模块三：结构建模

本模块中的每一个结构性关键字都是 KerML L1 构件在 SysML L2 的具体应用。下表展示了本模块所有概念的层次对应关系。

KerML 来源：part def → Class； part → 复合 Feature； ref part → 非复合 Feature

在 SysML v2 中，结构建模回答的是：这个系统由什么构成？这些部件之间是什么关系？主要工具是 part。

定义与用法

• part def — 声明一个可复用类型。KerML 层面：一个 Class，其实例随时间持续存在且有身份。
• part — 在特定上下文中对该类型的用法。KerML 层面：由该 Class 类型化的复合 Feature，isComposite = true。

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part def Engine {
2
    attribute displacement : Real;
3
    attribute cylinders    : Integer;
4
}
5
6
part def Car {
7
    part engine  : Engine;    // 一个复合 Engine 子元素
8
    part wheel   : Wheel[4];  // 四个复合 Wheel 子元素
9
    part chassis : Chassis;
10
}

复合 vs 引用：part vs ref part

两者都是由 Class 类型化的 Feature。区别在于 KerML 的 isComposite 标志：

• part — isComposite = true。父级独占子级，子级随父级创建和销毁。
• ref part — isComposite = false。子级独立存在；父级只持有对它的引用。同一个 Person 可以同时是多辆车的司机；销毁汽车不会销毁司机。
• attribute — 由 DataType 类型化的 Feature（见第 2 节）。没有身份，没有独立存在——只是实例内部的数据。

1
part def Fleet {
2
    part    car    : Car[1..*];  // isComposite=true：被车队拥有
3
    ref part driver : Person;       // isComposite=false：司机独立存在
4
    attribute name : String;        // DataType 子元素：Fleet 删除时一同消失
5
}
6
7
// 删除 Fleet 也会删除它的 Car（复合所有权）
8
// 以及 name 値（DataType，没有独立对象）。Driver 不受影响。

KerML 来源：attribute def → DataType； attribute → 由 DataType 类型化的 Feature； enum def → 带 EnumerationLiteral 的 DataType

属性存储表征部件特性的数据値。在 KerML 中，它们是由 DataType 类型化的 Feature——DataType 是一种实例不携带身份的 Classifier。像 3.7 或 "Generic" 这样的値不是对象；它们只是属于所属实例的量或标签。

标量値类型——基本 DataType

SysML v2 在 ScalarValues 标准库中提供四种基本标量类型：

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private import ScalarValues::*;
2
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part def Sensor {
4
    attribute sampleRate   : Real;     // 无量纲；实际中优先使用 ISQ::FrequencyValue
5
    attribute label        : String;   // 人可读的名称
6
    attribute channelCount : Integer;  // 必须是整数
7
    attribute enabled      : Boolean;  // 该传感器当前是否激活？
8
}

ISQ 量类型——感知物理量的値类型

ISQ（国际量制）标准库为每种物理量定义了带类型的値。每个 ISQ 类型都是一个携带量纲元数据的 DataType：模型知道 MassValue 和 LengthValue 不是同种东西，3.7[V] 不能赋给 MassValue 属性。値的写法是 数字[单位]：

1
private import ISQ::*;   // 量类型：MassValue、LengthValue 等
2
private import SI::*;    // SI 单位：kg、m、s、A、K 及导出单位

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package DroneModel {
2
    private import ISQ::*;
3
    private import SI::*;
4
5
    part def Battery {
6
        attribute nominalVoltage : ISQ::ElectricPotentialValue = 22.2[V];
7
        attribute capacity       : ISQ::EnergyValue;
8
        attribute peakCurrent    : ISQ::ElectricCurrentValue;
9
        attribute mass           : ISQ::MassValue;
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    }
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    part def Motor {
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        attribute kv          : Real;                      // 无量纲：RPM/V
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        attribute maxCurrent  : ISQ::ElectricCurrentValue;
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        attribute stallTorque : ISQ::TorqueValue;
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    }
17
}

用 attribute def 定义自己的値类型

attribute def 创建一个新的命名 DataType——一种可复用的结构化値类型。当一个概念不只是单个数字时使用它：

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attribute def GeoCoordinate {
2
    private import ISQ::*;
3
    attribute latitude  : Real;              // 度，-90 到 +90
4
    attribute longitude : Real;              // 度，-180 到 +180
5
    attribute altitude  : ISQ::LengthValue;
6
}
7
8
attribute def BatteryHealth {
9
    attribute stateOfCharge      : Real;     // 0.0 到 1.0
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    attribute cycleCount         : Integer;
11
    attribute temperature        : ISQ::TemperatureValue;
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    attribute internalResistance : ISQ::ElectricalResistanceValue;
13
}
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part def UAV {
16
    attribute homePosition : GeoCoordinate;
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    attribute batteryState : BatteryHealth;
18
}

用 enum def 定义枚举

当一个属性只能取一组固定命名値之一时，使用枚举。在 KerML 中，每个字面量是一个 EnumerationLiteral；枚举本身是一个 DataType：

1
enum def FlightMode {
2
    enum MANUAL;
3
    enum STABILISED;
4
    enum AUTO;
5
    enum RETURN_TO_HOME;
6
    enum EMERGENCY;
7
}
8
9
enum def HealthStatus {
10
    enum OK;
11
    enum DEGRADED;
12
    enum FAILED;
13
}
14
15
part def FlightController {
16
    attribute currentMode  : FlightMode   := FlightMode::STABILISED;
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    attribute systemHealth : HealthStatus := HealthStatus::OK;
18
}

四种値赋値方式

1
part def Motor {
2
    attribute cylinders  : Integer = 4;              // 绑定：始终为4，不可改变
3
    attribute currentRPM : Real    := 0;             // 初始：从0开始，运行时会变化
4
    attribute idleRPM    : Real    default = 800;    // 默认绑定：800，子类型可覆盖
5
    attribute vendor     : String  default := "Generic"; // 默认初始：可覆盖的起始値
6
}
7
8
part def RacingMotor specializes Motor {
9
    attribute idleRPM : Real = 1200 redefines idleRPM;  // 覆盖默认绑定
10
}

KerML 来源：item def → Class（KerML 层与 part def 相同；区别是 SysML 约定）

流动项（item）是在部件之间流动的事物——信号、数据包、流体、物理材料、能量。与 part def 一样，item def 映射到 KerML Class：实例有身份，可以携带属性。与 part def 的区别纯粹是约定——流动项是流中的参与者，而不是持久的结构组件。

定义流动项

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item def ElectricalPower {
2
    private import ISQ::*;
3
    attribute voltage : ISQ::ElectricPotentialValue;
4
    attribute current : ISQ::ElectricCurrentValue;
5
}
6
7
item def DataPacket {
8
    attribute payload  : String;
9
    attribute checksum : Integer;
10
    attribute priority : Integer default = 0;
11
}
12
13
item def Fuel {
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    private import ISQ::*;
15
    attribute volumeFlow : ISQ::VolumeFlowRateValue;
16
}

流动项在端口和流中的使用

1
port def PowerPort {
2
    out item power : ElectricalPower;
3
}
4
5
part def DriveSystem {
6
    part battery : Battery { port powerOut : PowerPort; }
7
    part motor   : Motor   { port powerIn  : ~PowerPort; }
8
9
    flow of ElectricalPower
10
        from battery.powerOut.power
11
        to   motor.powerIn.power;
12
}

KerML 来源：port def → Type 边界上的带方向 Feature； connect → Connector； interface def → 带 end Feature 的 Association

端口（Port）是部件的定义交互点。在 KerML 中，端口是一个由 Type 拥有的带方向 Feature，位于类型的边界上。连接（Connection）通过 KerML Connector 实例将端口 Feature 链接在一起。

端口定义

1
port def ElectricalPort {
2
    out item power   : ElectricalPower;   // 发送电力
3
    in  item control : ControlSignal;     // 接收控制信号
4
}
5
6
// 共轭 ~ElectricalPort 反转所有方向：
7
// in item power, out item control

部件上的端口

1
part def PowerSupply { port output : ElectricalPort;  }   // 供方侧
2
part def Controller  { port input  : ~ElectricalPort; }   // 需方侧（共轭）

连接端口

connect 语句创建一个连接两个 Feature 实例的 KerML Connector：

1
part def System {
2
    part psu        : PowerSupply;
3
    part controller : Controller;
4
5
    connect psu.output to controller.input;              // 匿名 Connector
6
7
    connection powerLink : ElectricalInterface           // 命名、类型化 Connector
8
        connect psu.output to controller.input;
9
}

接口定义

interface def 映射到 KerML Association——一个其实例就是连接本身的 Classifier，带有命名的 end Feature 标识每个参与者：

1
interface def PowerInterface {
2
    end port supplier : ElectricalPort;
3
    end port consumer : ~ElectricalPort;
4
    flow of ElectricalPower from supplier.power to consumer.power;
5
}
6
7
part def System {
8
    part psu : PowerSupply;  part controller : Controller;
9
    interface : PowerInterface
10
        connect supplier ::> psu.output
11
        to      consumer ::> controller.input;
12
}

KerML 来源：直接 → 复合 Feature；子集 → Subsetting 关系；特化 → Subclassification；重定义 → Redefinition

四种将系统分解为部件的模式，每种模式映射到不同的 KerML 关系集合。

模式一——直接分解

1
part def AircraftSystem {
2
    part airframe    : Airframe;
3
    part propulsion  : PropulsionSystem;
4
    part avionics    : Avionics;
5
    part fuelSystem  : FuelSystem;
6
}

模式二——抽象池与子集

声明一个抽象池特征，然后使用 subsets 关键字（KerML Subsetting 关系）引入命名的个体。abstract 关键字强制池被完全覆盖：

1
part def PropulsionSystem {
2
    abstract part engine : Engine[1..4];             // 池——必须完全命名
3
    part leftEngine  : TurboFan subsets engine;      // KerML Subsetting 关系
4
    part rightEngine : TurboFan subsets engine;
5
}

模式三——特化与重定义

使用 specializes（KerML Subclassification）进行特化，然后使用 redefines（KerML Redefinition）缩窄继承的特征：

1
part def Vehicle {
2
    part powertrain : Powertrain;
3
    attribute range : ISQ::LengthValue;
4
}
5
6
part def ElectricVehicle specializes Vehicle {
7
    part powertrain : ElectricPowertrain redefines powertrain;  // 缩窄类型
8
    attribute range : ISQ::LengthValue = 500[km] redefines range;  // 固定値
9
}
10
11
part def HybridVehicle specializes Vehicle {
12
    part powertrain : HybridPowertrain redefines powertrain;
13
}

模式四——多重性驱动的分解

1
part def SolarArray {
2
    part panel    : SolarPanel[1..*];   // 至少一块板
3
    part string   : PanelString[2..8];  // 2到8串
4
    part inverter : Inverter;           // 恰好一个逆变器
5
}

一个综合了本模块所有内容的无人机系统。注意：末尾的 devUAV 用法使用了 :>> 简写——两种形式都有效；简写在紧凑的用法级覆盖中很常见。

1
package UAVSystem {
2
    private import ISQ::*; private import SI::*; private import ScalarValues::*;
3
4
    enum def FlightMode { enum MANUAL; enum STABILISED; enum AUTO; enum RTH; }
5
6
    // 流动项（KerML Class，约定：流动）
7
    item def ElectricalPower {
8
        attribute voltage : ISQ::ElectricPotentialValue;
9
        attribute current : ISQ::ElectricCurrentValue; }
10
    item def ControlCommand {
11
        attribute channel : Integer; attribute pwmValue : Integer; }
12
13
    // 端口（KerML 带方向 Feature）
14
    port def PowerPort { out item pwr : ElectricalPower; }
15
    port def MotorPort { in item cmd : ControlCommand; in item pwr : ElectricalPower; }
16
17
    // 部件（KerML Class）
18
    part def Battery {
19
        attribute capacity       : ISQ::EnergyValue;
20
        attribute nominalVoltage : ISQ::ElectricPotentialValue = 22.2[V];
21
        attribute health         : Real default := 1.0;
22
        port powerOut : PowerPort; }
23
24
    part def FlightController {
25
        attribute loopRate : ISQ::FrequencyValue = 400[Hz];
26
        attribute mode     : FlightMode := FlightMode::STABILISED;
27
        port powerIn  : ~PowerPort;
28
        port motorCmd : MotorPort[4]; }
29
30
    part def Motor {
31
        attribute kv         : Real;
32
        attribute maxCurrent : ISQ::ElectricCurrentValue;
33
        port ctrl : MotorPort; }
34
35
    part def MotorAssembly { part motor : Motor; part prop : Propeller; }
36
    part def Propeller {
37
        attribute diameter : ISQ::LengthValue; attribute pitch : ISQ::LengthValue; }
38
39
    // UAV：抽象池 + 直接分解
40
    part def UAV {
41
        attribute mass       : ISQ::MassValue;
42
        attribute maxPayload : ISQ::MassValue;
43
        part battery : Battery; part fc : FlightController;
44
        abstract part motorAsm : MotorAssembly[4];
45
        part frontLeft  : MotorAssembly subsets motorAsm;  // 显式 subsets
46
        part frontRight : MotorAssembly subsets motorAsm;
47
        part rearLeft   : MotorAssembly subsets motorAsm;
48
        part rearRight  : MotorAssembly subsets motorAsm;
49
        connect battery.powerOut    to fc.powerIn;
50
        connect fc.motorCmd[1] to frontLeft.motor.ctrl;
51
        connect fc.motorCmd[2] to frontRight.motor.ctrl;
52
        connect fc.motorCmd[3] to rearLeft.motor.ctrl;
53
        connect fc.motorCmd[4] to rearRight.motor.ctrl; }
54
55
    // 用法级覆盖（此处使用 :>> 简写）
56
    part devUAV : UAV {
57
        :>> mass = 1.2[kg]; :>> maxPayload = 0.5[kg];
58
        part :>> battery { :>> capacity = 44.4[W*h]; }
59
        part :>> fc      { :>> loopRate  = 500[Hz];  } }
60
}

此模型演示了：enum def（FlightMode）、ISQ 属性、item def（KerML Class，流动约定）、port def（带方向 Feature）、复合分解、显式 subsets 的抽象池、connect（Connector）以及用法级重定义简写。