系统架构4：更易计算的系统描述（SysML）

系统架构4：更易计算的系统描述（SysML）

在系统架构3 ：如何用简洁图形描述系统架构？中，我们分享了一种图形化描述系统的方法——OPM，本文分享和它并行的另一种方法——SysML（System Modeling Language ），主要包括如下三方面：

SysML的历史？

SysML的主要表达图形有哪些？

SysML和OPM有什么不同？

1 SysML是什么，从哪来？

SysML（System Modeling Language）从名字上看，就让人感觉是正统，因为它翻译过来就叫“系统建模语言”。但是它的历史并不长，从下图可以看到它诞生于2003年，是由对象管理组（Object Management Group，OMG）和系统工程国际委员会（International Council on Systems Engineering，INCOSE）联合开发的。从图中也会发现，它是从UML（Unified Modeling Language）中演化而来的，而UML主要是用于软件系统工程，后来发现可以拓展到其它系统工程中，于是就从UML中选择了部分视图，再加入一些更加通用的视图，就形成了现在看到的SysML。

2 有哪些视图？

前面提到了“视图”，和OMP类似，SysML也是通过图形的方式来描述系统。目前的SysML包含有9类视图，它们可以分为3类：要求（Requirements），结构（Structure）和行为（Behavior），从名称上可以看出，它们分别用来描述系统要满足的要求，结构和行为方式，我们分别进行简介。

2.1 要求

顾名思义，要求图就是用来定义系统应该满足的要求。这种要求通常可以分为两类：功能类和非功能类，比如汽车最基本的功能是要能跑，而其跑起来噪声大小则是非功能类。每个系统的功能可能各不相同，但是其非功能类的要求通常有如下的几种：性能表现，设计边界（如重量，尺寸等），界面要求以及可用性，比如在我们汽车开发中的人机交互（HMI）和用户体验就是一种非功能性的要求。

而每种要求还可以通过图形的方式进行细化，甚至定义非常具体量化的指标。通过要求图的方式定义完系统的要求后，就可以在后续的系统构建和测试中，跟踪要求的满足程度，进行优化调整。

2.2 结构

通俗理解，结构就是静态描述系统构成部分及其之间的相互关系，在SysML主要包含3类：块定义图（Block definition diagram），内部块图（Internal Block diagram）和包（Package Diagram）。

2.2.1 块定义图（Block definition diagram）

块是个抽象概念，用来描述系统中的部件，模组等，它们可以是软件的，也是可以是硬件的。用矩形表示，而这个块本身可以承载它所表示对象的特性，约束，状态等信息。

2.2.2 内部块图（Internal Block diagram）

内部快图其实就是把“块”打开，如果“块”是个黑盒子，那么内部块图就是“白盒子”。

2.2.3 参数图（Parameter Diagram）

参数图的目的是对内部快图的一种参数量化，强化了数学法则对内部块的定义。

2.2.4 包图（Package Diagram）

如果说“内部块”是对"块"的打开，那么包图就是对"块"的进一步封装，因为一个系统中块太多，为了人们的理解，就需要进行进一步的归类。

2.3 行为

我理解“行为”类的图，主要用来表述系统中描述方式，主要包括如下的四类。

2.3.1 活动图（Activity diagram）

活动（activity）用来描述系统的输入，输出和控制的流动，也包括这些协调这些流动的条件，其实很类似于我们常见的流程图。

2.3.2 序列图（Sequence diagram）

在序列图中一个重要的概念是Message，我在工作中听到对它的一个专业翻译“报文”。而序列图其实就是就是基于接收和分发报文来执行动作，比如我在做汽车声音时，为了让某个声音在特定的出发条件下发出，就需要找到对应的报文，然后按照设定的逻辑发出。

2.3.3 状态机（State Machines Diagram）

状态（State）常常表示的是一个对象在生命周期中表现的特定特征，比如汽车中的制动系统，有制动和非制动两种状态。而状态机，描述的就是在一定的触发条件下，对象表现的活动，这种触发可以是时间，事件，某个信号等。比如你按下台灯开关（触发），它就点亮（状态1），再按一次（触发），它就熄灭（状态2）。

2.3.4使用案例（Use case）

描述系统的操作者会怎么使用，比如我们常常说的使用场景，也可以描述多个操作者对同一个系统不同部分的操作。

3  SysML和OPM有什么异同？

在系统架构3 ：如何用简洁图形描述系统架构？中的OPM和SysML，它们都是动过视图化的方式来描述系统，让我们更好理解和掌控复杂系统。它们有什么异同？我看到主要有三点：

3.1 视图数量不同

OPM只需要1种类型的图，就能将对象和过程涵盖进来，而SysML需要多个视图（共9个选择）来分别针对不同的用途。

3.2 适用阶段不同

OPM更简洁，但是主要适用于概念构想阶段，而SysML则更加适合详细的设计阶段，而且不同的用途可以采用不同的视图。

3.3 可计算性不同

对系统的描述和达成共识只是开始，而我们更加关心系统的动态性能如何？这就需要引入仿真或计算，并预测复杂系统的特性及其参数变化对功能的影响，而在这个方面SysML的有时要明显优于OPM，并不是因为SysML本身可以计算，而是它对系统的描述更加细致，有利于用外在的辅助仿真工具实现，总体看来，SysML是为各种仿真搭建了一个比较的框架。

总结

SysML（System Modeling Language）用3类（需求、结构、行为）9种类型的图来刻画系统架构，更适合于系统的详细设计阶段，为系统的仿真提供了一个更高的框架。

参考：

1  OMG Systems Modeling Language(OMG SysML™)Tutorial September, 2009；

2  https://sysmlforum.com

3  Graph-Based Digital Blueprint for Model Based Engineering of Complex Systems