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《精华透视：SysML v2》介绍新一代系统建模语言SysML v2。宏观介绍SysML v2产生背景、当前国内外SysML v2建模工具开发情况。重点介绍SysML v2语言架构、新一代建模语言内核、与SysML v1对比分析、SysML v1到 v2转换规则，为具有SysML v1基础的读者提供迁移思路。详细阐述SysML v2中的语言特色：模型开发过程凝练为全新的定义与使用模式、变体元素支持产品线工程开发、考虑时间维度的元素种类支持目标对象的动态行为建模、完善的模型库构建与应用。以通俗的汽车案例和可配置的滑翔炸弹贯穿《精华透视：SysML v2》，深入介绍SysML v2中的需求视图、定义与使用视图、互联视图、动作流视图、状态转换视图、通用视图等，对每个视图中呈现的元素及操作的关键点都使用注意的方式给出来。《精华透视：SysML v2》重点在于对 2025年新发布的标准规范进行解读。
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目录前言第1章 绪论 11.1 基于模型的系统工程 11.1.1 产生背景与发展历史 11.1.2 MBSE三大支柱 31.1.3 国内外应用现状 101.2 SysML v2语言 111.2.1 SysML语言发展历史 111.2.2 SysML v2的产生 131.2.3 SysML v2与v1.x对比 141.3 SysML v2建模工具 221.3.1 国外建模工具 221.3.2 国内建模工具 271.4 小结 35第2章 SysML v2总体介绍 362.1 引言 362.2 SysML v2语言架构 362.2.1 SysML v2基础语言结构 372.2.2 SysML v2模型架构层次 402.3 SysML v2关键特性 452.3.1 精确的语义定义 452.3.2 强化的模型一致性验证 462.3.3 增强的可组合性与复用能力 462.3.4 统一的结构建模与行为建模方式 462.3.5 支持模型可视化与文本表达的双表示 462.3.6 开放的API 和服务接口 462.3.7 支持可扩展性与领域特化 472.4 SysML v1.x 到v2 的转换 482.4.1 核心模型映射 482.4.2 转换过程中的建模优化与调整点 532.5 主要元素介绍 542.5.1 模型组织与语义注释类 552.5.2 定义与结构建模类 592.5.3 属性与数值建模类 652.5.4 行为建模类 692.5.5 需求与验证建模类 712.5.6 可视化与表达类 752.6 小结 76第3章 需求视图 783.1 引言 783.2 何时创建需求视图 793.3 需求视图外框 813.4 需求 823.4.1 需求定义与需求使用 823.4.2 满足需求 863.4.3 关注定义与关注使用 873.4.4 参与者、主题与利益相关者 883.5 需求关系 903.5.1 所属成员关系 913.5.2 跟踪关系 913.5.3 派生关系 923.5.4 精化关系 923.5.5 满足关系 933.5.6 需求验证关系 933.6 约束 933.6.1 约束定义与约束使用 943.6.2 断言约束 953.7 用例 953.7.1 用例定义与用例使用 953.7.2 分析用例定义与分析用例使用 963.7.3 验证用例定义与验证用例使用 983.7.4 包含用例 983.8 小结 98第4章 定义与使用视图 994.1 引言 994.2 何时创建定义与使用视图 994.3 定义与使用视图外框 1004.4 定义与使用 1004.4.1 定义元素 1024.4.2 使用元素 1044.4.3 组合与引用 1094.4.4 多重性 1104.4.5 其他类型的关键字 1124.4.6 有效名称 1134.4.7 特征链 1144.4.8 变化点和变体 1164.4.9 隐式特化 1194.5 特征 1204.6 特化 1214.7 事件实体 1234.7.1 时间片和快照 1264.7.2 个体 1294.7.3 事件 1324.8 端口 1334.9 共轭端口 1354.10 属性 1374.11 枚举 1384.12 小结 141第5章 互联视图 1425.1 引言 1425.2 何时创建互联视图 1425.3 互联视图外框 1435.4 项 1445.5 连接 1465.5.1 交叉子集化关系 1485.5.2 连接的继承语义 1525.6 绑定使用元素 1545.7 特征值 1565.7.1 固定绑定特征值 1575.7.2 固定初始特征值 1575.7.3 默认特征值 1585.7.4 派生特征值 1595.8 时序连接器使用 1595.9 接口 1615.10 分配 1635.11 互联视图与内部模块图对比 1655.12 小结 167第6章 动作流视图 1696.1 引言 1696.2 何时创建动作流视图 1706.3 动作流视图外框 1716.4 基本动作 1726.4.1 动作定义与动作使用 1726.4.2 动作组合 1756.5 流和载荷 1776.6 对象节点 1796.6.1 动作中的项 1806.6.2 动作参数 1816.6.3 流与非流 1826.7 边 1846.7.1 项流 1846.7.2 流连接 1846.7.3 时序连接器使用 1866.7.4 连续项流 1866.7.5 时序流 1876.8 控制节点 1886.8.1 起始节点和结束节点 1886.8.2 决策节点 1906.8.3 合并节点 1916.8.4 分叉节点 1926.8.5 连接节点 1936.9 特殊动作 1956.9.1 执行动作 1956.9.2 赋值动作 1966.9.3 发送动作和接收动作 1976.9.4 条件动作 1986.9.5 循环动作 1996.9.6 计算 2006.10 小结 201第7章 状态转换视图 2027.1 引言 2027.2 何时创建状态转换视图 2037.3 状态转换视图外框 2047.4 状态 2057.4.1 状态定义与状态使用 2067.4.2 简单状态 2087.4.3 展示状态 2097.4.4 起始状态与结束状态 2117.4.5 复合状态 2117.4.6 子状态 2137.4.7 并行状态 2157.5 转换 2187.5.1 外部转换 2197.5.2 内部转换 2197.5.3 完成转换 2207.5.4 组合转换 2217.6 状态里的动作 2227.6.1 Entry Action 2227.6.2 Do Action 2237.6.3 Exit Action 2247.7 伪状态 2257.8 小结 225第8章 包视图 2278.1 引言 2278.2 何时创建包视图 2278.3 包和命名空间 2298.4 包视图外框 2308.5 包视图中的关系 2318.5.1 所属成员关系 2318.5.2 导入关系 2338.5.3 导入过滤 2388.5.4 依赖关系 2398.6 根命名空间 2408.7 库包 2418.8 小结 242第9章 通用视图 2439.1 引言 2439.2 何时创建通用视图 2449.3 通用视图外框 2449.4 通用元素 2459.4.1 评论 2459.4.2 文档 2459.4.3 文本表示 2459.4.4 注释 2469.5 小结 246第10章 扩展视图 24710.1 引言 24710.2 何时创建扩展视图 24710.3 扩展视图创建 24810.4 元数据 24910.4.1 语义元数据 25110.4.2 用户自定义关键字 25310.5 扩展视图使用 25410.6 小结 257第11章 几何视图 25811.1 引言 25811.2 何时创建几何视图 25811.3 几何视图创建 25811.3.1 结构图回顾 25811.3.2 几何视图创建具体步骤 26011.4 几何库回顾 26211.5 复合部件几何视图 26311.5.1 组成部件几何形状 26311.5.2 复合部件基准定义 26611.5.3 组成部件坐标变换 26711.6 CSG建模 27311.7 几何约束 27611.8 小结 278第12章 追溯图 28012.1 引言 28012.2 何时创建追溯图 28012.3 追溯图创建 28112.4 追溯图使用 28312.5 小结 284第13章 关系矩阵 28613.1 引言 28613.2 何时创建关系矩阵 28613.3 关系矩阵创建 28713.4 关系矩阵使用 29013.5 小结 292第14章 通用表 29314.1 引言 29314.2 何时创建通用表 29314.3 通用表创建 29414.4 通用表使用 29614.5 小结 297
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第1章绪论 本章主要对基于模型的系统工程、SysMLv2语言、当前SysMLv2国内外建模工具进行介绍。详细介绍基于模型的系统工程发展历史、三大支柱和国内外应用现状；SysMLv2语言发展历史和产生背景，与SysMLv1.x对比分析。 1.1基于模型的系统工程 1.1.1产生背景与发展历史 基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是系统工程领域的一次重大变革，其核心是利用模型替代传统的基于文档的方法来设计、分析和管理复杂系统。MBSE的提出是为了应对传统系统工程方法在实践中的不足和局限。过去的系统工程往往依赖大量自然语言文档来描述需求、设计和验证过程，但这种方式容易产生模糊和歧义，既难以被自动化处理，也增加了沟通成本和出错风险，从而延长了开发周期。随着系统规模和复杂度的不断提升，以文档为核心的传统驱动方式已经难以支撑复杂系统的高效开发与管理。 MBSE的出现正是为了克服这些挑战，它通过模型的精确性和可操作性，提高系统工程的效率和质量。在这一方法中，模型贯穿系统的整个生命周期，用来捕获、分析和验证系统需求、架构和行为，从而实现系统的快速设计、验证和演化。与文档驱动方式相比，MBSE不仅提升了开发过程的透明度和可追溯性，也为工程师提供了一种更有力的工具来应对复杂系统带来的挑战。 MBSE的概念起源可以追溯到20世纪中叶，当时的系统工程领域已经开始探索如何通过建模和仿真来解决复杂系统问题。20世纪40年代，贝尔实验室开发了一种新的工程学科，旨在解决复杂的互联系统问题。随后，1948年，兰德公司（RAND Corporation）创建了系统分析方法。20世纪50年代，在麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）系统工程开始作为一门课程讲授。1993年，Wymore*次正式提出“基于模型的系统工程”（MBSE）这一术语，并将其定义为一种基于离散系统理论和系统设计理论的数学方法。虽然Wymore的方法尚未涉及现代系统建模语言（Systems Modeling Language，SysML）的可视化建模，但它为后续MBSE的发展奠定了理论基础。 20世纪末，软件开发领域迎来了统一建模语言（UnifiedModeling Language，UML）。经过近30年持之以恒的努力，1996～1997年，UML Partners正式推出了UML，并将其提交给对象管理组织（Object Management Group，OMG）进行标准化。UML的出现为面向对象的软件开发提供了统一的建模符号，极大地推动了模型驱动工程（Model-Driven Engineering，MDE）的发展。2003年，SysML Partners开始基于UML开发SysML，专门用于系统工程，并于2007年9月正式发布SysML1.0版。SysML的出现是MBSE从理论走向实践的重要一步。2007年，国际系统工程协会（TheInternational Council on Systems Engineering，INCOSE）在其发布的《系统工程2020愿景》中正式定义了MBSE，将其描述为“通过建模方法支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动”的方法，明确了MBSE替代文档驱动方式、提高系统工程效率和质量的核心目标。 MBSE在工业界的推广始于21世纪的第一个十年，尤其是在航空航天和国防领域。例如，波音公司和洛克希德？马丁公司等大型企业开始在复杂系统开发中引入MBSE方法。2008～2009年，SysML在实际项目中得到了广泛应用，其模型驱动的方式不仅增强了开发过程的透明度和可追溯性，也有效降低了项目风险。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在MBSE的推广中也发挥了重要作用。 进入21世纪的第二个十年，MBSE的应用范围不断扩大，涵盖了航空航天、汽车、医疗和工业自动化等多个领域。2011年，NASA开始评估MBSE在航天飞行系统中的应用潜力。2016年，NASA启动了MBSE Pathfinder项目，旨在探索MBSE在系统工程生命周期中的应用。经过两年的实践，MBSE Pathfinder项目展示了MBSE在概念设计、需求分析、验证和测试中的显著优势。此后，NASA进一步推动MBSE在企业级的应用，并建立了相关的基础设施和用户社区。但随着MBSE的广泛应用，脱胎于UML的SysML越来越显出其局限性，因此从2017年9月起，INCOSE和OMG开始探索脱离UML的全新SysML内核，历经近8年的努力，2025年7月正式发布了SysMLv2，它重新定义了内核建模语言（Kernel Modeling Language，KerML），并引入了新的语义框架和模型库，进一步提高了语言的精确性和可扩展性。随着SysMLv2的开发和推广，MBSE的建模语言和工具也在不断进化，国外有10余家公司在全力研发支持SysML v2的建模工具，如达索系统公司、PTC公司、西门子股份公司（Siemens AG）等。目前国内杭州华望系统科技有限公司已于2025年1月7日发布了内测版，邀请全国同行进行试用，并于2025年9月15日正式发布支持SysMLv2的新版M-Design。此外，MBSE与人工智能、数字孪生等新兴技术的结合，为系统工程的智能化发展提供了新的方向。 MBSE的发展历程反映了系统工程领域从基于文档到基于模型的重大转变。从早期的理论探索到现代的广泛应用，MBSE不仅在技术上取得了显著进步，还在工业实践中证明了其价值。随着SysMLv2的推广和相关技术的不断创新，MBSE将继续推动系统工程向更高效、更智能的方向发展。 1.1.2MBSE三大支柱 MBSE作为一种现代系统工程实践，其核心在于通过模型贯穿系统的全生命周期，实现高效的设计、分析和管理。MBSE的成功实践依赖于如图1-1所示三大支柱：建模方法、建模语言和建模工具。以下详细阐述。 图1-1MBSE三大支柱 1.建模方法 建模方法是MBSE实践的指南，它明确了模型的创建、使用与维护方式，为系统工程师在复杂系统开发中提供系统性的时间框架。通常，建模方法包括建模流程、最佳实践以及标准化的工作步骤，其目的在于确保模型的有效性与一致性。随着MBSE的发展，国际上形成了多种具有影响力的方法论，以下是一些主流的建模方法。 1）OOSEM OOSEM（INCOSE Object-Oriented Systems Engineering Method）是INCOSE提出的一种面向对象的系统工程方法，强调从需求到设计的逐步细化和模型化。OOSEM在传统系统工程方法基础上，融合了面向对象技术及因果分析、逻辑分解等建模技术，支持需求可变、结构可扩展的系统设计。OOSEM方法设计流程主要包括如下活动：①分析需要；②定义系统需求；③定义逻辑架构；④集成分配的架构；⑤优化与评价备选方案；⑥确认和验证系统。 其中，定义系统需求的任务是获取指导后续开发活动的系统规格详细说明，即系统开发的技术需求；定义逻辑架构活动将系统分解为一系列逻辑组件，并指明组件之间的关联关系，以实现系统需求；集成分配的架构定义逻辑组件与物理组件（软件、硬件、数据结构等）的映射关系，完成系统物理架构的生成；优化与评价备选方案这一活动贯穿整个设计过程，通过综合运用工程分析与优化等技术，对设计方案进行优化和评价；确认和验证系统主要验证系统设计是否满足用户需求与指导设计活动的技术需求。图1-2列出了OOSEM活动使用的相关建模技术。 图1-2OOSEM活动 2）Harmony SE HarmonySE是一种由国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）提出的综合性MBSE方法论，旨在支持从需求分析到系统设计的全过程建模，尤其适合复杂系统的开发。该方法的核心思路是先聚焦于系统功能的分析，即如何将功能要求转换为一致的系统操作描述；然后将系统操作分配到具体的系统架构模块中，并在过程中明确各模块之间的端口和接口，从而奠定子系统之间交互的基础。 Harmony方法论下系统建模过程的主要特点是：具有一个集成的模型与需求管理库和逐级推进演化。以此为基础，Harmony方法论下系统建模的目标主要有三个：一是识别导出所需要的系统功能；二是识别相关的系统状态与模式；三是将系统功能/模式与相关的物理架构对应起来。与之对应，如图1-3所示，整个建模过程主要包括三步：需求分析、系统功能分析与架构设计。 3）并行建模方法 并行建模方法是由Vitech公司提出，因而也称为VitechMBSE方法。虽然VitechMBSE方法被认为是“与工具无关的”，但是出现在其教程中的材料与Vitech公司的MBSE建模工具集CORE有很强的联系。VitechMBSE方法基于四个主要的并发系统工程活动，并通过共同的系统设计库进行链接和维护。如图1-4所示，这些主系统工程活动在相关联的“域”的上下文内链接，其中，系统工程活动被视为是“过程域”的元素。 4）状态分析法 状态分析法是喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）开发的MBSE方法，它融合了基于模型和基于状态的控制架构，专注于系统的状态和行为建模，适用于动态系统的分析和设计。如图1-5所示，状态（state）表示系统的瞬间状态，模型（model）描述状态如何进化。状态分析法提供了一个利用明确的模型来提取系统和软件需求的过程，从而减少了由系统工程师描述的软件需求和由软件工程师执行这些需求之间的分歧。 5）MagicGrid MagicGrid方法是由No Magic公司（现已被达索系统公司收购）提出的一种基于SysML的MBSE方法论。它通过总结众多MBSE项目的经验形成，旨在为系统工程师提供一个清晰的建模框架和流程指导，帮助他们在复杂系统开发中高效地应用MBSE。MagicGrid方法采用如图1-6所示矩阵形式展示建模过程，这一系统建模过程分为问题域、解决方案域和实现域三个主要域，围绕4大支柱，即需求、行为、结构、参数展开。 企业在实际项目中选择哪种建模方法，需根据自身的研发流程和项目需求进行分析和删减。不同的行业和项目类型可能需要不同的方法论支持，因此不能直接照搬某种“理论模型”，而应结合实际情况灵活应用。 6）HOPE HOPE方法论是杭州华望系统科技有限公司结合多年国内MBSE实践凝练而成的。以RFLP（requirement-function-logical-physical，需求-功能-逻辑-物理）为中心，融合了国际上主流的MBSE建模方法，深化了某些工程上的特性。主要流程如图1-7所示：①需求分析，是从利益攸关方需求（任务要求）中提取系统期
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