基于限定中文自然语言需求的SysML模型自动生成方法 -鲍阳, 杨志斌, 杨永强, 谢健, 周勇, 岳涛, 黄志球, 郭鹏.pdf
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计 算 机 研 究 与 发 展
DOI
:
１０．７５４４∕issn１０００Ｇ１２３９．２０２１．２０２００７５７
JournalofCom
p
uterResearchandDevelo
p
ment ５８
(
４
):
７０６ ７３０
,
２０２１
收稿日期
:
２０２０
－
０９
－
１６
;
修回日期
:
２０２０
－
１２
－
３０
基金项目
:
国家自然科学基金项目
(
６２０７２２３３
);
航空科学基金项目
(
２０１９１９０５２００２
);
中央高校基本科研业务费专项资金项目
(
NP２０１７２０５
)
Thisworkwassu
pp
ortedb
y
theNationalNaturalScienceFoundationofChina
(
６２０７２２３３
),
theAviationScienceFundofChina
(
２０１９１９０５２００２
),
andtheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversities
(
NP２０１７２０５
)
．
通信作者
:
杨志斌
(
y
an
g
zhibin１６８＠１６３．com
)
基于限定中文自然语言需求的
S
y
sML
模型自动生成方法
鲍
阳
１
,
２
杨 志 斌
１
,
２
杨 永 强
１
,
２
谢
健
１
,
２
周
勇
１
,
２
岳
涛
１
,
２
黄 志 球
１
,
２
郭
鹏
３
１
(
南京航空航天大学计算机科学与技术学院
南京
２１１１０６
)
２
(
高安全系统的软件开发与验证技术工信部重点实验室
(
南京航空航天大学
)
南京
２１１１０６
)
３
(
航空工业计算所
西安
７１００６５
)
(
bao
y
an
g
_
８６４＠１６３．com
)
AnAutomatedA
pp
roachtoGenerateS
y
sML Modelsfrom RestrictedNatural
Lan
g
ua
g
eRe
q
uirementsinChinese
BaoYan
g
１
,
２
,
Yan
g
Zhibin
１
,
２
,
Yan
g
Yon
gq
ian
g
１
,
２
,
XieJian
１
,
２
,
ZhouYon
g
１
,
２
,
YueTao
１
,
２
,
Huan
g
Zhi
q
iu
１
,
２
,
andGuoPen
g
３
１
(
Schoolo
f
Com
p
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gy
,
Nan
j
in
g
Universit
y
o
f
AeronauticsandAstronautics
,
Nan
j
in
g
２１１１０６
)
２
(
Ke
y
Laborator
y
o
f
Sa
f
et
y
ＧcriticalSo
f
tware
,
Ministr
y
o
f
Industr
y
andIn
f
ormationTechnolo
gy
(
Nan
j
in
g
Universit
y
o
f
AeronauticsandAstronautics
),
Nan
j
in
g
２１１１０６
)
３
(
AviationCom
p
utin
g
Technolo
gy
ResearchInstitute
,
Xian
７１００６５
)
Abstract ModelＧdriven develo
p
ment has been
g
raduall
y
ado
p
ted as anim
p
ortant a
pp
roach of
desi
g
nin
g
anddevelo
p
in
g
safet
y
Ｇcriticalc
y
berＧ
p
h
y
sicals
y
stems
(
SCＧCPSs
)
．There
q
uirementofSCＧ
CPSsisoftendescribedinnaturallan
g
ua
g
e．Howtolinknaturallan
g
ua
g
ere
q
uirementsandthemodelＧ
drivendesi
g
nanddevelo
p
ment
p
rocessofSCＧCPSsautomaticall
y
orsemiＧautomaticall
y
isa main
existin
g
challen
g
e．Inthis
p
a
p
er
,
a method named RNL２S
y
sML is
p
ro
p
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g
enerationofS
y
sML modelsfrom restrictednaturallan
g
ua
g
ere
q
uirementsin Chinese．Firstl
y
,
in
viewofthe
p
roblem that
g
lossariesneedtobe manuall
y
extracted
,
a methodforextractin
g
and
recommendin
g
termsofSCＧCPSsbasedonartificialintelli
g
enceis
p
ro
p
osed．Secondl
y
,
inorderto
reducetheambi
g
uit
y
ofnaturallan
g
ua
g
ere
q
uirements
,
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g
ua
g
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q
uirement
tem
p
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p
ro
p
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q
uirements
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,
themethodoftransformationfromnatural
lan
g
ua
g
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q
uirements
p
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y
sML modelis
g
iven．Finall
y
,
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p
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Pa
py
rus
,
the
p
lu
g
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p
ro
p
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p
a
p
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p
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,
andtheeffectivenessand
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racticalit
y
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p
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y
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y
caseoftheair
p
laneaircom
p
ressor
s
y
stemintheaviationfield．
Ke
y
words safet
y
Ｇcriticalc
y
berＧ
p
h
y
sicals
y
stem
;
modelＧdriven develo
p
ment
;
S
y
sML
;
g
lossar
y
recomＧmendation
;
restrictednaturallan
g
ua
g
ere
q
uirement
;
modeltransformation
摘
要
模型驱动开发方法逐渐成为安全关键信息物理融合系统
(
safet
y
Ｇcriticalc
y
berＧ
p
h
y
sicals
y
stem
,
SCＧCPS
)
设计与开发的重要手段
．
然而
,
安全 关 键信 息 物理融 合系统 需求 往 往是 通 过自 然 语言 描 述的
,
如何自动化或半自动化链接自然语言需求和基于模型驱动的系统设计与开发过程是目前面临的重要挑战
．
面向安全关键 信 息 物 理 融 合 系 统
,
提 出 基 于 限 定 中 文 自 然 语 言 需 求 的
S
y
sML
模 型 自 动 生 成 方 法
RNL２S
y
sML．
首先
,
为了降低自然语言需求表达的二义性
,
提出一种结构化的限定自然语言需求模板进
行需求规约
,
并通过基于人工智能 的
(
AI
)
安全 关 键信 息 物理融 合系统 术语提 取 和推 荐 方法
,
对 系 统 需
求中的领域术语和数据字典加以自动提取
,
提高 限 定自 然 语言需 求规约 工作的 自动化 程度
．
然后
,
给出
限定自然语言需求规约到
S
y
sML
系统设计模型的转换方法
．
最后
,
基于开源工具
Pa
py
rus
对所提方法
进行了原型工具实现
,
并通过航空领域的飞机空气增压系统
(
air
p
laneaircom
p
ressors
y
stem
)
案例验证
了方法的有效性和实用性
．
关键词
安全关键信息物理融合系统
;
模型驱动开发方法
;
系统建模语言
;
术语推荐
;
限定自然语言需求
;
模
型转换
中图法 分类号
TP３１１
安全关键信息物理融合系统
[
１Ｇ３
]
(
safet
y
Ｇcritical
c
y
berＧ
p
h
y
sicals
y
stem
,
SCＧCPS
)
是 指 广 泛 应 用 于
航空
、
航天
、
交通
、
能源等领域
,
且失效时会产生严重
系统风险
,
从而导致财产损失
、
环境破坏或者人员伤
害的一类
CPS
系统
．
安全关 键信息 物理融 合系 统 不
仅集成了计算
、
网络和物理环境
,
还同时具有高可靠
性
、
高安全性
、
强实时性等特点
．
随着功能
、
非功能需
求的不断增加
,
系统规模和复杂性不断提高
,
这类系
统出现故障的可能性及其造成的危害也日益突出
．
近年来
,
模型驱动开发
(
modelＧdrivendevelo
p
ment
,
MDD
)
越来越 受 到 重 视
,
并 被 工 业 界 认 为 是 保 障 系
统安全性与可 靠 性 切 实 可 行 的 重 要 手 段
．
模 型 驱 动
开发方法
[
４
]
将模 型作 为 系统 工 程生 命 周期 的 中心
,
在设计阶段建立系 统 的抽 象 模型
,
尽早 对 系统 进 行
分析和验证
,
并且支 持不 同 层级 模 型之 间 信息 的 传
递和映射
．
安全关键 系 统 领 域 常 用 的 建 模 语 言 有
UML
,
S
y
sML
,
AADL
等
．
统一 建 模语 言
(
unifiedmodelin
g
lan
g
ua
g
e
,
UML
)
[
５
]
是一种针对软件工程领域的标准
化建模语言
,
侧重于软件的体系结构建模
,
但是
UML
还不足以表达系统工程领域中的所有概念
．
体系结构
分析 和 设 计 语 言
(
architectureanal
y
sis & desi
g
n
lan
g
ua
g
e
,
AADL
)
[
６
]
是一种面向安全关键嵌入式系
统的建模语 言
,
侧 重 于 软 硬 件 混 合建 模
[
７Ｇ８
]
．
系 统 建
模语言
(
s
y
stemsmodelin
g
lan
g
ua
g
e
,
S
y
sML
)
[
９
]
是
一种针 对 系 统 工 程 领 域 的 图 形 化 建 模 语 言
,
是 对
UML２．０
子集的扩展
,
侧重于 复杂系 统的整 体架构
．
相比
UML
,
AADL
等语言
,
S
y
sML
可以整合大型复
杂系统的各 种视图
,
包括硬 件
、
软件
、
数据
、
过程
、
需
求
,
甚至包括人力和其他资源
,
适用于进行需求捕获
、
分析和初步系统设计
,
目前 在 工业 界 得到 了 广 泛 应
用
．
因此
,
本文选择
S
y
sML
作为系统架构建模语言
．
模型驱动开发方法的生命周期通常始于系统的
分析或设计阶 段
,
较 少 涉 及 需 求 阶 段
．
但 是
,
安 全 关
键信息物理融合系统中导致严重事故问题链的最上
端原因往往是系统需求问题
[
１０
]
,
而这类系 统的需 求
常常又是通过自然语言描述的
．
因此
,
如何有效链接
自然语言需求和模 型 驱动 开 发方 法
,
即实 现 自然 语
言需求到系统设计模型的自动或半自动转换是模型
驱动开发方法在安全关键信息物理融合系统设计与
开发过程中面临的一个主要挑战
[
１１Ｇ１３
]
．
已有的需求表达到系统设计模型的转换主要包
括基于自然语言处理
(
naturallan
g
ua
g
e
p
rocessin
g
,
NLP
)、
基于限定自然语言
(
restrictednaturallan
g
ua
g
e
,
RNL
)
模板
[
１１
,
１４
]
等方 法
．
在自 然 语言 处 理方 法 方面
,
Ba
j
wa
等人
[
１５
]
基 于 自 然 语 言 处 理 方 法 提 出 从 自 然
语言需求到
UML
类图中的
OCL
(
ob
j
ectconstraint
lan
g
ua
g
e
)
文本说明的转换
．
而
Letsholo
等人
[
１６
]
提出
的
TRAM
(
toolfortranformin
g
textualre
q
uirements
intoanal
y
sismodels
)
方法
,
主要考虑自然语言需求到
UML
类图的转换
．
在限 定 自然 语 言 模 板 方 法 方 面
,
岳 涛 等 人
[
１７
]
提 出 的 限 定 用 例 建 模 方 法
(
restricted
usecasemodelin
g
,
RUCM
)
方法是通过对
UML
用
例图的文本说明进 行 自然 语 言限 定
,
以此 降 低自 然
语言带来 的 二 义 性 与 模 糊 性
,
基 于
RUCM
给 出 的
aToucan
工具
[
１８
]
支持
RUCM
到
UML
活 动 图
、
顺 序
图等的自动化生成
;
RollsRo
y
ce
公司提出的
EARS
[
１９
]
(
eas
y
a
pp
roachtore
q
uirementss
y
ntax
)
方法
,
通过
一些简单的需求结构来捕获和表达用户需求
,
从而降
低自然语言需求的二义性
．
王政等人提出的
SPARDL
语言
[
２０
]
,
通过数 据 字 典
、
模 块 和 模 式 图 对航 天软 件
需求进行 捕 获
．
正 在 制 定 中 的
S
y
sML V２．０
标 准
[
２１
]
也将通过预定义关键字和句式对需求图的自然语言
描述作出限定
,
从而减少
S
y
sML
建模过程中由自然
７０７
鲍
阳等
:
基于限定中文自然语言需求的
S
y
sML
模型自动生成方法
of 25
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