Тема 13

Системна інженерія на основі моделей для кіберфізичних систем

 

Методології моделювання для кіберфізичних систем (CPS)

Кіберфізичні системи (CPS) є складними структурами, що інтегрують фізичні процеси з обчислювальними ресурсами та мережею. Моделювання CPS є важливим кроком у їхньому проектуванні, розробці та верифікації, оскільки дозволяє інженерам вивчити поведінку системи до її фізичного впровадження. Моделювання надає можливість оцінити вплив різних сценаріїв, провести симуляції віртуальних прототипів і визначити оптимальні конфігурації для досягнення поставлених цілей.

Однією з ключових методологій моделювання для CPS (рис. 24) є використання моделей, які описують як фізичні, так і цифрові аспекти системи. Цей підхід включає моделювання фізичних компонентів (наприклад, механічних, електричних, гідравлічних систем) і їх взаємодію з обчислювальними елементами (наприклад, програмними алгоритмами управління, сенсорами, мережею). Такий підхід дозволяє інженерам отримати повне уявлення про те, як працюватиме система в реальному світі, включаючи її динаміку, продуктивність, надійність і стійкість до збоїв.

 

Рисунок 24 – Методологія моделювання кіберфізичних систем (CPS)

 

Важливою складовою моделювання CPS є мультидисциплінарний підхід, що охоплює різні області знань, такі як інформатика, механіка, електроніка, та інженерія управління. Це дозволяє створювати моделі, які враховують взаємодію різних фізичних і цифрових процесів, забезпечуючи точність і надійність результатів моделювання.

Профіль MARTE щодо основ UML

Профіль MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded systems) є розширенням стандарту UML (Unified Modeling Language), призначеним для моделювання реальних і вбудованих систем. UML є універсальною мовою моделювання, яка широко використовується для опису архітектури програмних систем, але її основних засобів може бути недостатньо для моделювання реальних систем, таких як CPS (рис. 25).

 

Рисунок 25 – Профіль MARTE у відношенні до основ UML

MARTE розширює можливості UML, додаючи елементи, які дозволяють моделювати часові та ресурсні обмеження, що є критично важливими для реальних систем. Профіль MARTE включає в себе засоби для опису реального часу, управління ресурсами, розподіленої обробки та інші аспекти, характерні для вбудованих систем. Це дозволяє створювати більш точні моделі, які враховують специфіку CPS, де обмеження в часі та ресурсах можуть мати вирішальне значення для функціонування системи.

Одним з основних елементів MARTE є його здатність описувати різні часові аспекти системи, такі як періодичні завдання, часові затримки, дедлайни та інші часові обмеження. Це дозволяє моделювати поведінку системи в реальному часі, прогнозувати її реакцію на різні події і оцінювати її продуктивність під час виконання завдань з жорсткими часовими обмеженнями.

Моделювання CPS за допомогою SysML та MARTE

SysML (Systems Modeling Language) – це мова моделювання, розроблена спеціально для системної інженерії. Вона базується на UML, але розширена для підтримки повного циклу розробки систем, включаючи як апаратні, так і програмні компоненти. SysML надає інженерам засоби для моделювання систем з урахуванням їхніх функціональних, структурних, поведінкових та вимогливих аспектів.

При моделюванні CPS за допомогою SysML інженери можуть створювати моделі, які описують всі аспекти системи, включаючи її фізичні компоненти (механічні, електричні, гідравлічні системи), програмні алгоритми, мережеву архітектуру та інші важливі аспекти. Це дозволяє забезпечити цілісний підхід до проектування системи, де всі компоненти інтегруються в єдину модель (рис. 26).

 

Рисунок 26 – Моделювання CPS за допомогою SysML і MARTE

 

MARTE може бути використаний разом із SysML для додавання до моделей CPS аспектів реального часу та управління ресурсами. Це дозволяє моделювати не лише функціональні характеристики системи, але й її поведінку в умовах обмежених ресурсів та часу. Наприклад, можна моделювати, як система реагуватиме на перевантаження або втрату ресурсу, як буде змінюватися продуктивність у різних умовах, і як можна оптимізувати використання ресурсів для досягнення найкращих результатів.

Комбінація SysML і MARTE дозволяє створювати точні та надійні моделі CPS, які враховують всі аспекти системи – від фізичних характеристик до складних алгоритмів управління в реальному часі. Це забезпечує можливість прогнозувати поведінку системи ще на етапі проектування, знижуючи ризики збоїв і підвищуючи надійність кінцевого продукту.