空间科学探测任务仿真概念模型研究

论文摘要

近二十年来,人们对系统工程的研究重心呈现出一种与开发过程截然相反的发展趋势。这在软件工程领域尤为明显,即从早期关注测试阶段开始,渐渐的转向了代码的生成,随后重心又偏向了程序的管理和设计方法,而到了近十年,大量的研究又集中在了开发早期的概要设计和需求分析阶段。这样一种从后向前的逆向研究趋势是因为人们在实践中发现:1)描述具体而实在的问题很容易,而表达更抽象的问题却很难。“我们对一个方案的编码丝毫不感到有困难,真正的麻烦在于去如何描述问题。”2)确定“要做什么”比“怎么做”重要,许多的实际开发经验证明,开发后期发现的系统中的重大错误往往来自于不正确的需求分析或对问题的不准确理解。因此,它体现出这样一个结论:即决定系统开发成败的重要因素往往是开发早期阶段的分析与设计。这对软件工程是如此,对系统工程是如此,对于系统工程的一种、与软件工程有紧密联系的仿真建模工程也是如此。而在仿真建模工程中,承担早期分析与设计这一角色的就是仿真概念模型SCM(Simulation Conceptual Model)。简单的说仿真概念模型是为了满足仿真应用目标而对真实世界进行的首次抽象,它为领域专家、开发人员和验证人员提供了与真实世界一致的、规范的描述,为后期的设计提供支持与指导。对它的建模方法和开发过程的研究也自然成为当今仿真建模领域的热点。将仿真概念模型引入到具体的仿真工程中,起到准确描述问题、把握需求、引导设计开发、便于验证的重要作用,是所有SCM仿真学者的目的,也是本文研究的最终目标。尤其是对于本论文关注的问题域—空间探测任务的仿真来说,要实现仿真概念模型应用,就必须有一套针对空间探测任务特点的、科学简明的建模方法和开发过程。然而,国际上关于仿真概念模型的研究现状是至今还没有统一的、被大家所公认的定义和方法,大家在理论和较抽象层面上还存在分歧,更不用说具体的模型描述方法和开发步骤了。因此论文在总结前人的观点和工作的基础之上,率先提出了针对空间探测任务的详细的仿真概念模型模板SESCML以及其开发过程SECDP,具体的:首先总结了仿真概念模型的一般含义和作用,为后续的研究确定了理论基础。随后分析了空间探测任务的任务类型、运行环境、仿真需求等特征,归纳了国际上几种典型的关于仿真概念模型内容的观点,详细研究了仿真概念模型在仿真系统开发中的位置。并在空间探测任务特征和SCM开发位置的指导下,以总结的内容为基础,确定了针对空间探测任务的仿真概念模型(SESCM)的内容结构。在SESCM内容结构的基础上,论文进一步研究了SESCM的建模方法,通过分析被广泛使用的结构化方法和面向对象方法的特点,确定了以面向对象为基础、结构化方法为过程的仿真概念模型的建模思想。以此为指导,结合仿真建模的一般原则,提出并建立了针对SESCM的建模语言与模板SESCML。SESCML包括系统层、模型层、设计层三个层次,实体模型、功能模型、过程模型、环境模型四类模型,仿真目标列表、仿真背景描述、实体结构图、任务流程图等15种图表模板。文中对各个层次、模型、图表目标的含义、作用、表达方式和相互关系做了详细的研究与论述。为了支持基于SESCML模板的仿真概念模型的开发,论文提出了SESCM的开发过程模型SECDP。SECDP建立在一般建模理论的基础上,贯穿了从知识获取到知识建模的整个生命周期,系统、全面地总结和归纳了SESCM开发过程中的关键活动,并把这些活动划分为五个步骤。重点针对其中的模型验证,研究了它的基本含义与原则,并且提出了SESCM验证的初步的评估的手段和一般的验证步骤。最后,以中俄火星探测任务为研究对象,以SECDP为指导,SESCML模板为标准,依次进行了仿真目标分析、问题域特征分析、建立模型、建立联邦关系等开发活动,最终比较系统和规范的建立了火星探测任务的SESCM。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 仿真概念模型（SCM）的含义
• 1.2.2 仿真概念模型的作用
• 1.2.3 仿真概念模型与任务空间概念模型（CMMS）的关系
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 国外现状
• 1.3.2 我国现状
• 1.4 研究内容与组织结构
• 1.4.1 面临的问题与思路
• 1.4.2 论文的主要内容
• 1.4.3 组织结构
• 1.4.4 论文主要创新
• 第2章 空间探测任务特征分析
• 2.1 任务类型
• 2.1.1 空间环境探测
• 2.1.2 深空行星探测
• 2.2 运行环境分析
• 2.3 仿真需求
• 第3章 SESCM的内容结构
• 3.1 概述
• 3.2 仿真概念模型的内容
• 3.2.1 关于概念模型构成的典型观点
• 3.2.2 仿真概念模型的内容
• 3.3 在仿真系统开发中的位置
• 3.4 SESCM层次结构
• 3.4.1 系统层面
• 3.4.2 模型层面
• 3.4.3 设计层面
• 3.5 公共的语法和语义
• 3.6 小结
• 第4章 SESCM的建模方法
• 4.1 概述
• 4.2 建模思想研究
• 4.2.1 结构化方法
• 4.2.2 面向对象方法
• 4.2.3 SCM建模方法的几点启示
• 4.3 建模原则研究
• 4.4 Space Exploration Simulation Conceptual Model Language
• 4.4.1 SESCML框架
• 4.4.2 SESCML模型产品
• 4.4.3 SESCML产品之间关系
• 4.4.4 SESCML模型产品描述
• 4.5 模型特性分析
• 4.5.1 重用性分析
• 4.5.2 构建性分析
• 4.6 小结
• 第5章 SESCM的开发过程
• 5.1 概述
• 5.2 建模过程理论
• 5.3 SESCM Development Process
• 5.3.1 SECDP基本流程
• 5.3.2 SECDP详细流程
• 5.3.3 开发原则
• 5.4 SESCM的验证
• 5.4.1 验证的含义和基本原则
• 5.4.2 SESCM的验证
• 5.5 小结
• 第6章 火星探测任务的SESCM实例
• 6.1 概述
• 6.2 中俄火星探测任务简介
• 6.3 目标分析
• 6.3.1 仿真目标
• 6.3.2 仿真背景
• 6.3.3 剧情想定
• 6.4 问题域分析
• 6.5 建立模型
• 6.5.1 建立实体和角色结构
• 6.5.2 建立任务结构和流程
• 6.5.3 建立组织结构
• 6.5.4 建立实体关系
• 6.5.5 建立参与者行为与实体功能
• 6.6 建立联邦关系
• 6.6.1 与FOM的关系
• 6.6.2 联邦成员
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 下一步展望
• 参考文献
• 博士期间发表的文章
• 博士期间所参加的科研工作
• 致谢