模块 5：需求与约束

SysML v2 的需求建模建立在 KerML 的 约束（Constraint）机制之上。在 KerML 层面，约束是一种布尔类型的特征，其实例必须求值为 true 或 false。SysML v2 在此基础上增加了 需求（Requirement） 的概念 — 将约束与文本描述、主体、利益相关方等元数据结合在一起。

KerML 溯源：requirement def → ConstraintDefinition（特化 Class）

需求定义（requirement def）是 SysML v2 中描述系统需求的核心构造。它将自然语言描述与形式化约束结合在一起，形成可追溯、可验证的需求规格。

基本需求定义

一个最基本的需求定义包括名称、文档说明和可选的主体声明：

1
requirement def MassRequirement {
2
    doc /* 系统总质量不得超过规定上限 */
3
    subject vehicle : Vehicle;
4
    attribute massLimit : ISQ::MassValue;
5
    require constraint { vehicle.totalMass <= massLimit }
6
}

带利益相关方的需求

stakeholder 关键字标注需求的来源或关注方：

1
requirement def SafetyRequirement {
2
    doc /* 系统必须在检测到故障后 500ms 内进入安全状态 */
3
    subject sys : ControlSystem;
4
    stakeholder safetyEngineer : SafetyEngineer;
5
    attribute responseTime : ISQ::TimeValue;
6
    require constraint { responseTime <= 500 [ms] }
7
}

KerML 溯源：requirement（使用）→ 由 ConstraintDefinition 类型化的 Feature

与结构建模中 part def / part 的关系一样，requirement def 是模板，requirement 使用是在具体上下文中的实例化。需求可以嵌套形成层次结构，实现从顶层系统需求到子系统需求的逐级分解。

需求使用

1
// 在具体项目上下文中使用需求
2
requirement vehicleMass : MassRequirement {
3
    subject vehicle : PassengerVehicle;  // 绑定具体主体
4
    attribute redefines massLimit = 1500 [kg];
5
}

需求层次分解

需求可以包含子需求，形成树状层次结构。父需求被满足当且仅当所有子需求都被满足：

1
requirement def VehicleRequirements {
2
    doc /* 车辆系统顶层需求 */
3
    subject vehicle : Vehicle;
4

5
    // 子需求：质量约束
6
    requirement massReq : MassRequirement {
7
        attribute redefines massLimit = 2000 [kg];
8
    }
9

10
    // 子需求：最高速度
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    requirement speedReq {
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        doc /* 最高速度不低于 180 km/h */
13
        require constraint { vehicle.maxSpeed >= 180 [km/h] }
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    }
15

16
    // 子需求：安全性
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    requirement safetyReq : SafetyRequirement;
18
}

KerML 溯源：satisfy → SatisfyRequirementUsage（特化 RequirementUsage 和 AssertConstraintUsage）

满足（assert satisfy）声明一个设计元素满足某个需求。需求流转（从系统需求推导出子系统需求）通过 特化（specializes）来实现，而非单独的 derive 关键字。

满足关系

1
part def ChassisDesign {
2
    attribute totalMass : ISQ::MassValue;
3
}
4

5
// 声明底盘设计满足质量需求
6
assert satisfy vehicleMass by chassisDesign : ChassisDesign;

assert satisfy 建立了从设计解决方案到需求的追溯链。工具可以检查 chassisDesign 的属性值是否满足 vehicleMass 中的约束表达式。

需求流转（使用特化）

需求流转通过 specializes 实现。子需求继承父需求的所有约束，并可以添加更严格的条件：

1
requirement def SafetyReq {
2
    doc /* 系统安全顶层需求 */
3
}
4

5
// 制动距离需求特化自安全需求
6
requirement def BrakingDistance specializes SafetyReq {
7
    doc /* 从 100 km/h 到完全停车的距离不超过 35m */
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    subject brakeSystem : BrakeSystem;
9
    require constraint { brakeSystem.stoppingDistance <= 35 [m] }
10
}

需求特化

需求定义可以通过 specializes 继承并细化父需求的约束：

1
requirement def HighPerformanceMass specializes MassRequirement {
2
    doc /* 高性能版本的更严格质量限制 */
3
    attribute redefines massLimit = 1200 [kg];
4
}

KerML 溯源：constraint def → ConstraintDefinition；constraint → ConstraintUsage

约束（constraint）是需求的核心组件 — 一个求值为布尔值的表达式。约束可以独立于需求使用，也可以嵌入需求定义中。SysML v2 提供了丰富的表达式语法来编写约束条件。

约束定义

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constraint def TemperatureRange {
2
    in attribute temp : ISQ::TemperatureValue;
3
    in attribute lower : ISQ::TemperatureValue;
4
    in attribute upper : ISQ::TemperatureValue;
5
    temp >= lower and temp <= upper
6
}

在零件上应用约束

约束可以直接附加到零件定义上，作为不变条件（invariant）：

1
part def BatteryPack {
2
    attribute temperature : ISQ::TemperatureValue;
3
    attribute minTemp : ISQ::TemperatureValue = -20 [degC];
4
    attribute maxTemp : ISQ::TemperatureValue = 60 [degC];
5

6
    // 温度必须始终在范围内
7
    assert constraint tempInRange : TemperatureRange {
8
        in temp = temperature;
9
        in lower = minTemp;
10
        in upper = maxTemp;
11
    }
12
}

表达式语法

SysML v2 约束表达式支持算术运算、逻辑运算、比较运算以及属性链式访问：

KerML 溯源：assume constraint / require constraint → ConstraintUsage（带方向标记）

SysML v2 的需求支持两种约束角色：假设约束（assume constraint）和 要求约束（require constraint）。这一区分源自合同式设计（Design by Contract）的思想。

假设约束

假设约束描述需求成立的前提条件 — 环境或上下文必须满足的条件：

1
requirement def OperationalRange {
2
    doc /* 系统在正常环境条件下工作距离不少于 200km */
3
    subject sys : MobileSystem;
4

5
    // 前提：环境温度在正常范围内
6
    assume constraint {
7
        sys.environment.temperature >= -10 [degC] and
8
        sys.environment.temperature <= 45 [degC]
9
    }
10

11
    // 要求：工作距离满足指标
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    require constraint {
13
        sys.operationalRange >= 200 [km]
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    }
15
}

多条约束组合

一个需求可以包含多条假设约束和要求约束：

1
requirement def CommunicationReliability {
2
    doc /* 通信子系统可靠性要求 */
3
    subject comm : CommunicationSubsystem;
4

5
    // 假设：供电正常
6
    assume constraint { comm.powerSupply.voltage >= 11.5 [V] }
7

8
    // 假设：天线完好
9
    assume constraint { comm.antenna.status == AntennaStatus::operational }
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11
    // 要求：丢包率低于阈值
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    require constraint { comm.packetLossRate <= 0.01 }
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14
    // 要求：延迟低于阈值
15
    require constraint { comm.latency <= 50 [ms] }
16
}

以下模型整合了前面所有概念：为一个无人机系统建立需求体系，包含需求定义、层次分解、约束表达式、假设/要求约束，以及满足关系。

1
package UAVRequirements {
2
    private import ISQ::*;
3
    private import SI::*;
4
    private import ScalarValues::*;
5

6
    // ── 约束定义（可复用的布尔表达式）──────────────
7
    constraint def WithinRange {
8
        in attribute value : Real;
9
        in attribute min   : Real;
10
        in attribute max   : Real;
11
        value >= min and value <= max
12
    }
13

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    // ── 顶层需求定义 ─────────────────────────────
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    requirement def UAVSystemRequirements {
16
        doc /* 无人机系统顶层需求规格 */
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        subject uav : UAV;
18

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        // 子需求：最大起飞质量
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        requirement massReq {
21
            doc /* 最大起飞质量不超过 25kg */
22
            require constraint { uav.totalMass <= 25 [kg] }
23
        }
24

25
        // 子需求：续航时间
26
        requirement enduranceReq {
27
            doc /* 续航时间不少于 45 分钟 */
28
            assume constraint {
29
                uav.environment.windSpeed <= 15 [m/s]
30
            }
31
            require constraint { uav.endurance >= 45 [min] }
32
        }
33

34
        // 子需求：通信距离
35
        requirement commRangeReq {
36
            doc /* 遥控通信距离不少于 10km */
37
            require constraint { uav.commRange >= 10 [km] }
38
        }
39

40
        // 子需求：工作温度范围
41
        requirement tempReq {
42
            doc /* 系统需在 -20 至 50 度环境下正常工作 */
43
            assert constraint operatingTemp : WithinRange {
44
                in value = uav.environment.temperature;
45
                in min = -20 [degC];
46
                in max = 50 [degC];
47
            }
48
        }
49

50
        // 子需求：安全响应
51
        requirement safetyReq {
52
            doc /* 检测到致命故障后 1 秒内启动紧急着陆 */
53
            stakeholder safetyOfficer : SafetyOfficer;
54
            require constraint {
55
                uav.faultResponseTime <= 1000 [ms]
56
            }
57
        }
58
    }
59

60
    // ── 满足关系 ─────────────────────────────────
61
    part def UAVDesign {
62
        part airframe   : Airframe;
63
        part battery    : BatteryPack;
64
        part radioLink  : RadioLink;
65
        part controller : FlightController;
66
    }
67

68
    // 具体使用顶层需求
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    requirement sysReqs : UAVSystemRequirements {
70
        subject uav : UAVDesign;
71
    }
72

73
    // 声明满足关系
74
    assert satisfy sysReqs.massReq      by uavDesign.airframe;
75
    assert satisfy sysReqs.enduranceReq by uavDesign.battery;
76
    assert satisfy sysReqs.commRangeReq by uavDesign.radioLink;
77
    assert satisfy sysReqs.safetyReq    by uavDesign.controller;
78
}

该模型展示了：constraint def（可复用的布尔约束）、requirement def 的层次分解（顶层需求包含五个子需求）、assume/require constraint（续航需求的风速假设）、stakeholder（安全需求的来源标注）、satisfy（将设计零件映射到各项需求）。