模块九：验证与确认

验证（Verification）回答"我们是否正确地构建了系统？"——即系统是否满足其规格要求。确认（Validation）回答"我们是否构建了正确的系统？"——即系统是否满足利益相关者的实际需要。SysML v2 为这两者提供了一等公民的语言构件。

SysML v2 中的 V&V 关键字

SysML v2 引入了专门的关键字来建模验证与确认活动：

验证用例（verification def）定义了验证活动的模板——包括被测对象、验证步骤和预期结果。它是 SysML v2 中将需求与测试活动联系起来的核心构件。

定义验证用例

1
verification def VerifyMaxSpeed {
2
    doc /* 验证系统是否满足最大速度需求 */
3

4
    subject vehicle : Vehicle;     // 被测对象
5

6
    objective {
7
        verify requirement MaxSpeedReq; // 验证目标需求
8
    }
9

10
    action setupTest : PrepareTestTrack;  // 步骤一：准备测试环境
11
    action runTest   : AccelerateToMax;   // 步骤二：执行加速测试
12
    action measure   : RecordSpeed;       // 步骤三：记录速度数据
13

14
    first setupTest then runTest then measure;
15
}

验证用例的组成部分

每个验证用例通常包含以下要素：

• subject——被测试或被评估的系统/组件
• objective——验证用例要达成的目标，通常引用一个或多个需求
• 动作序列——执行验证的具体步骤，使用 action 和控制流组织
• return——验证结果，通常为通过/失败的判定

verify 关键字建立了验证用例与需求之间的可追溯关系。这是 V&V 活动中最关键的连接——它确保每个需求都有对应的验证方法，每个验证活动都有明确的目标需求。

基本验证关系

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requirement def MaxSpeedReq {
2
    doc /* 车辆最大速度不低于 200 km/h */
3
    subject vehicle : Vehicle;
4
    require constraint {
5
        vehicle.maxSpeed >= 200 [km/h]
6
    }
7
}
8

9
verification def VerifyMaxSpeed {
10
    subject vehicle : Vehicle;
11
    objective {
12
        verify requirement MaxSpeedReq;
13
    }
14
}

多需求验证

一个验证用例可以同时验证多个需求。在 objective 块中列出所有需要验证的需求：

1
verification def VerifyPerformance {
2
    subject vehicle : Vehicle;
3
    objective {
4
        verify requirement MaxSpeedReq;       // 最大速度
5
        verify requirement AccelerationReq;   // 加速性能
6
        verify requirement BrakingDistReq;    // 制动距离
7
    }
8
}

验证矩阵的可追溯性

通过 verify 关系，工具可以自动生成需求验证追溯矩阵（RVTM）。该矩阵显示每个需求对应的验证方法，帮助识别未被覆盖的需求：

验证用例的核心是测试用例——具体的测试步骤、输入数据、预期输出和判定标准。SysML v2 使用动作分解和约束来建模完整的测试流程。

带参数的测试用例

1
verification def VerifyBrakingDistance {
2
    subject vehicle : Vehicle;
3

4
    objective {
5
        verify requirement BrakingDistReq;
6
    }
7

8
    // 测试输入参数
9
    in attribute initialSpeed  : ISQ::SpeedValue;  // 初始速度
10
    in attribute roadCondition : RoadSurface;       // 路面条件
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12
    // 测试步骤
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    action accelerate : AccelerateToSpeed {
14
        in attribute targetSpeed = initialSpeed;
15
    }
16
    action brake : EmergencyBrake;
17
    action measureDist : MeasureStoppingDistance {
18
        out attribute distance : ISQ::LengthValue;
19
    }
20

21
    first accelerate then brake then measureDist;
22

23
    // 判定标准：制动距离不超过 38 米
24
    assert constraint passcriterion {
25
        measureDist.distance <= 38 [m]
26
    }
27
}

测试数据的参数化

通过参数化设计，同一验证用例可以用不同的输入数据多次执行。这避免了为每个测试场景重复定义验证用例：

1
// 测试场景一：干燥路面，100 km/h
2
verification dryRoadTest : VerifyBrakingDistance {
3
    in attribute initialSpeed  = 100 [km/h];
4
    in attribute roadCondition = RoadSurface::Dry;
5
}
6

7
// 测试场景二：湿滑路面，80 km/h
8
verification wetRoadTest : VerifyBrakingDistance {
9
    in attribute initialSpeed  = 80 [km/h];
10
    in attribute roadCondition = RoadSurface::Wet;
11
}

确认关注的是系统是否满足利益相关者的真实需要，而不仅仅是技术规格。SysML v2 通过将利益相关者需求、用例和关注点集成到模型中来支持确认活动。

利益相关者与关注点

1
package Stakeholders {
2
    part def Operator {
3
        doc /* 系统操作员——关注易用性和响应时间 */
4
    }
5
    part def SafetyEngineer {
6
        doc /* 安全工程师——关注故障模式和冗余 */
7
    }
8
    part def EndUser {
9
        doc /* 最终用户——关注功能完整性和用户体验 */
10
    }
11
}

利益相关者需求与确认活动

1
requirement def UsabilityReq {
2
    doc /* 操作员应能在 30 秒内完成紧急操作 */
3
    stakeholder operator : Operator;
4
    subject sys : ControlSystem;
5
    require constraint {
6
        sys.emergencyResponseTime <= 30 [s]
7
    }
8
}
9

10
// 确认活动：用户评审会
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verification def ValidateUsability {
12
    doc /* 通过用户测试确认操作流程满足可用性需求 */
13
    subject sys : ControlSystem;
14

15
    objective {
16
        verify requirement UsabilityReq;
17
    }
18

19
    action briefOperator  : BriefingSession;   // 向操作员说明测试场景
20
    action executeScenario : EmergencyScenario; // 执行紧急操作场景
21
    action collectFeedback : UserFeedback;      // 收集操作员反馈
22

23
    first briefOperator then executeScenario then collectFeedback;
24
}

SysML v2 的验证用例可以与分析用例（analysis）结合，实现基于模型的自动化验证。分析用例执行计算或仿真，验证用例利用其结果来判定需求是否被满足。

分析驱动的验证

1
analysis def ThermalAnalysis {
2
    subject component : ElectronicModule;
3
    in attribute ambientTemp  : ISQ::TemperatureValue;
4
    in attribute powerDissipation : ISQ::PowerValue;
5
    return attribute maxJunctionTemp : ISQ::TemperatureValue;
6
}
7

8
verification def VerifyThermalLimit {
9
    subject component : ElectronicModule;
10

11
    objective {
12
        verify requirement ThermalReq;
13
    }
14

15
    // 执行热分析
16
    action runAnalysis : ThermalAnalysis {
17
        in attribute ambientTemp = 40 [degC];       // 环境温度
18
        in attribute powerDissipation = 15 [W];     // 功耗
19
    }
20

21
    // 判定：结温不超过 125 摄氏度
22
    assert constraint {
23
        runAnalysis.maxJunctionTemp <= 125 [degC]
24
    }
25
}

验证方法分类

工程实践中，验证方法通常分为四类。SysML v2 模型可以用元数据标注每个验证用例所采用的方法：

1
// 使用元数据标注验证方法
2
metadata def VerificationMethod {
3
    attribute method : MethodKind; // Test | Analysis | Inspection | Demonstration
4
}
5

6
@VerificationMethod { method = MethodKind::Analysis; }
7
verification def VerifyThermalLimit { /* ... */ }

以下示例展示了一个完整的 V&V 模型——从利益相关者需求出发，经过需求分解、验证用例设计、到测试执行和结果判定的完整链条。

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package UAVVerification {
2
    private import ISQ::*; private import SI::*;
3

4
    // ── 需求定义 ────────────────────────────────────────
5
    requirement def FlightEndurance {
6
        doc /* 无人机续航时间不低于 45 分钟 */
7
        subject uav : UAV;
8
        require constraint {
9
            uav.flightTime >= 45 [min]
10
        }
11
    }
12

13
    requirement def PayloadCapacity {
14
        doc /* 无人机有效载荷不低于 2 kg */
15
        subject uav : UAV;
16
        require constraint {
17
            uav.maxPayload >= 2 [kg]
18
        }
19
    }
20

21
    requirement def WindResistance {
22
        doc /* 无人机可在 6 级风力下稳定飞行 */
23
        subject uav : UAV;
24
        require constraint {
25
            uav.maxWindTolerance >= 39 [km/h]
26
        }
27
    }
28

29
    // ── 分析用例 ────────────────────────────────────────
30
    analysis def EnduranceAnalysis {
31
        subject uav : UAV;
32
        in attribute batteryCapacity : ISQ::EnergyValue;
33
        in attribute avgPowerDraw    : ISQ::PowerValue;
34
        return attribute estFlightTime : ISQ::TimeValue;
35
        // estFlightTime = batteryCapacity / avgPowerDraw
36
    }
37

38
    // ── 验证用例：续航验证（分析方法） ─────────────────
39
    @VerificationMethod { method = MethodKind::Analysis; }
40
    verification def VerifyEndurance {
41
        subject uav : UAV;
42
        objective {
43
            verify requirement FlightEndurance;
44
        }
45

46
        action analyze : EnduranceAnalysis {
47
            in attribute batteryCapacity = 500 [Wh];
48
            in attribute avgPowerDraw    = 350 [W];
49
        }
50

51
        assert constraint {
52
            analyze.estFlightTime >= 45 [min]
53
        }
54
    }
55

56
    // ── 验证用例：载荷验证（测试方法） ─────────────────
57
    @VerificationMethod { method = MethodKind::Test; }
58
    verification def VerifyPayload {
59
        subject uav : UAV;
60
        objective {
61
            verify requirement PayloadCapacity;
62
        }
63

64
        action loadPayload : AttachPayload {
65
            in attribute mass = 2 [kg]; // 加载 2 kg 载荷
66
        }
67
        action hover : StableHover {
68
            in attribute duration = 5 [min]; // 悬停 5 分钟
69
        }
70
        action checkStability : MeasureFlightStability {
71
            out attribute stable : Boolean;
72
        }
73

74
        first loadPayload then hover then checkStability;
75

76
        assert constraint {
77
            checkStability.stable == true
78
        }
79
    }
80

81
    // ── 验证用例：抗风验证（演示方法） ─────────────────
82
    @VerificationMethod { method = MethodKind::Demonstration; }
83
    verification def VerifyWindResistance {
84
        subject uav : UAV;
85
        objective {
86
            verify requirement WindResistance;
87
        }
88

89
        action flyInWind : WindTunnelFlight {
90
            in attribute windSpeed = 39 [km/h];
91
            out attribute posError : ISQ::LengthValue;
92
        }
93

94
        assert constraint {
95
            flyInWind.posError <= 1.0 [m] // 位置偏差不超过 1 米
96
        }
97
    }
98

99
    // ── 顶层验证计划 ────────────────────────────────────
100
    verification def UAVVerificationPlan {
101
        doc /* 无人机系统级验证计划 */
102
        subject uav : UAV;
103

104
        objective {
105
            verify requirement FlightEndurance;
106
            verify requirement PayloadCapacity;
107
            verify requirement WindResistance;
108
        }
109

110
        // 子验证用例：可并行执行
111
        verification endurance : VerifyEndurance;
112
        verification payload   : VerifyPayload;
113
        verification wind      : VerifyWindResistance;
114
    }
115
}

此模型展示了：requirement def（需求定义与约束）、analysis def（分析用例计算续航）、verification def（分层验证用例结构）、verify（需求到验证的可追溯关系）、assert constraint（通过/失败判定）、元数据标注（验证方法分类），以及顶层验证计划（将多个子验证用例组合为系统级计划）。