的满足对象如动作、值、接口和块使用等；用过需求使用RequirementUsage来实例化具体的需求，通过满足关系（satisfy）构建需求与模型元素之间的关联关系，通过约束模块校验（constraint）是否满足指标要求。

在数据库中构建RFLP模板库，分为模板类型、模板ID、模型引用、模板名称和模板描述等关键要素信息，通过SysML软件的模型元素导出功能将模型元素信息持久化到SysML模板库中，允许用户以树型形式浏览模板库和编辑功能；软件模型模板库按照硬件设备对象类型以及硬件通讯方式进行分类，可以按照建模阶段、硬件类型以及接口类型等关键字段进行检索。

在SysML软件中，在新建或者已见模型中，通过复用模板库中的模型，实现***模块的快速构建。

步骤3， 将Tango控制软件的class、property、commands、scalar attribute、spectrum attribute、image attribute以及command模板化，基于SysML的元元模型机制对外提供基于表格式的模型元素建模方法，上述元素的描述信息如下：

classProperties、deviceProperties：类描述信息，以属性名称、属性值的形式显示class_family、platform、bus、manufacturer、programl_language等TangoClass中相关信息，通过attributeUsage、redefinition、featureValue等模型元素生成；

properties：类Property，显示属性名称、属性类型、描述信息以及属性值，通过name、attributeUsage、redefinition、featureValue、featureTyping等元模型类型生成；

commands：命令，显示函数名称、输入类型、输入参数、输出类型、输出参数以及描述信息等，通过name、actionUsage、redefinition、featureValue、featureTyping等元模型类型生成；

scalarAttributies、spectrumAttributies、imageAttributes：包含标量属性，数组属性和图像，基于DevAttribute的字段显示三种不同类型的属性字段；

设备状态，以状态名称和状态描述显示，通过stateUsage等元模型类型生成。

上述元素均通过subsets建立与集合之间的关系。模型向导分别对外暴漏上述字段信息，并对外提供增删改查属性的功能，每个属性的修改都会影响其关联元素信息。

步骤4，通过状态使用、信号、接收动作等元素构建设备服务软件的状态机，通过活动、控制节点、发送信号及接收信号等构建设备服务软件命令与状态机的关联关系，当模型接收设备控制信号时，出发相关活动命令的执行，当模型执行完毕后，设备状态发生变化，并发出设备状态变化信号；状态机根据接收的状态信息执行相应操作。以步进电机为例，状态机定义如下：

state stateMachine : States {

entry; then init;

state init;

then running;

state running {

state off;

accept signalON

then on;

state on;

accept signalMOVING

then moving;

accept signalOFF

then off;

state moving;

accept signalON

then on;

accept signalFAULT

then fault;

state fault;

accept signalON

then on;

accept signalOFF

then off;

}

accept signalEXIT

then quit;

state quit : DeviceExit;

}

设备行为执行逻辑如下：

action execLogic {

first start;

then merge m;

then fork forkAll;

action PowerOn;

then m;

action PowerOff;

then m;

action StopMove;

then m;

action RelativeMove;

then m;

action AbsMove;

then m;

action MoveToHome;

then m;

action Reset;

then m;

action trigger1 accept signalPowerOn;

action trigger2 accept signalPowerOff;

action trigger3 accept signalStopMove;

action trigger4 accept signalAbsMove;

action trigger5 accept signalRelativeMove;

action trigger6 accept signalMoveToHome;

action trigger7 accept signalReset;

first forkAll then trigger1;

first forkAll then trigger2;

first forkAll then trigger3;

first forkAll then trigger4;

first forkAll then trigger5;

first forkAll then trigger6;

first forkAll then trigger7;

first trigger1 then PowerOn;

first trigger2 then PowerOff;

first trigger3 then StopMove;

first trigger4 then RelativeMove;

first trigger5 then AbsMove;

first trigger6 then MoveToHome;

first trigger7 then Reset;

}

步骤5, ***模型与Tango pogo(代码生成工具之间)通过模型转换映射规则，生成pogoDsl xmi文件，实现与pogo软件持久化模型的兼容。转换规则如下：

classProperties：

name<- el.name;

description<- el.Description. featureValue;

<type xsi:type="pogoDsl:%sType"/><- el.value.featureTyping;

<DefaultPropValue>%s</DefaultPropValue><- el.value.featureValue;

Commands:

Name<- el.name;

Description<- el.Description.featureValue;

<argin description="%s"><- el. in_para.comment;

<argin …>/n<type xsi:type="pogoDsl:%s"/><- el. out_para.featureTyping;

<argout description="%s"><- el. out_para.comment;

<argout…>/n<type xsi:type="pogoDsl:%s"/><- el. out_para.featureTyping;

Attributes:

Name<- el.name;

Description<- el.Description.featureValue;

attType<- el. data_format.name;

rwType<- el. writable.name;

displayLevel<-el. display_level.name;

<dataType xsi:type="pogoDsl:%sType"/><-el.value.featueTyping;

<properties description="%s"<-el. description.featureValue;

States：

Name<- el.name;

Description<- el. description.featureValue;

步骤6，基于用例验证（Verification Case Definition）定义功能测试和性能测试的用例，单个用例用活动ActionUsage表示；同时定义Tango软件客户端测试模块，实现命令、属性和状态的测试模板，建立测试用例与活动图之间的映射关系，实现测试用例与软件测试的集成。

SysML建模软件对外提供模型和元素级的元素关联接口，前者提供基于模型id的模型查询功能，后者提供基于模型id和元素id的元素增删查改功能。基于上述接口实现表格式校验以及矩阵式的追溯功能，当执行测试用例时，将校验结果回填到表格中，最终完成功能和性能需求指标验证。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，其特征在于，包括：

构建基于SysML的Tango元模型的领域扩展库，包含函数、属性和状态在内的关键要素信息；

基于SysML构建面向设备服务软件研制业务流程的领域模板库；

通过参数化建模快速构建设备服务软件模型；

通过***行为仿真验证设备服务软件状态逻辑；

通过模型转换与代码生成工具自动生成设备服务控制软件的代码框架；

通过活动图和参数图仿真，验证软件需求指标。

2.根据权利要求1所述的基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，其特征在于，还包括复杂装置控制软件建模与验证工具集，包括：

SysML***建模工具、SysML服务化接口、活动图仿真引擎、Pogo代码生成工具、Tango软件、Tango软件测试模块、Tango CI/CD部署和监控工具。

3.根据权利要求1所述的基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，其特征在于，所述基于SysML构建面向设备服务软件研制业务流程的领域模板库，包括：

用户需求、软件需求、软件设计、软件测试以及软件运行等全流程要素信息以及步进电机、示波器、CCD在内的各种类设备模板，通过模块化和模板化的方式提升模型建模的效率和表达的一致性。

4.根据权利要求1所述的基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，其特征在于，所述通过参数化建模快速构建设备服务软件模型，包括：

通过向导和表格式方式实现控制软件的参数化建模，提升建模过程的易用性。

5.根据权利要求1所述的基于SysML和Tango的复杂装置控制软件建模与验证方法，其特征在于，所述通过***行为仿真验证设备服务软件状态逻辑，包括：

基于SysML和Tango软件构建的模型生成、设备状态仿真、功能性能等需求指标校验等仿真验证手段确保软件设计逻辑的正确性、开发软件的可测试性以及需求相关技术指标的可追溯性。