今天我們所需應對的復雜系統(tǒng)中最突出的特征是由物理、控制、通信、計算和網(wǎng) 絡等多個方面的交互和集成，未來多學科的系統(tǒng)都將是賽博物理系統(tǒng)（簡稱 CPS）。當 前，隨著各類賽博物理系統(tǒng)概念化構思和規(guī)�；\行的不斷涌現(xiàn)，而我們面對工程的 雄心和自信心將受到質疑，因為僅是憑借那些分散在單個學科的專家和知識以及樸實 的工程實踐能力，已遠遠無法支持尋求和維系具有錯綜復雜交互組件構成的宏大的解 決方案。面對未來復雜的工程化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)工程的進步方向不僅突出對技 術約束的考慮，而且更將會涉及消除如物理及數(shù)據(jù)交互帶來的影響。
在基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的整體理論以及系統(tǒng)化的設計方法、技術和工 具的支持下，我們亟待依賴建立單一的、形式化的系統(tǒng)建模語言，通過恰當?shù)臄U展來 表示系統(tǒng)中組件之間物理交互與信號流之間的相互作用，并解決兩類迥然不同的問 題：1）系統(tǒng)組件之間交換攜帶著能量物質的物理交互，組件的行為由與流率、勢能 和組件變量相關的方程所決定，而在仿真中物理交互更適于表示具有實體物質交換組 件的系統(tǒng)；2）系統(tǒng)組件按照預定方向交換數(shù)值和布爾值的信號流，其組件行為是由 相關的輸入、輸出和組件變量的方程來指定的，而信號流更適于描述控制和信號處理 系統(tǒng)。
對象管理組織（OMG）的 SysPhS 標準應用 SysML 的擴展支持物理交互和信號流 的仿真，其優(yōu)點在于定義了 SysML 模型和 Modelica 或 MATLAB Simulink / Simscape 模 型之間轉換的標準，并提供了一種用于定義和共享仿真的、基于模型的簡潔方法，從 而支持系統(tǒng)工程師和其他的專業(yè)工程師之間開展跨學科的溝通。通過針對 SysML 增加 附加仿真信息的特點，SysPhS 的構造型（stereotype）特別強調在模型中而不是在具體 仿真軟件配置中來定義模型的特性，從而擴展出了獨立于仿真平臺的物理交互仿真模 型以及信號流仿真模型，并提供了人可理解的數(shù)學表達式的文本句法，同時可在系統(tǒng) 模型中創(chuàng)建可重用的仿真元素的 SysML 庫。
本書內容源自 OMG 的《支持物理交互和信號流仿真的 SysML 擴展》標準規(guī)范
（版本 1.1）的內容，重點在于突出其技術部分，介紹由 SysML 擴展來定義支持物理交 互和信號流仿真的公共特征的基本方式，這部分特征在 SysML 中原本并不存在；描述 一種與平臺無關的、分別用以表示不透明表達式和不透明行為的方程式和算法語句的 語言；講解模型轉換到仿真平臺之前執(zhí)行的 SysML 預先處理過程；說明經過上述擴展 的 SysML 模型如何與多種仿真平臺（Modelica 和 Simulink，包括 Simulation 擴展，如 Simscape）之間的轉換關系；針對組件交互和行為定義，指導我們來定義一個與平臺 無關、支持重用的仿真組件庫。
本書的目的在于呈現(xiàn)支持賽博物理系統(tǒng)的交互仿真的 SysML 擴展的基本原理和技術路徑，讀者將從本書中理解并掌握與物理交互和數(shù)據(jù)流仿的模型設計和仿真運用的 關鍵問題以及解決思路，并可從與相關軟件工具的應用介紹中得到有關模型開發(fā)、模 型庫建立的有益指南。在 MBSE 應用中，工程實踐人員將學習借助統(tǒng)一的系統(tǒng)建模語 言解決跨學科交互仿真的建模技術。同時，該書還可作為系統(tǒng)工程、賽博物理系統(tǒng)、 自主系統(tǒng)等方向研究生的教材，使其有機會可系統(tǒng)地學習關于物理交互和數(shù)據(jù)流仿真 的最新理論，并通過具體步驟、案例講解等的指導，領悟 MBSE 應用中的倡導的協(xié)同 建模、協(xié)同仿真等相關新型技術的基本方法和實現(xiàn)方式。
作者 2023 年 12 月
第 1 章 范 圍…………………………………………………………………………… 1
第 2 章 符合性…………………………………………………………………………… 3
第 3 章 引 用…………………………………………………………………………… 4
3.1 規(guī)范性引用 …………………………………………………………………… 4
3.2 非規(guī)范性引用 ………………………………………………………………… 4
第 4 章 術語和定義……………………………………………………………………… 6
第 5 章 對象管理組織…………………………………………………………………… 7
第 6 章 附加信息………………………………………………………………………… 8
6.1 信號流與物理交互仿真的對比 ……………………………………………… 8
6.2 如何閱讀本書 ………………………………………………………………… 8
第 7 章 支持物理交互和信號流仿真的 SysML 擴展 ………………………………… 10
7.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 10
7.2 仿真的擴展集（profile） ……………………………………………………… 10
第 8 章 描述數(shù)學表達式的語言………………………………………………………… 14
第 9 章 SysML 模型預處理 …………………………………………………………… 15
9.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 15
9.2 使用關聯(lián)塊的內部結構來替代由關聯(lián)塊所類型化的連接器 ……………… 15
9.3 將非仿真端口轉換為構件 …………………………………………………… 16
9.4 分離擁有多個仿真流特性的塊，并類型化構件和端口 …………………… 17
9.5 移除連接器末端的嵌套 ……………………………………………………… 22
第 10 章 SysML 平臺與仿真平臺之間的轉換 ………………………………………… 24
10.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 24
10.2 根元素 ………………………………………………………………………… 25
10.3 塊與特性 ……………………………………………………………………… 27
10.4 泛 化 ………………………………………………………………………… 30
10.5 特性重定義 …………………………………………………………………… 32
10.6 PhSVariable 和 PhSConstant ………………………………………………… 35
10.7 端口和流特性 ………………………………………………………………… 37
10.8 連接器 ………………………………………………………………………… 42
10.9 帶約束的塊 …………………………………………………………………… 47
10.10 缺省值和初始值 …………………………………………………………… 55
10.11 數(shù)據(jù)類型和單位 …………………………………………………………… 58
10.12 狀態(tài)機 ……………………………………………………………………… 60
10.13 數(shù)學表達式 ………………………………………………………………… 66
第 11 章 平臺無關組件庫 ……………………………………………………………… 67
11.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 67
11.2 組件交互 ……………………………………………………………………… 67
11.3 組件行為 ……………………………………………………………………… 68
11.4 具有單位的值類型 …………………………………………………………… 80
11.5 平臺相關的擴展 ……………………………………………………………… 81
附錄A：示例（非規(guī)范的）……………………………………………………………… 86
A.1 介 紹 ………………………………………………………………………… 86
A.2 電 路 ………………………………………………………………………… 86
A.3 信號處理器 …………………………………………………………………… 91
A.4 液壓系統(tǒng) ……………………………………………………………………… 97
A.5 加濕器 ……………………………………………………………………… 101
A.6 巡航控制系統(tǒng) ……………………………………………………………… 119
附錄B：與平臺無關的調試（非規(guī)范）……………………………………………… 133
B.1 介 紹 ……………………………………………………………………… 133
B.2 預處理：簡化模型 ………………………………………………………… 134
B.3 仿真執(zhí)行失敗的靜態(tài)調試 ………………………………………………… 136
B.4 仿真結果超出預期的動態(tài)調試 …………………………………………… 140
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