MBSE建模学习之十：包图及模型扩展

包图是定义模型架构的图。模型的架构主要是通过“包”（Package）来组织的。包图的代表元素是一个“包”元素（元素-Element，是指模型中任何一种数据），图中定义的元素默认的命名空间就是这个包。除了“包”之外，包图的代表元素也可以是一个“模型”（Model）、“模型库”（ModelLibrary），或者是一个“概要文件”（Profile）元素。

包图经常用来定义整体的模型架构，也就是模型的层级关系。这种情况下，包图中一般显示的元素是各层级的“包”或其它作为类型的元素。也可以在包图中直接定义各种类型元素，例如通用的“模块”（Block）、“值类型”（ValueType）、“接口模块”（InterfaceBlock）等。这时候，包图和模块定义图的作用并没有太大差别（模块定义图的代表元素一般也是一个包）。在智睿思维基于模型的系统工程软件中，你只需要切换包图的默认图形工具栏为模块定义图的工具栏，就可以在包图中添加各种类型。另外，包图也可以定义扩展标准模型元素的构造型，为标准元素添加建模时的构造型属性。

例如，下面的包图定义了MagicGrid方法论中“问题域”的模型架构（我们接下来会用几篇文章详细说明MagicGrid方法论，敬请关注公众号）

包的作用是用来组织模型中元素数据，相当于元素数据存放的一个目录。包是包中元素的“命名空间”。“命名空间”是为了唯一标识一个模型元素的空间，在一个“命名空间”中，不允许元素的名称重复。例如，在一个房子中每个人的名字是唯一的，在一层楼中每个房子的名称（编号）也是唯一的。再向上，这个大楼、小区等各层空间的名称都唯一，这样就可以建立一套唯一的路径名称。SysML中模型元素的命名原理就是这样，包含了所有各层命名空间路径的名称称为元素的“完全限定名称”（fully qualified name）,各层路径用“::”分隔。例如在上面的包图中，“电功率”模块的完全限定名称是“1 问题域::黑盒::3 系统上下文::交换项目::电功率”。 除了包之外，其它很多元素也可以用作“命名空间”。例如“模型”、“模型库”、“概要文件”和包类似，相等于一个文件夹。“模块”也是一个命名空间，它是模块中的属性或方法的命名空间。

在SysML图中显示的元素并不一定就是这个图的代表元素包含的元素。根据模型说明的需要，经常也会显示其它包中的元素。当元素的命名空间不是这个图的代表元素（默认命名空间），也没有关系能表示这个元素的命名空间的时候（例如命名空间包含关系，或者在另外一个包的内部显示），这个元素就会显示“完全限定名称”，就是包含了一长串路径的名称。有时候，显示了太长路径的名称也不利于显示和阅读模型。这时，可以建立一个“包导入”关系（公有或私有），将名称很长的元素“导入”到当前图代表元素下面。这时候，被导入的元素就只显示名称了。下面是解决方案系统架构图中显示逻辑架构中模块的例子，为了建立和显示两个架构之间的抽象映射关系（解决方案架构中模块应该都有逻辑架构的模块对应），左图是没有导入关系的视图，右图是建立了导入关系后的视图（在MBSES软件中，模型浏览器上包节点可以通过右键菜单直接建立包导入关系，也不一定要显示到图中）。

模型库是指一套通用的、可以重复使用的元素。这些元素通常用“模型库”元素作为它们的命名空间。“模型库”就是这样一种专门存放模型库元素的“包”。

在实施MBSE的过程中，需要将那些通用的、或者以后会重复使用的模型作为模型库管理起来。在新产品研制、建模的时候，引用这些通用的或已有的模型，会使建模工作起到事半功倍的效果。当然，万事开头难，刚开始应用MBSE技术需要打基础的过程。打好基础了才能见到成效。

一般企业实施MBSE，需要建立这些模型库：

（1）企业通用的值类型、单位模型库。产品的性能参数属性一般建为模块的值属性。如果这个性能参数具有专业的工程意义，需要建立对应的值类型及单位。企业建立统一的库，可以在每个项目中使用，避免重复。

建模软件中一般也有通用的库。最基础的值类型库就是SysML标准中的“基本数值类型”（PrimitiveValueTypes）库，这个库中包含最原始的数据类型，有“Real”（实数）、“Integer”(整数)、“Boolean”(布尔，值只能是True、False这样数据)、“Complex”（复数，有实部、虚部）、“String”（字符串）。更复杂的值类型，需要从这些基本数据类型继承、再定义。

在SysML标准的附录中有“ISO 80000”国际标准计量单位库，包含各专业常用的值类型和单位。（有需要这个库的用户请微信联系“智睿思维MBSE”18022886980获取）。

其它企业专用的值类型或单位，需要建立企业自己专用的模型库。

（2）专用的约束模块库。约束模块是包含可重用的参数图仿真公式的模块。企业在进行系统性能指标分析的时候，通用的约束公式可以建立为模型库，在任何项目和产品上可以使用。通用的约束模块模型库，是经过仿真验证是正确的方程。使用通用的库，避免每个人自己去花时间写公式和验证公式。

（3）通用的标准模块。这些模块是在多个项目或产品中共用的标准部件。建立一次，然后抽取出来作为模型库，可以重复使用。

为什么MBSE的技术路线有多种，而以UML\SysML建模语言的方法论和技术路线成为主流？是因为UML\SysML语言超强大的扩展能力和系统性。我们知道，SysML是从UML扩展来的，SysML本身就是一个应用于系统工程技术领域的“概要文件”。“概要文件”表示一套标准的扩展定义的模型库，是包含了一套扩展元素定义的“包”。

构建概要文件的主要元素是“构造型”。“构造型”类似一个“类”（在UML自身描述语法中，它是从类继承的概念元素），它有“属性”。定义了一个“构造型”，当把它应用在已有概念元素上，是生成一个这个构造型的实例，定义这个实例具体的值，并附加到原先这个概念元素上来给它增加新的属性或意义。

我们来看看在SysML标准中对“Block”(模块)的定义：

“Block”本质上是对类扩展的一个构造型，增加了一个“isEncapsulated”（是否封装的，True的话表示这个模块是一个黑盒子，外部的连接器只能连到它的端口上；False的话可以连接到它内部）构造型属性。当我们在图中定义一个“Block”的时候，其实是定义了一个“Class”（类）并应用了“Block”构造型。例如定义了一个“M8汽车”模块，图中显示如下：

构造型“«block»”会显示在上面，构造型的属性会显示在“{}”中。

如果对已有概要文件或原始的UML模型元素进行扩展，可以定义新的构造型。从已有构造型继承，或直接扩展UML元素。例如下面定义一个“«汽车»”构造型，定义了“设计阶段”、“类型”的构造型属性。把这个构造型应用到上面的“M8汽车”，为它增加专用的模型属性。构造型属性可以显示在专用的分区中，也可以只显示在节点的头部。

要区分构造型的属性和“模块”类本身属性的差别。构造型属性在建模的时候就确定了具体值、可以输入值和保存值。“模块”类本身的属性是在实例化的时候才有值。例如这个“M8汽车”模块，有一个“重量”的值属性，这是在对模块仿真、生成它的实例的时候才有具体值。在上面这个例子中，“类型”属性其实也可以是“汽车”类的值属性（当建模的目的是为了车辆信息的管理的时候）。但是当我们的目的是为了设计车、明确这个模型是某种类型的车（如“电动车”）的模型，它的模型会具有一些专门的特征或要求（“电动车”的模型应该有电池模块，工作原理应该用“电”来驱动）的时候，我们把它作为构造型属性。

对某种专业的应用领域，对模型标准的扩展可能还需要专门的视图、建模方法去支持。这时候可能还需要对建模软件的功能进行对应的二次开发。随着MBSE应用技术的不断发展，可能会出现很多专用技术领域的扩展UML\SysML的建模标准及软件工具。