模块八：变体与配置

SysML v2 的变体机制建立在 KerML 的类型系统之上。variation 不是独立的元模型元素，而是通过特化（specialization）和重定义（redefinition）在已有类型系统上的约束应用。每一个变体选项本质上都是父定义的一个特化子类型。

KerML 来源：variation → 抽象 Usage（Abstract Feature）

在系统工程中，一个产品家族通常包含多种变体——同一基础设计的不同版本。例如，一辆汽车可能有汽油版和电动版，同一型号的传感器可能有高精度和标准精度之分。SysML v2 通过 variation 机制在同一个模型中捕获所有这些选项，而不是维护多个独立模型。

为什么需要变体建模

• 复用：共享的部分只建模一次，变化的部分用 variant 表示
• 一致性：所有变体共享同一个基础架构，避免模型间不一致
• 可追溯性：每个配置决策都有明确的模型痕迹
• 自动化：工具可以根据约束自动排除不合法的组合

核心术语

KerML 来源：variant → 特化父 Usage 的子 Feature

使用 variation 修饰符标记一个用法（usage）为变体点，然后用 variant 声明该变体点的各个选项。每个 variant 在类型系统中是父用法的一个特化。

部件变体

1
part def Vehicle {
2
    // 变体点：动力总成可选择不同类型
3
    variation part powertrain : Powertrain {
4
        variant part ice   : ICEPowertrain;    // 内燃机
5
        variant part ev    : EVPowertrain;     // 纯电动
6
        variant part hybrid: HybridPowertrain; // 混合动力
7
    }
8
}

上述代码声明了一个名为 powertrain 的变体点，提供三个选项。在任意具体的 Vehicle 实例中，powertrain 必须恰好绑定为其中之一。

属性变体

1
part def Sensor {
2
    // 变体点：精度等级
3
    variation attribute accuracy : AccuracyLevel {
4
        variant attribute standard : StandardAccuracy;
5
        variant attribute high     : HighAccuracy;
6
    }
7
}

行为变体

1
action def Navigate {
2
    // 变体点：导航算法
3
    variation action algorithm : NavAlgorithm {
4
        variant action astar   : AStarNav;      // A* 算法
5
        variant action dijkstra: DijkstraNav;   // Dijkstra 算法
6
    }
7
}

KerML 来源：配置 → 通过 Redefinition 将 variation 绑定为特定 variant

配置（configuration）是对一个产品家族模型中所有变体点做出具体选择的结果。在 SysML v2 中，配置通过特化父定义并重定义其变体点来实现。

基本配置

1
// 产品家族定义
2
part def Vehicle {
3
    variation part powertrain : Powertrain {
4
        variant part ice    : ICEPowertrain;
5
        variant part ev     : EVPowertrain;
6
        variant part hybrid : HybridPowertrain;
7
    }
8
    variation attribute market : MarketRegion {
9
        variant attribute cn : ChinaMarket;
10
        variant attribute eu : EUMarket;
11
        variant attribute us : USMarket;
12
    }
13
}
14

15
// 配置：中国市场纯电动版
16
part def VehicleCN_EV :> Vehicle {
17
    part powertrain redefines Vehicle::powertrain = ev;
18
    attribute market redefines Vehicle::market = cn;
19
}

部分配置

并非所有变体点都必须在同一个特化中全部绑定。你可以创建部分配置，只绑定一部分变体点，将其余选择留给更下层的特化：

1
// 部分配置：先确定市场，动力总成留给后续选择
2
part def VehicleCN :> Vehicle {
3
    attribute market redefines Vehicle::market = cn;
4
    // powertrain 仍然是 variation，尚未绑定
5
}
6

7
// 完全配置：中国市场 + 混合动力
8
part def VehicleCN_Hybrid :> VehicleCN {
9
    part powertrain redefines Vehicle::powertrain = hybrid;
10
}

KerML 来源：约束过滤 → ConstraintUsage

并非所有变体组合都是合法的。例如，电动版可能不支持某些低成本内饰，某些传感器只在高端市场可用。SysML v2 通过约束来限定合法的变体组合。

变体间约束

1
part def Vehicle {
2
    variation part powertrain : Powertrain {
3
        variant part ice : ICEPowertrain;
4
        variant part ev  : EVPowertrain;
5
    }
6
    variation part interior : Interior {
7
        variant part basic   : BasicInterior;
8
        variant part premium : PremiumInterior;
9
    }
10

11
    // 约束：电动版必须搭配高端内饰
12
    assert constraint evRequiresPremium {
13
        powertrain == ev implies interior == premium
14
    }
15
}

使用 require constraint 过滤

1
part def Vehicle {
2
    variation attribute batteryCapacity : BatterySize {
3
        variant attribute small  : SmallBattery;   // 40 kWh
4
        variant attribute medium : MediumBattery;  // 60 kWh
5
        variant attribute large  : LargeBattery;   // 100 kWh
6
    }
7

8
    // 内燃机版不需要电池选项
9
    require constraint batteryOnlyForEV {
10
        powertrain == ice implies batteryCapacity == null
11
    }
12
}

KerML 来源：特化 → Specialization（类型层次关系）

变体机制与 SysML v2 的特化系统紧密集成。当你特化一个包含 variation 的定义时，所有的变体点和选项都会被继承。你可以在子类型中：

• 绑定变体点（选定一个 variant）
• 缩小变体选项（移除某些不适用的 variant）
• 添加新的变体点（扩展产品线）

缩小变体选项

1
part def Vehicle {
2
    variation part powertrain : Powertrain {
3
        variant part ice    : ICEPowertrain;
4
        variant part ev     : EVPowertrain;
5
        variant part hybrid : HybridPowertrain;
6
    }
7
}
8

9
// 城市车型：只提供电动和混合动力
10
part def CityVehicle :> Vehicle {
11
    variation part powertrain redefines Vehicle::powertrain {
12
        variant part ev     : EVPowertrain;
13
        variant part hybrid : HybridPowertrain;
14
        // ice 选项被移除
15
    }
16
}

添加新变体点

1
// 高端车型：继承所有选项，新增自动驾驶等级变体
2
part def PremiumVehicle :> Vehicle {
3
    variation attribute autoLevel : AutonomyLevel {
4
        variant attribute l2 : Level2;
5
        variant attribute l3 : Level3;
6
        variant attribute l4 : Level4;
7
    }
8
}

以下模型展示了一个完整的智能家居设备产品家族，综合运用部件变体、属性变体、变体约束和多级配置。

1
package SmartHomeProductLine {
2
    private import ScalarValues::*;
3

4
    // ── 基础定义 ─────────────────────────────────────────
5
    part def WifiModule;
6
    part def BluetoothModule;
7
    part def ZigbeeModule;
8
    part def BasicProcessor;
9
    part def AIProcessor;
10
    part def StandardCamera;
11
    part def HDCamera;
12

13
    // ── 产品家族定义 ─────────────────────────────────────
14
    part def SmartHub {
15
        // 变体点 1：通信模块
16
        variation part comms : CommsModule {
17
            variant part wifi      : WifiModule;
18
            variant part bluetooth : BluetoothModule;
19
            variant part zigbee    : ZigbeeModule;
20
        }
21

22
        // 变体点 2：处理器
23
        variation part processor : Processor {
24
            variant part basic : BasicProcessor;
25
            variant part ai    : AIProcessor;
26
        }
27

28
        // 变体点 3：摄像头（可选）
29
        variation part camera [0..1] : Camera {
30
            variant part stdCam : StandardCamera;
31
            variant part hdCam  : HDCamera;
32
        }
33

34
        // 变体点 4：目标市场
35
        variation attribute region : MarketRegion {
36
            variant attribute cn : ChinaRegion;
37
            variant attribute eu : EURegion;
38
            variant attribute us : USRegion;
39
        }
40

41
        // ── 变体约束 ────────────────────────────────────
42
        // HD 摄像头需要 AI 处理器
43
        assert constraint hdNeedsAI {
44
            camera == hdCam implies processor == ai
45
        }
46
        // 中国市场必须支持 Zigbee
47
        assert constraint cnNeedsZigbee {
48
            region == cn implies comms == zigbee
49
        }
50
    }
51

52
    // ── 配置 1：中国市场基础版 ───────────────────────────
53
    part def SmartHub_CN_Basic :> SmartHub {
54
        part comms     redefines SmartHub::comms     = zigbee;
55
        part processor redefines SmartHub::processor = basic;
56
        part camera    redefines SmartHub::camera    = stdCam;
57
        attribute region redefines SmartHub::region   = cn;
58
    }
59

60
    // ── 配置 2：欧洲市场高端版 ───────────────────────────
61
    part def SmartHub_EU_Premium :> SmartHub {
62
        part comms     redefines SmartHub::comms     = wifi;
63
        part processor redefines SmartHub::processor = ai;
64
        part camera    redefines SmartHub::camera    = hdCam;
65
        attribute region redefines SmartHub::region   = eu;
66
    }
67
}

这个模型展示了：多个变体点（通信、处理器、摄像头、市场）、变体约束（HD 摄像头需要 AI 处理器、中国市场需要 Zigbee）、可选变体（摄像头多重性 [0..1]）以及完整配置（将所有变体点绑定为具体选项）。