一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法。该方法包括六个步骤：捕获集群系统的用户需求；根据用户需求分析集群系统的功能需求、性能需求和弹性需求；构建集群系统顶层架构模型；根据集群系统顶层架构模型的仿真模型对集群系统进行仿真实现；向集群系统仿真模型注入破坏，监控并采集集群系统性能参数；根据系统性能参数计算弹性，评估并优化集群系统弹性设计。通过本发明专利技术实现集群系统架构的弹性设计，并通过弹性指标评估集群系统弹性需求的满足程度，进而优化迭代设计，为传感器集群系统、无人机集群系统等集群系统架构进行规范的系统化的弹性设计提供解决思路。决思路。决思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法


[0001]本专利技术涉及集群系统弹性领域，具体而言，涉及一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法。

技术介绍

[0002]近些年来随着复杂网络、人工智能等信息技术的不断发展和应用，使具备集群智能的集群系统在民用领域以及军事领域促进了人工智能领域重大变革，同时其面临的外界风险更为多样，扰动和破坏带来的安全性问题也更加突出。集群系统属于典型的复杂系统，是指由众多具有自主行为的智能体通过有限交互而涌现出个体不具备的行为特征的群体。一方面，集群系统由于其内部复杂的通信拓扑结构和面临不确定的环境导致集群系统的弹性问题是重要难题；另一方面，系统设计的迭代速度越来越快，变化的周期越来越短，产品研制过程也变得越来越复杂且相关工作高度交叉，因此，需要在系统设计早期开展架构设计，以架构设计结果指导后续功能的设计，在顶层设计角度认知研制需求的动态变化、统筹系统设计和迭代全过程，使得设计能对需求变化随时做出更新。综上所述，本专利技术进一步探究集群系统架构的弹性设计和仿真验证方法，对传感器集群系统、无人机集群系统等集群系统架构进行规范的系统化的弹性设计尤为重要。
[0003]弹性是安全性、可靠性等概念面向扰动后恢复所引申出的综合性概念，随着现代系统的复杂化、外界环境的多样化，工程复杂系统的安全性以及弹性问题受到广泛的关注。弹性的概念最早来于Holling的生态弹性，定义为系统遭到破坏时，吸收并抵抗破坏影响进行恢复的能力，适应、健壮、恢复是弹性区分于其他概念的关键要素。弹性理论正在被应用于不同的领域，例如心理学、经济学和工程学。开展复杂系统弹性的建模分析研究，对于提高复杂系统在面对复杂多变的任务、未知和不确定的环境，以及极端条件或蓄意攻击时的生存和快速恢复能力具有深远的意义和影响，越来越成为复杂系统研究的重要环节。对于集群系统这样一个特别的复杂系统来说，其中存在着广泛的个体行为、各个体之间协同行为以及集体智能行为，这些行为赋予了集群系统自组织、自适应、自恢复的特性，但是这些行为由于集群系统中复杂的依赖、冲突、合作交互关系的存在，又使得集群系统在面对破坏性事件时变得极其脆弱。一旦发生扰动或破坏，集群系统很容易发生级联失效，使其生存能力大打折扣。一方面集群系统的自主智能特性在设计上要求更高的适应性，另一方面由于分布式集体协调行为或结构的存在，在执行任务遇到干扰时集群系统需要更好的健壮性和恢复性才能保证性能输出的稳定和持续，才能保障任务完成的要求。因此，集群系统对弹性的要求更高，弹性研究为集群系统智能化设计提供了另外一种视角，如何评估集群系统的弹性以及如何对集群系统开展弹性设计成为集群系统研究的一大重点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法，开展规范化的集群系统架构弹性设计，对于在正向设计早期就提高集群系统在面对复杂多
变的任务、未知和不确定的环境，以及极端条件或蓄意攻击时的生存和快速恢复能力具有深远的意义和影响。集群系统存在着广泛的个体行为、各个体之间协同行为以及集体智能行为，这些行为赋予了集群系统自组织、自适应、自恢复的特性，但是这些行为由于集群系统中复杂的依赖、冲突、合作交互关系的存在，又使得集群系统在面对破坏性事件时变得极其脆弱。一旦发生扰动或破坏，集群系统很容易发生级联失效，使其生存能力大打折扣。因此，集群系统架构需要进行弹性设计，以满足日益增长的集群系统弹性需求。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案包括以下六个步骤：
[0006]步骤S101：捕获集群系统的用户需求；
[0007]步骤S102：根据用户需求分析集群系统的功能需求、性能需求和弹性需求；
[0008]步骤S103：根据功能需求、性能需求和弹性需求构建集群系统顶层架构模型；
[0009]步骤S104：根据集群系统顶层架构模型的仿真模型对集群系统进行仿真实现；
[0010]步骤S105：向集群系统仿真模型注入破坏，监控并采集集群系统性能参数；
[0011]步骤S106：根据系统性能参数计算弹性，评估并优化集群系统弹性设计。
[0012]优选的，步骤S102包括如下步骤：
[0013]步骤S201：根据集群系统用户需求，建立集群系统功能需求模型；
[0014]步骤S202：根据集群系统用户需求，建立集群系统性能需求模型；
[0015]步骤S203：根据集群系统功能需求和性能需求模型，建立集群系统弹性需求模型，包括健壮性需求、适应性需求和恢复性需求；
[0016]步骤S204：根据需求模型建立集群系统的用例模型。
[0017]优选的，步骤S103所述集群系统顶层架构模型包括：功能结构模型、性能参数模型、冗余模型、重构模型、修复模型。
[0018]优选的，步骤S104所述仿真模型包括：网络结构模型、智能体状态模型、弹性行为模型。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020]本专利技术提供一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法，通过完整捕获集群系统用户需求，并分析用户需求得到弹性需求，基于弹性需求设计集群系统架构，实现集群系统架构的弹性设计，并通过弹性指标评估集群系统弹性需求的满足程度，进而优化迭代设计，为传感器集群系统、无人机集群系统等集群系统架构进行规范的系统化的弹性设计提供解决思路。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0022]图1为本专利技术流程图；
[0023]图2为本专利技术步骤S102流程图；
[0024]图3为本专利技术根据所述用户需求分析集群系统的功能需求、性能需求和弹性需求的示例SysML模型；
[0025]图4为本专利技术步骤S103的集群系统建模框架；
[0026]图5为本专利技术步骤S104的智能体状态模型。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]请参照图1，本专利技术所述方法可以包括：
[0029]步骤S101：捕获集群系统的用户需求。
[0030]步骤S102：根据所述用户需求分析集群系统的功能需求、性能需求和弹性需求。
[0031]步骤S103：根据所述集群系统的功能需求、性能需求和弹性需求构建集群系统顶层架构模型。
[0032]步骤S104：根据所述集群系统顶层架构模型对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法，其特征在于：包括以下六个步骤：步骤S101：捕获集群系统的用户需求；步骤S102：根据用户需求分析集群系统的功能需求、性能需求和弹性需求；步骤S103：根据功能需求、性能需求和弹性需求构建集群系统顶层架构模型；步骤S104：根据集群系统顶层架构模型的仿真模型对集群系统进行仿真实现；步骤S105：向集群系统仿真模型注入破坏，监控并采集集群系统性能参数；步骤S106：根据系统性能参数计算弹性，评估并优化集群系统弹性设计。2.根据权利要求1所述的一种基于MBSE的集群系统架构弹性设计和仿真验证方法，其特征在于：步骤S102包括如下步骤：步骤S201：根据集群系统用户需...

【专利技术属性】
技术研发人员：党宇恒，潘星，李大庆，陈云丰，李跃虹，邓宏旭，苏涵，朱德宝，
申请(专利权)人：北京航空航天大学云南创新研究院，
类型：发明
国别省市：