模块 6：用例

SysML v2 中的"用例"（Case）构建在 KerML 计算层（Computation layer）之上。KerML 的 CaseDefinition 继承自 Calculation（而 Calculation 又继承自 Function），代表一个可以产生结果的行为。SysML v2 在此基础上增加了领域语义：use case（使用用例）、analysis case（分析用例）和 verification case（验证用例）。

use case def 定义一种可复用的交互场景类型。它描述了系统（subject）与外部实体（actor）之间的交互序列，以及需要达成的目标（objective）。

基本用例定义

最简单的用例定义包含一个主题和一个目标：

1
use case def 监控环境 {
2
    doc /* 系统持续监控环境数据并在异常时发出警报 */
3

4
    subject system : 环境监控系统;  // 被描述的系统
5

6
    objective {
7
        doc /* 确保环境参数异常时能在 10 秒内发出警报 */
8
    }
9
}

带动作序列的用例

用例本身是一种行为，因此可以包含动作序列来描述交互的具体步骤：

1
use case def 紧急制动 {
2
    subject vehicle : 车辆;
3

4
    actor driver : 驾驶员;
5

6
    objective {
7
        doc /* 车辆在障碍物检测后 200ms 内启动制动 */
8
    }
9

10
    // 用例中的动作序列
11
    action 检测障碍 : 障碍物检测;
12
    action 启动制动 : 制动控制;
13
    action 通知驾驶员 : 警报发送;
14

15
    first 检测障碍 then 启动制动;
16
    first 启动制动 then 通知驾驶员;
17
}

subject（主题）标识用例所描述的系统或子系统。actor（参与者）声明与系统交互的外部实体。两者都是零件用法（part usage），但具有不同的语义角色。

主题声明

每个用例必须有一个 subject。它指定用例所分析或描述的系统：

1
part def 智能家居系统;
2

3
use case def 温度调节 {
4
    subject home : 智能家居系统;  // 用例描述的系统
5
}

参与者声明

参与者可以是人、外部系统或环境。一个用例可以有多个参与者：

1
use case def 远程监控 {
2
    subject system : 工业控制系统;
3

4
    actor operator : 操作员;       // 人类参与者
5
    actor cloud : 云平台;          // 外部系统参与者
6
    actor sensor : 传感器网络;     // 设备参与者
7

8
    objective {
9
        doc /* 操作员能够通过云平台实时查看传感器数据 */
10
    }
11
}

参与者与主题的交互

参与者通过动作和数据流与主题系统交互。用例的动作序列描述了这些交互的时序关系：

1
use case def 数据采集 {
2
    subject system : 数据采集系统;
3
    actor user : 分析师;
4

5
    objective {
6
        doc /* 系统按照分析师的配置自动采集数据 */
7
    }
8

9
    action 配置参数 {
10
        in item config : 采集配置 from user;  // 参与者提供输入
11
    }
12
    action 执行采集 : 自动采集;
13
    action 返回结果 {
14
        out item result : 采集报告 to user;   // 将结果返回参与者
15
    }
16

17
    first 配置参数 then 执行采集;
18
    first 执行采集 then 返回结果;
19
}

include use case 允许一个用例包含另一个用例的行为，实现用例的组合与复用。这类似于 UML 中的 <<include>> 关系，但在 SysML v2 中具有更精确的语义。

基本包含

1
use case def 用户认证;
2

3
use case def 提交订单 {
4
    subject system : 电商平台;
5
    actor buyer : 买家;
6

7
    // 包含认证用例 — 提交订单前必须先认证
8
    include use case auth : 用户认证;
9

10
    action 选择商品 : 商品选择;
11
    action 确认支付 : 支付处理;
12

13
    first auth then 选择商品;
14
    first 选择商品 then 确认支付;
15
}

多层包含

用例可以嵌套包含，形成用例的层次结构：

1
use case def 传感器自检;
2
use case def 通信检查;
3

4
use case def 系统初始化 {
5
    subject system : 无人机;
6

7
    include use case selfTest : 传感器自检;
8
    include use case commCheck : 通信检查;
9

10
    // 两项检查并行执行
11
    fork;
12
        selfTest;
13
        commCheck;
14
    join;
15
}

analysis case def 定义一个分析过程，它是 CaseDefinition 的特化形式。分析用例具有 return 结果，用于表达分析的输出。典型应用包括性能分析、可靠性分析和权衡研究。

基本分析用例

1
analysis case def 质量预算分析 {
2
    subject vehicle : 车辆;
3

4
    // 分析的返回值 — 总质量是否在预算内
5
    return result : Boolean;
6

7
    objective massObjective {
8
        doc /* 验证总质量不超过 2000 kg */
9
    }
10
}

带计算步骤的分析用例

分析用例可以包含详细的计算步骤，形成一个完整的分析流程：

1
analysis case def 功耗分析 {
2
    subject system : 嵌入式系统;
3

4
    in attribute 环境温度 : ISQ::ThermodynamicTemperatureValue;
5
    in attribute 工作模式 : 运行模式;
6

7
    return 功耗报告 : 功耗分析报告;
8

9
    objective {
10
        doc /* 系统在所有工作模式下功耗不超过 50W */
11
    }
12

13
    // 分析步骤
14
    action 收集参数 : 参数采集;
15
    action 计算静态功耗 : 静态分析;
16
    action 计算动态功耗 : 动态分析;
17
    action 汇总报告 : 报告生成;
18

19
    first 收集参数 then 计算静态功耗;
20
    first 收集参数 then 计算动态功耗;
21
    first 计算静态功耗 then 汇总报告;
22
    first 计算动态功耗 then 汇总报告;
23
}

verification case def 定义一个验证流程，用于检验系统是否满足需求。它通过 verify 关键字将验证过程与需求关联起来。

基本验证用例

1
requirement def 响应时间需求 {
2
    doc /* 系统响应时间不超过 100ms */
3
    subject system : 控制系统;
4
}
5

6
verification case def 响应时间测试 {
7
    subject system : 控制系统;
8

9
    // 声明本验证用例验证哪个需求
10
    verify requirement 响应时间需求;
11

12
    return verdict : VerdictKind;  // pass / fail / inconclusive
13
}

带测试步骤的验证用例

验证用例可以包含详细的测试步骤，形成可执行的测试流程：

1
verification case def 制动距离验证 {
2
    subject vehicle : 车辆;
3

4
    verify requirement 制动性能需求;
5

6
    return verdict : VerdictKind;
7

8
    objective {
9
        doc /* 在干燥路面上 100km/h 制动距离 < 40m */
10
    }
11

12
    // 测试步骤
13
    action 准备测试环境 : 测试准备 {
14
        doc /* 设置初始速度和路面条件 */
15
    }
16
    action 执行制动 : 制动测试;
17
    action 测量距离 : 距离测量;
18
    action 判定结果 : 结果评估;
19

20
    first 准备测试环境 then 执行制动;
21
    first 执行制动 then 测量距离;
22
    first 测量距离 then 判定结果;
23
}

验证用例与需求的追溯

一个验证用例可以验证多个需求，反之一个需求也可以被多个验证用例覆盖：

1
verification case def 系统集成测试 {
2
    subject system : 飞行控制系统;
3

4
    // 一个验证用例可以验证多个需求
5
    verify requirement 响应时间需求;
6
    verify requirement 可靠性需求;
7
    verify requirement 安全性需求;
8

9
    return verdict : VerdictKind;
10
}

以下模型集成了本模块的所有概念：一个无人机任务系统的用例模型，包含使用用例、分析用例和验证用例。

1
package 无人机任务用例 {
2
    private import ISQ::*;
3
    private import SI::*;
4

5
    // ── 零件定义 ─────────────────────────────────────
6
    part def 无人机;
7
    part def 地面站;
8
    part def 操作员;
9

10
    // ── 需求定义 ─────────────────────────────────────
11
    requirement def 续航需求 {
12
        doc /* 无人机续航时间不少于 30 分钟 */
13
        subject uav : 无人机;
14
    }
15

16
    requirement def 通信距离需求 {
17
        doc /* 通信距离不少于 5 km */
18
        subject uav : 无人机;
19
    }
20

21
    // ── 使用用例：任务执行 ───────────────────────────
22
    use case def 执行侦察任务 {
23
        doc /* 无人机按操作员指令执行区域侦察 */
24

25
        subject uav : 无人机;
26
        actor op : 操作员;
27
        actor gcs : 地面站;
28

29
        objective {
30
            doc /* 完成指定区域的影像采集并安全返航 */
31
        }
32

33
        // 包含子用例
34
        include use case preflight : 飞行前检查;
35

36
        action 起飞 : 自动起飞;
37
        action 巡航侦察 : 区域扫描;
38
        action 返航着陆 : 自动返航;
39

40
        first preflight then 起飞;
41
        first 起飞 then 巡航侦察;
42
        first 巡航侦察 then 返航着陆;
43
    }
44

45
    // ── 子用例：飞行前检查 ──────────────────────────
46
    use case def 飞行前检查 {
47
        subject uav : 无人机;
48
        actor op : 操作员;
49

50
        objective {
51
            doc /* 确认无人机处于可飞行状态 */
52
        }
53

54
        action 检查电池 : 电池状态检查;
55
        action 检查通信 : 通信链路检查;
56
        action 检查传感器 : 传感器校准;
57

58
        // 三项检查并行执行
59
        fork;
60
            检查电池;
61
            检查通信;
62
            检查传感器;
63
        join;
64
    }
65

66
    // ── 分析用例：续航分析 ──────────────────────────
67
    analysis case def 续航时间分析 {
68
        subject uav : 无人机;
69

70
        in attribute 载荷质量 : ISQ::MassValue;
71
        in attribute 风速 : ISQ::SpeedValue;
72

73
        return 预计续航 : ISQ::DurationValue;
74

75
        objective {
76
            doc /* 在给定载荷和风速下计算预计续航时间 */
77
        }
78

79
        action 计算悬停功耗 : 悬停功耗模型;
80
        action 计算巡航功耗 : 巡航功耗模型;
81
        action 计算总续航 : 续航综合计算;
82

83
        first 计算悬停功耗 then 计算总续航;
84
        first 计算巡航功耗 then 计算总续航;
85
    }
86

87
    // ── 验证用例：续航验证 ──────────────────────────
88
    verification case def 续航验证测试 {
89
        subject uav : 无人机;
90

91
        verify requirement 续航需求;
92

93
        return verdict : VerdictKind;
94

95
        objective {
96
            doc /* 实际飞行测试确认续航 >= 30 分钟 */
97
        }
98

99
        action 充满电池 : 电池充电;
100
        action 标准载荷飞行 : 续航飞行测试;
101
        action 记录时间 : 飞行时间记录;
102
        action 评估结果 : 判定评估;
103

104
        first 充满电池 then 标准载荷飞行;
105
        first 标准载荷飞行 then 记录时间;
106
        first 记录时间 then 评估结果;
107
    }
108

109
    // ── 验证用例：通信距离验证 ──────────────────────
110
    verification case def 通信距离验证测试 {
111
        subject uav : 无人机;
112

113
        verify requirement 通信距离需求;
114

115
        return verdict : VerdictKind;
116
    }
117
}

此模型展示了：use case def（使用用例定义与参与者交互）、include use case（用例组合）、analysis case def（带返回值的分析过程）、verification case def（带 verify 链接的验证流程）、以及 objective（每个用例的目标需求）。