今天我們所需應(yīng)對(duì)的復(fù)雜系統(tǒng)中最突出的特征是由物理、控制、通信、計(jì)算和網(wǎng) 絡(luò)等多個(gè)方面的交互和集成，未來(lái)多學(xué)科的系統(tǒng)都將是賽博物理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 CPS）。當(dāng) 前，隨著各類賽博物理系統(tǒng)概念化構(gòu)思和規(guī)�；�運(yùn)行的不斷涌現(xiàn)，而我們面對(duì)工程的 雄心和自信心將受到質(zhì)疑，因?yàn)閮H是憑借那些分散在單個(gè)學(xué)科的專家和知識(shí)以及樸實(shí) 的工程實(shí)踐能力，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法支持尋求和維系具有錯(cuò)綜復(fù)雜交互組件構(gòu)成的宏大的解 決方案。面對(duì)未來(lái)復(fù)雜的工程化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)工程的進(jìn)步方向不僅突出對(duì)技 術(shù)約束的考慮，而且更將會(huì)涉及消除如物理及數(shù)據(jù)交互帶來(lái)的影響。

在基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的整體理論以及系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)和工 具的支持下，我們亟待依賴建立單一的、形式化的系統(tǒng)建模語(yǔ)言，通過(guò)恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展來(lái) 表示系統(tǒng)中組件之間物理交互與信號(hào)流之間的相互作用，并解決兩類迥然不同的問(wèn) 題：1）系統(tǒng)組件之間交換攜帶著能量物質(zhì)的物理交互，組件的行為由與流率、勢(shì)能 和組件變量相關(guān)的方程所決定，而在仿真中物理交互更適于表示具有實(shí)體物質(zhì)交換組 件的系統(tǒng)；2）系統(tǒng)組件按照預(yù)定方向交換數(shù)值和布爾值的信號(hào)流，其組件行為是由 相關(guān)的輸入、輸出和組件變量的方程來(lái)指定的，而信號(hào)流更適于描述控制和信號(hào)處理 系統(tǒng)。

對(duì)象管理組織（OMG）的 SysPhS 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用 SysML 的擴(kuò)展支持物理交互和信號(hào)流 的仿真，其優(yōu)點(diǎn)在于定義了 SysML 模型和 Modelica 或 MATLAB Simulink / Simscape 模 型之間轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，并提供了一種用于定義和共享仿真的、基于模型的簡(jiǎn)潔方法，從 而支持系統(tǒng)工程師和其他的專業(yè)工程師之間開(kāi)展跨學(xué)科的溝通。通過(guò)針對(duì) SysML 增加 附加仿真信息的特點(diǎn)，SysPhS 的構(gòu)造型（stereotype）特別強(qiáng)調(diào)在模型中而不是在具體 仿真軟件配置中來(lái)定義模型的特性，從而擴(kuò)展出了獨(dú)立于仿真平臺(tái)的物理交互仿真模 型以及信號(hào)流仿真模型，并提供了人可理解的數(shù)學(xué)表達(dá)式的文本句法，同時(shí)可在系統(tǒng) 模型中創(chuàng)建可重用的仿真元素的 SysML 庫(kù)。

本書內(nèi)容源自 OMG 的《支持物理交互和信號(hào)流仿真的 SysML 擴(kuò)展》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

（版本 1.1）的內(nèi)容，重點(diǎn)在于突出其技術(shù)部分，介紹由 SysML 擴(kuò)展來(lái)定義支持物理交 互和信號(hào)流仿真的公共特征的基本方式，這部分特征在 SysML 中原本并不存在；描述 一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的、分別用以表示不透明表達(dá)式和不透明行為的方程式和算法語(yǔ)句的 語(yǔ)言；講解模型轉(zhuǎn)換到仿真平臺(tái)之前執(zhí)行的 SysML 預(yù)先處理過(guò)程；說(shuō)明經(jīng)過(guò)上述擴(kuò)展 的 SysML 模型如何與多種仿真平臺(tái)（Modelica 和 Simulink，包括 Simulation 擴(kuò)展，如 Simscape）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；針對(duì)組件交互和行為定義，指導(dǎo)我們來(lái)定義一個(gè)與平臺(tái) 無(wú)關(guān)、支持重用的仿真組件庫(kù)。

本書的目的在于呈現(xiàn)支持賽博物理系統(tǒng)的交互仿真的 SysML 擴(kuò)展的基本原理和技術(shù)路徑，讀者將從本書中理解并掌握與物理交互和數(shù)據(jù)流仿的模型設(shè)計(jì)和仿真運(yùn)用的 關(guān)鍵問(wèn)題以及解決思路，并可從與相關(guān)軟件工具的應(yīng)用介紹中得到有關(guān)模型開(kāi)發(fā)、模 型庫(kù)建立的有益指南。在 MBSE 應(yīng)用中，工程實(shí)踐人員將學(xué)習(xí)借助統(tǒng)一的系統(tǒng)建模語(yǔ) 言解決跨學(xué)科交互仿真的建模技術(shù)。同時(shí)，該書還可作為系統(tǒng)工程、賽博物理系統(tǒng)、 自主系統(tǒng)等方向研究生的教材，使其有機(jī)會(huì)可系統(tǒng)地學(xué)習(xí)關(guān)于物理交互和數(shù)據(jù)流仿真 的最新理論，并通過(guò)具體步驟、案例講解等的指導(dǎo)，領(lǐng)悟 MBSE 應(yīng)用中的倡導(dǎo)的協(xié)同 建模、協(xié)同仿真等相關(guān)新型技術(shù)的基本方法和實(shí)現(xiàn)方式。

作者 2023 年 12 月