基于SysML的平台无关模型转换研究

褚长勇 任栩生 孙安程

(杭州电子科技大学机械工程学院 浙江 杭州 310018)

0 引 言

在信息技术高速发展的今天，人们需要开发的系统日益复杂，而且牵涉到的领域也越来越广。系统建模语言SysML针对系统工程领域中设计与建模的特点，提供了可视化、图形化的系统建模支持，广泛应用于复杂系统建模[1]。SysML包含九种模型视图，侧重于不同角度反映整个系统的结构特征。模型图之间相互关联，互为补充。但是现阶段系统建模主要依赖于工程师的个人能力水平，不仅建模效率较低，而且也无法避免人为错误导致的模型错误、不一致等问题。

由于不同模型图反映的模型信息存在重叠、冗余的情况，因此可以对模型信息进行扩展，加强模型之间的联系，通过建立模型之间的映射关系实现模型转换达到快速开发建模的目的。模型驱动架构MDA(Model Driven Architecture)是对象管理组织OMG(Object Management Group)于2001年提出的软件系统开发方法。对MDA而言，模型不再是一种辅助工具，而是开发过程的产品，其核心即为模型转换。平台无关模型PIM(Platform Independent Model)和平台相关模型PSM(Platform Specific Model)是MDA中用于开发工作的计算模型。MDA中PIM到PIM的转换实际上是模型之间的增强、过滤和精化。目前MDA更多地关注在PIM到PSM的转换上，忽视了PIM的精确性对系统需求的影响。因此，为了实现快速、精确建立系统的SysML模型，提出一种基于UML Profile通用扩展机制的模型转换方法：根据模型之间的关联关系，分别定义SysML需求图及用例图的模型扩展版型(Stereotype)，通过元模型间的映射方法实现SysML需求图到用例图、用例图到序列图的转换。

1 国内外研究现状

文献[2]提出一种模型映射的九元组，并给出序列图到状态图转换的形式化定义，但该方法没有实现模型的自动生成，需要分段分析并进行整合。文献[3]采用规范化的描述语言，设计了一种用例图到序列图的半自动转换方法，但这种方法不但在描述语言中抽取信息时存在混淆错误的情况，还需额外设计模型图中元素的格局布置，准确度和自由度较低。文献[4]给出一种递归对象模型(ROM)到SysML模型的转换方法，通过分析系统需求设计其ROM模型，ROM模型实际上也是规范化描述语言的图形化表示，通过分析ROM模型元素间得关系实现ROM到SysML的模型转换。文献[2-4]对于建立SysML模型图之间的映射、实现模型转换给出了参考思路：通过分析模型图的用途、元素组成，可以构建模型元素间的映射关联，以实现模型转换的目的。

文献[5]提出以扩展需求图为基础，实现其到用例图及状态图的转换。但其扩展没有依据SysML模型图之间的关联关系，只是将所有扩展信息加入需求图中，导致需求图过于臃肿，并且适用范围很窄。文献[6]采用业务流程建模标记(BPMN)方法，通过在计算无关模型(CIM)层次创建包含更多信息的业务模型，研究实现CIM到PIM的转换，与文献[5]类似，同样使用扩展源模型的方式来实现。因此，在建立模型间映射关联的基础上，通过扩展源模型所包含的信息、约束、关联关系是实现模型转换、达到快速开发建模目的的有效方法。

2 模型转换的扩展Profile设计

2.1 需求图到用例图的转换

SysML需求图是由UML类图扩充而来，是SysML中用于沟通以文字形式记录的系统需求的一种主要媒介。建模者通常会创建需求图来表示需求之间的可跟踪性，以及从需求到系统结构和行为的可跟踪性,包括包含、跟踪、继承、改善、验证等关系[7]。SysML用例图可以显示各种类型的元素和关系，说明系统提供的服务信息，以及需要服务的利益相关者的信息。在用例图中通过创建用例描述系统的功能性需求，包括基础用例、内含用例(include)和扩展用例(extend)。因此，根据需求图与用例图内容之间的关联关系，将需求图中的功能性需求部分通过模型转换得到用例图是可行的。

根据这种思想，首先需要使用UML Profile设计需求图的扩展版型(Stereotype)，使其能够包含用例图中的Actor、Include以及Extend等元素，这是实现需求图到用例图转换的基础。如图1所示，在功能性需求扩展版型中：TargetUseCase用于判断该需求是否为所需的功能性需求；TargetUser表示需求所服务的使用者，同时通过枚举的方式列出使用者；IncludedBy表示用例的内含关系；ExtendedFrom和ExtensionPoint则表示用例之间的扩展关系。最后，将其导入到所建立的需求图中。

图1 需求图的扩展Profile

2.2 用例图到序列图的转换

SysML中序列图可以表达系统动态行为信息，说明随着时间推移而发生的行为和事件的序列。通过生命线元素，为系统行为中的参与者建模，然后使用生命线之间的消息，为参与者之间的交互建模[7]。序列图主要包含的模型元素有：消息发送者、消息接收者以及消息序列。用例图是用来描述系统功能的，从面向对象的角度来看，系统的功能是由一组对象通过互相发送消息来完成，而序列图则是通过这样的对象和信息来描述系统的动态行为。因此，序列图是描述用例的事件流场景[8]。

基于用例图与序列图的关联关系，同样使用UML Profile设计用例图的扩展版型(Stereotype)，使用例图中每一个用例都可以完整表达其内部的事件流，如图2所示。首先，为了确定要进行模型转换的目标用例，设置TargetUseCase来进行判断，对布尔值为true的用例进行转换操作；其次，由于序列图中可能存在用例外部的“触发者”通过消息激活序列图事件流，所以设置多重性为[0,1]的Trigger作为触发者，TMessage作为触发消息，TReceiver作为接收消息的生命线元素表达这种情况；最后，通过发送者序列(SenderSequence)、接收者序列(ReceiverSequence)以及消息序列(MessageSequence)来表达生命线元素之间的消息交互。从纵向来看，消息的发送者、接收者和消息本身组成了一个消息传递的三元组，该三元组在横向上按照从左到右的方式对消息传递按照时间先后进行排序，从而可以得到消息传递的顺序。

图2 用例图的扩展Profile

3 基于扩展Profile模型转换实现过程

3.1 ATL模型转换语言

ATL(Atlas Transf ormation Language)[9-10]是ATLAS、INRIA&LINA和Nantes大学共同开发的一种符合OMG的QVT解决方案，它基于EMF(Eclipse模型框架)，通过EMF来描述其元模型和模型。从本质上来说，ATL是一种描述式和命令式混合的编程语言。一方面ATL的描述式可以简化源模型和目标模型元素之间的映射，另一方面命令式可以弥补描述式在映射关系上的不足[11]。

本文在Eclipse平台上通过插件Papyrus分别对需求图、需求图扩展Profile以及用例图扩展Profile进行建模。在此基础上，通过在ATL插件中使用ATL模型转换语言编写转换代码来实现模型转换。

3.2 需求图到用例图转换的ATL规则实现

首先，需定义模型(Model)层面的转换规则，由需求模型经ATL转换生成用例模型，作为容器为后续元素层面的模型转换奠定基础。规则可用如下伪代码来描述：

if exist RequirementModel && contain Profile then

create UseCaseModel

在元素层面，将经Profile扩展的需求图中包含的元素分别对应转换为用例图中的执行者、用例、执行者与用例之间的关系以及用例之间的关系。在遍历需求图实例的基础上，转换规则如下：

(1) 若关键词TargetUser存在，则将其包含的元素转换为用例图中的Actor，即执行者；

(2) 判断TargetUseCase设置的属性值，若为true，将该实例转换为用例图中的UseCase，即用例；

(3) 若实例中TargetUser存在并且TargetUseCase为true，则在用例图中创建执行者与用例之间的关系(Association)；

(4) 若需求图中IncludedBy存在，则将其包含的实例作为源端用例，该需求本身作为目标用例，建立用例之间的内含关系(include)；

(5) 同理，若需求图中ExtendedFrom存在，则将其包含的实例作为目标用例，该需求本身作为源端用例，在目标用例中创建对源端用例的接口ExtensionPoint，实现用例之间的扩展关系(extend)。

下列伪代码描述了元素之间的对应转换关系，将其放入模型层中实现需求图到用例图的转换过程：

traversal instances in RequirementModel

//创建执行者

if exist TargetUser then

create Actor

Actor.name=TargetUser.name

//创建用例

if TargetUseCase is true then

create UseCase

UseCase.name=TargetUseCase.name

//创建Association

if exist TargetUser && TargetUseCase is true then

create Association

Association.from=Actor

Association.to=UseCase

//创建内含关系

if exist IncludedBy then

create include

include.from=UseCase[target]

include.to=UseCase[self]

//扩展关系与内含关系类似，不再赘述

……

3.3 用例图到序列图转换的ATL规则实现

在模型层面，与需求图到用例图的转换类似，由用例模型转换生成序列模型作为容器。与用例图不同的是，序列图还需在模型中创建一个交互(Interaction)面板，用于放置后续的模型元素。伪代码如下：

if exist UseCaseModel && contain Profile then

create SequenceModel

create Interaction

元素层面上，需由用例包含的事件流信息转换得到序列图中生命线、消息序列等元素。其转换规则设计如下：

(1) 设置布尔值属性关键词TargetUseCase，若值为true，则将该用例作为转换时序图的目标用例，获取该用例所包含的事件流信息；

(2) 若用例中外部触发者Trigger存在，将该元素转换为序列图中的LifeLine，即生命线元素；

(3) 用例的触发消息中，以Trigger、TMessage以及TReceiver作为触发消息的三元组，判断三者的值属性转换得到序列图的触发消息；

(4) 若用例的内部事件InternalEvent存在，将其包含的所有元素均转换为生命线元素；

(5) 用例内部事件之间的消息交互，同样采用消息三元组SenderSequence、MessageSequence以及ReceiverSequence通过模型转换得到序列图中生命线元素之间的消息序列；

(6) 规定TMessage和MessageSequence消息交互的属性值首位以数字序号开头，用以判别消息交互的序列，以便模型转换后序列图的消息布局。

实现该模型转换的伪代码如下：

//判断是否为目标用例

if TargetUseCase is true then

//创建触发者生命线

if exist Trigger then

create LifeLine

LifeLine.name=Trigger.name

//若存在触发者，则必定有触发消息

//创建触发消息

create LifeLine

LifeLine.name=TReceiver.name

create Message

//触发消息必定在消息序列的首位

Message.name=“0 ”+TMessage.name

Message.from=LifeLine[Trigger]

Message.to=LifeLine[TReceiver]

//创建内部事件生命线

if exist InternalEvent then

for i 0 to InternalEvent.length by 1 do

create LifeLine

LifeLine.name=InternalEvent[i].name

//创建内部消息

for j 0 to MessageSequence.length by 1 do

create Message

//内部消息序列从1开始排序

Message.name=“(j+1) ”+

MessageSequence[j].name

Message.from=SenderSequence[j].name

Message.to=ReceiverSequence[j].name

4 基于扩展Profile的模型转换实例

本章选取电动汽车充电桩软件控制系统作为案例，用以验证上文研究的模型转换方法可行性。首先，通过分析充电桩软件控制系统的需求[12]，在Eclipse平台下采用papyrus插件建立系统的需求图，并将其扩展Profile导入，得到扩展的系统需求图，如图3、图4所示。

图3 需求图导入扩展Profile

图4 电动汽车充电桩软件控制系统需求图

同样在Eclipse平台下，通过ATL模型转换插件根据转换算法编写转换代码实现需求图到用例图的模型转换，如图5所示。

图5 系统ATL模型转换程序界面

在执行ATL转换程序时配置其输入、扩展Profile以及输出得到电动汽车充电桩软件控制系统的用例图，如图6、图7所示。

图6 系统ATL模型转换程序配置信息

图7 电动汽车充电桩软件控制系统用例图

同理，在得到的用例图中导入其扩展Profile，根据ATL转换规则，得到电动汽车充电桩软件控制系统各个用例的序列图。以“用户验证”为例，其转换后的序列图如图8所示。

图8 电动汽车充电桩软件控制系统序列图

5 结 语

针对目前系统开发需求复杂、领域交叉导致建模效率低、人为错误多等问题，本文提出一种基于扩展UML Profile的模型转换机制。在根据系统需求建立SysML需求图的基础上，建立需求图到用例图以及用例图到序列图的扩展Profile。然后根据扩展Profile包含的系统信息使用ATL模型转换语言实现需求图到用例图、用例图到序列图的转换。最后，通过以电动汽车充电桩软件控制系统为例，验证了该方法的可行性。下一步，我们将研究关于序列图消息序列排序更好的表达方式，并实现用例图到序列图中组合片段的转换，建立更加完善的Profile扩展信息。