概念建模方法综述

概念建模方法综述

易星 ,杨树晨  

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摘要：本文回顾了国内外仿真建模领域主要的概念建模方法发展研究情况，对比了几种主流建模方法的优劣，分析了概念建模方法应当遵循的基本要求。

关键词：概念建模 概念模型 建模方法

一、前言

概念模型(Conceptual Model，以下简称CM)是为了某一应用目的，运用语言、符号和图形等形式，对真实世界系统信息进行的抽象和简化。概念建模就是构建概念模型的过程，是仿真开发过程的有机组成部分。概念建模可以被定义为形式化地描述客观世界的某些活动，其目的是提供领域的理解和交流。

二、研究发展现状

（一）国外研究现状

CM起源于20世纪70年代信息系统工程领域，90年代进入快速发展阶段，一些专家学者也针对现阶段仿真建模领域中所遇到的一些问题，对概念模型的作用、含义、建模和评估验证方法进入了非常深入的研究，并且在此基础上提出了多种不同的CM建模方法。1994年，各种面向对象技术得到了发展，关注于面向对象设计和关注于面向对象分析合并，统一了建模方法，实现了统一建模语言UML。通过OMG的努力支持，UML同时被用于软件建模和问题的领域建模，并迅速被采纳为事实上的标准。

美国国防部在1995年10月公布了其建模与仿真主计划，1996年再次颁布了一份关于CM的VV&A建议指导规范报告，将仿真概念模型描述成“一种详细的设计框架”，通过此框架，可以建立满足必要需求的仿真应用系统，该框架中包含了仿真所必需的假设限制、逻辑关系以及使用算法等。任务空间概念模型（CMMS）从1995年8月开始，1997年11月完成，与仿真执行相对独立的，是对特定任务相关的真实世界的过程、实体和环境的描述。其在JSIM、WARSIM和JWARS等典型作战仿真系统中均得到了广泛应用。2001年以后，CMMS改名为使命空间功能描述（FDMS），在技术上更注重模型的重用性并减少了其作为面向领域的概念模型与面向设计的概念模型的混淆。

基于在体系结构框架方面的研究，美国于上世纪九十年代相继颁布了多个版本的C4ISR体系结构框架，后来逐渐演化发展为DoDAF。2009年，美国国防部发布了《DoDAF体系结构框架2.0》，该版本是对其1.5版的扩展，进行了以产品为中心向以数据为中心的转变，其核心内容扩展为8个视图52个产品，是指导美国国防部开发体系结构的指南，有利于快速确定作战需求的同时，也成为了概念建模开发的主流方法之一。

（二）国内研究现状

近年来国内一些相关单位和科研机构如国防科学技术大学、哈尔滨工业大学、中科院、中航集团等都对CM的建模方法做了比较多的研究，实现了一些具体的CM建模工具。孙王虎等针对当前概念模型开发中存在的建模元语缺失，描述不规范的问题，提出了关于系统六元的概念模型的格式化描述的建模方法，按照系统相似性的原理对作战系统的内涵、要素、结构、状态、运行、功能六个方面进行抽象，通过图、表等形式，构建出完备的、规范的概念模型。鞠儒生等提出了一种包含面向过程任务空间概念建模与面向对象仿真空间建模两个阶段的概念模型建模方法，以方便领域人员与仿真人员从不同视角对现实系统进行抽象描述。付志晔等依据系统流程从用例图、类图和活动图等方面对其进行了概念建模，并结合Petri网支持评估验证的特点，实现了从UML模型到Petri网模型的映射与转换，并从可达性、合理性、自由选择等多个方面对建模的过程进行了分析与验证。杜国红等基于MBSE方法，提出了涵盖总体描述、作战环境、作战对手、作战任务、作战能力需求、作战力量体系、作战活动、作战行动构想等视图模型的作战概念建模框架，分析了各视图模型之间的逻辑关系和详细构成，并对作战概念建模框架开发策略进行了具体设计。刘志琦等改进了基于对象过程方法论的军事概念模型，增加了信息、能量和状态，以及它们与作战活动之间的关系，体现了现代战争中物理力量和信息力量的整合运用。

三、研究现状评述

CM是对现实世界的第一次简化和抽象，是建模人员在领域专家的协助下对现实系统的认识，其核心内容是对现实过程和现象的描述。国内外现有的CM方法对应的建模工具大都只从大的方面提供指导，没有在更细的层面对模型描述的详细成分提出具体要求，导致CM描述可能出现不规范、元素缺损等问题，使得开发人员难以根据其进行准确的模型开发。

目前存在多种不同的CM建模方法，如自然语言、专用方法、基于XML语言、基于UML、基于IDEF、基于Petri网和基于DoDAF等建模方法。下面针对上述提及的、除专用建模方法之外的各种建模方法作一个简单的比较，如表1所示。

表1主要概念建模方法比较

CM方法应当遵照以下要求：一是正确合理。对现实系统的假定必须合理、有根有据，不能随意提出，没有偏向和歪曲。二是规范一致。在CM过程中，实体、实体行为、实体属性等仿真元素的含义和表达形式，应该遵守规范标准的语义和语法。三是类比相似。CM与作战系统要能同构或同态，在组成结构、行为功能等方面具有类比性或相似性。四是内容完整。CM描述的是现实系统特性和行为的子集，用户要求描述的都应包含在CM里，没有遗漏。五是独立实现。CM不描述在什么平台、用什么语言实现仿真，是否采用面向对象程序设计等问题。六是容易验证。CM的每一项内容都可以追踪到现实系统的“对应物”，领域专家可以根据领域知识对其进行审查验证。

除了建模语言、描述方法、开发过程和验证方法之外，CM辅助工具的开发和应用是重要的一环，因为CM包含的信息太多，无论采用何种方式，人工处理效率都将非常低下，必须开发友好的工具来辅助CM的开发、验证和管理，真正实现CM的快速开发、有效管理、自动化检验和组件重用。

参考文献

[1] 孙王虎，柏彦奇，张学民. 军事概念模型的格式化描述方法研究[J]. 计算机仿真, 2013, 30(9): 18-21,40.

[2]鞠儒生，许霄，王松等. 一种新的军事概念建模方法[J]. 系统工程与电子技术, 2017, 39(8): 1751-1756.

[3]付志晔，瞿连政，陈聪. 基于UML和Petri网的防空反导系统建模[J]. 指挥控制与仿真, 2019, 41(2): 46-52.

[4]杜国红，陆树林，郑启. 基于MBSE的作战概念建模框架研究[J]. 指挥控制与仿真, 2020, 42(3): 14-20.

[5] 刘志琦，曹江，叶雄兵. 一种基于对象过程方法论的军事概念模型改进[J]. 军事运筹与系统工程, 2021, 35(2): 41-47.