GB∕T 43270-2023 復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計集成建模語言X語言架構(gòu)（正式版）

復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計集成建模語言X語言架構(gòu)2023-11-27發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I前言 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14縮略語 45X語言體系結(jié)構(gòu) 46語法結(jié)構(gòu) 7 76.1.1概述 76.1.2連續(xù)類 76.1.3離散類 86.1.4耦合類 96.1.5智能體類 6.1.6記錄類 6.1.7函數(shù)類 6.1.8連接器類 6.2圖形建模 6.2.1概述 6.2.2定義圖 6.2.3連接圖 6.2.4方程圖 6.2.5狀態(tài)機圖 6.2.6活動圖 6.2.7需求圖 6.2.8用例圖 ⅢGB/T43270—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC159)歸口。本文件起草單位：北京航空航天大學(xué)、華如科技股份有限公司、北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司、吉林大學(xué)、北京信息科技大學(xué)、北京仿真中心、清華大學(xué)、北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所、中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心。施國強、任磊、閆飛、林廷宇、張柯、李君、王霄漢、王昆玉、陳真、張和明、鐵鳴、羅永亮、李偉、劉敬、竇克勤。1復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計集成建模語言X語言架構(gòu)1范圍本文件規(guī)定了復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計集成建模語言X語言的體系結(jié)構(gòu)、語法結(jié)構(gòu)以及相關(guān)語法描述等方面的具體要求。本文件適用于復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計領(lǐng)域的模型構(gòu)建，適用于面向MBSE的全系統(tǒng)、全流程、多視角的一體化建模和仿真。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件?；A(chǔ)類basicclassX語言的一種基類，支持泛化成特定的類以描述不同類型的模型。從基礎(chǔ)類中繼承某一部分功能的類的統(tǒng)稱。連續(xù)類continuousclassX語言中的一種受限類，用于描述復(fù)雜產(chǎn)品中基于方程定義的連續(xù)模型或連續(xù)行為。X語言中的一種受限類，用于描述復(fù)雜產(chǎn)品中基于狀態(tài)描述的離散模型或離散行為。耦合類coupleclassX語言中的一種受限類，用于描述復(fù)雜產(chǎn)品中多領(lǐng)域、多特征、多層級系統(tǒng)模型間的耦合關(guān)系。X語言中的一種受限類，用于描述復(fù)雜產(chǎn)品中具有交互和學(xué)習(xí)行為的智能體模型。X語言中的一種受限類，用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中各模型中涉及的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2函數(shù)類functionclassX語言中的一種受限類，用于描述復(fù)雜產(chǎn)品各模型中涉及的功能行為模塊。X語言中的一種受限類，用于描述復(fù)雜產(chǎn)品中連續(xù)、離散、智能體等模型的內(nèi)外數(shù)據(jù)接口及發(fā)送接受的數(shù)據(jù)類型。定義圖definitiondiagram用于顯示不同類型模型元素和關(guān)系以說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息的圖。用于描述連續(xù)類模型行為的圖。連接圖connectiondiagram用于顯示單個模塊內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的圖。狀態(tài)機圖statemachinediagram描述原子模型的一種動態(tài)行為圖，主要關(guān)注的是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如何依據(jù)隨時間發(fā)生的事件改變狀態(tài)。需求圖requirementdiagram描述利益相關(guān)者對設(shè)計制品的系統(tǒng)需求的圖，主要關(guān)注需求之間以及需求和設(shè)計制品之間的關(guān)系。描述系統(tǒng)提供的服務(wù)信息，以及需要服務(wù)的利益相關(guān)者的信息的一種黑盒視圖。描述系統(tǒng)黑盒活動流、智能體模型以及函數(shù)相關(guān)的一種行為圖。注：主要關(guān)注控制流程，以及輸入通過一系列表明了一種“所屬”關(guān)系，由組成部分元素所映射的模塊組成。導(dǎo)入元素importelement被導(dǎo)入模型在導(dǎo)入模型中進行實例化或者調(diào)用后的元素。參數(shù)元素parameterelement模型的一種結(jié)構(gòu)特性，主要描述模型的實例化常數(shù)。模型的一種結(jié)構(gòu)特性，主要描述模型的狀態(tài)變量。3描述模型輸出行為的方程。狀態(tài)state離散模型處于各轉(zhuǎn)化臨界點時的形態(tài)。外部事件externalevent模型外部輸入的事件觸發(fā)標(biāo)識。模型內(nèi)部事件觸發(fā)標(biāo)識。模型外部輸入事件觸發(fā)時所執(zhí)行的行為。外部事件方程externaleven描述原子模型接受外部事件行為的方程。狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)internaleventtriggerstransferfunction離散模型內(nèi)部事件或外部事件觸發(fā)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移的函數(shù)。內(nèi)部事件行為internaleventbehavior模型內(nèi)部事件觸發(fā)時所執(zhí)行的行為。模型內(nèi)部事件觸發(fā)時執(zhí)行輸出的標(biāo)識。輸出行為outputbehavior模型內(nèi)部事件觸發(fā)時的輸出行為。原子模型在某一狀態(tài)持續(xù)的時長。狀態(tài)持續(xù)函數(shù)statepersistencefunction定義離散模型處于某一狀態(tài)下的持續(xù)時間的函數(shù)。信息發(fā)送函數(shù)messagesendingfunction智能體模型信息發(fā)送函數(shù)。4信息接受函數(shù)informationacceptancefunction智能體模型信息接受函數(shù)。智能體模型之間交互的信息。計劃plan表示智能體模型的動作集合，用于實現(xiàn)各類行為。4縮略語下列縮略語適用于本文件。ACT:活動圖(ActivityDiagram)BDD:塊定義圖(BlockDefinitionDiagram)DEVS:離散事件系統(tǒng)規(guī)范(DiscreteEventSystemSpecification)IBD:內(nèi)部模塊圖(InternalBlockDiagram)PAR:參數(shù)圖(ParameterDiagram)REQ:需求圖(RequirementDiagram)STA:狀態(tài)機(StateMachineDiagram)UC:用例圖(UseCaseDiagram)5X語言體系結(jié)構(gòu)X語言結(jié)合了DEVS規(guī)范和Modelica語義語法，對已有的SysML元素進行修訂和擴展，實現(xiàn)系統(tǒng)的一體化建模，如圖1所示。5系統(tǒng)層RCQUCBD)JBLPARAC"TSTACouple(DEVS)Atomic(DEVS)Agent(DEVS)Modelica圖1X語言層次結(jié)構(gòu)圖在圖形建模層面，X語言參考SysML各類圖的建模思想，清晰準(zhǔn)確地表達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為；在模型實體層面，借助擴展的DEVS仿真框架(XDEVS),將離散模型、BDI智能體模型以及Modelica的連續(xù)模型統(tǒng)一于DEVS的耦合模型之下?；诖?，X語言具有以下建模仿真能力：a)支持圖形和文本兩種建模形式，并能實現(xiàn)圖形與文本之間的相互轉(zhuǎn)換，如圖2所示；b)支持系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)與物理行為的描述以及仿真驗證能力；c)支持對各類復(fù)雜智能體模型進行建模，包括智能體的學(xué)習(xí)過程、通信過程，以及多智能體的并行仿真過程；d)支持連續(xù)、離散和連續(xù)/離散混合仿真。X語言是一個支持MBSE的、面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，能夠提供對系統(tǒng)設(shè)計進行全流程驗證的能力?；趫D形或文本設(shè)計的模型，可以直接經(jīng)由X語言提供的解釋器解釋為可仿真的XDEVS代碼。底層的仿真器是基于XDEVS設(shè)計的多領(lǐng)域仿真器，能夠提供連續(xù)、離散和智能體等多個領(lǐng)域的跨域建模。通過仿真得到的結(jié)果能夠直接反饋給模型設(shè)計者，實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)計的功能驗證。6GB/T43270—2023圖形建?？蚣芪谋窘？蚣軓?fù)雜系統(tǒng)建模類圖形建?？蚣芪谋窘？蚣芏x圖定義圖seclasstype>modelnameparametesparameteiparametes連接器類連接器類valuevalue耦合類<modelA>conmect(model_A.pl,model_B.p2)<<modelB>>連續(xù)-原了類equationdentx)FyX-z+1;Z=y;離散-原子類stateinitwhenentrythenstatchold(hold_time);cnd:inittransition(idlc);switch=irue;inittransition(idlc);switch=irue;oul:switch=Irue:end;活動圖aclion;Res=map[pos[0]][pos[1]]Res-map[Res=map[pos[0]][pos[1]]圖2X語言圖文建模對應(yīng)關(guān)系76語法結(jié)構(gòu)類是X語言建模規(guī)范的基本結(jié)構(gòu)元素，是構(gòu)成模型的基本單元。類的架構(gòu)圖如圖3所示，類分為基礎(chǔ)類和受限類。定義部分連接部分classes設(shè)計圖定義部分冀定義部分活動部分定義部分定義部分連接部分定義部分活動部分定義部分受限類functionCase圖3類的架構(gòu)圖類具有特殊用途，在語法規(guī)范上有一定約束，比如discrete類只能包括definition部分和state部分，只用于描述基礎(chǔ)原子模型(離散)、couple類只能包括definition部分和connection部分，只用于描述耦合模型?；A(chǔ)類由關(guān)鍵字class修飾，受限類由特定的關(guān)鍵字修飾，該建模規(guī)范中，一共有七大受限類，分別是continuous、discrete、couple、agent、record、function和connector。從建模層面看，七大受限類是復(fù)雜產(chǎn)品建模的核心對象。連續(xù)類(continuous)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中基于方程定義的連續(xù)模型(連續(xù)行為)。一般地，con-tinuous類常包含頭部分、定義部分、方程部分。頭部分包括導(dǎo)入外部模型(結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字import)以及繼承外部模型(結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字extends)兩部分內(nèi)容。定義部分用來初始化參數(shù)和變量的值，以及相關(guān)組件和輸入輸出端口；方程部分通過方程組的形式描述連續(xù)模型的行為。其描述的圖文建模架構(gòu)如圖4所示。8modelname*…value:intb;…equder(x)=y;end;valueport離散類(discrete)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中基于狀態(tài)描述的離散模型(離散行為)。一般地，discrete類常包含定義部分、狀態(tài)機部分。定義部分用來初始化參數(shù)和變量的值，以及相關(guān)組件和輸入輸出端口；狀態(tài)機部分用來定義離散模型的狀態(tài)以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移邏輯。其描述的圖文建模架構(gòu)如圖5discreteDiscreteNamevalue:eventinputrealc;statehold(infinite);end;whenreceive(Eventl)thentransition(StateName2);whentimeover()then<<discrete>>model_name…realb;圖5離散類描述架構(gòu)9由于狀態(tài)部分中關(guān)于狀態(tài)的定義是discrete類行為的核心，在此單獨進行介紹，其描述架構(gòu)如圖6所示。whenentryOthenstatehold(time);whenreceiveevent1thenwhentimeover()then//針對該狀態(tài)下持續(xù)時間結(jié)束時(內(nèi)部事件)的行為圖6狀態(tài)定義描述架構(gòu)耦合類(couple)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中多領(lǐng)域、多特征、多層級的系統(tǒng)模型。一般地，couple類常包含頭部分、定義部分、連接部分。頭部分包括導(dǎo)入外部模型(結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字import)以及繼承外部模型(結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字extends)兩部分內(nèi)容；定義部分用來描述模型中定義好的continuous類、discrete類、agent類并將其實例化為系統(tǒng)模型的組件及其輸入輸出端口聲明；連接部分用來描述各組件之間的連接關(guān)系，使用各子模塊的event端口進行連接。其描述的圖文建模架構(gòu)如圖7所示。value:connection:耦合類圖文建?？蚣躮odelnameparameterreala=1;continuous_1name_1;realb;智能體類(agent)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中具有交互和學(xué)習(xí)行為的智能體模型。一般地，agent類常包含定義部分、活動部分。定義部分用來初始化參數(shù)和變量的值，以及函數(shù)和計劃的聲明也在該部分完成；活動部分用來控制計劃的執(zhí)行，以及設(shè)置智能體仿真的開始和終止條件。在整個agent類中，存在一個特殊的結(jié)構(gòu)，即計劃(plan),用于表征由一組動作組成的智能體的行為序列。一個計劃往往由多個函數(shù)組成，是智能體控制其行為的最小單位。計劃可以看作是由多個函數(shù)組成的一個函數(shù)集，但是計劃與函數(shù)又存在以下差異：a)計劃沒有輸入值與返回值，參數(shù)的傳遞需要利用全局參數(shù)實現(xiàn)；b)計劃內(nèi)部可以調(diào)用智能體的消息發(fā)送與接受動作，而函數(shù)卻不能做到這一點；c)計劃只能由整個智能體語言架構(gòu)中的執(zhí)行部分調(diào)用，而函數(shù)則可以被任意其他函數(shù)調(diào)用。其描述的圖文建模架構(gòu)如圖8所示。BBDvalue:realc=3;end;action:run(pl_namel,pl_name2);end;pl_name2pl_namelpLhmm圖8智能體類描述架構(gòu)記錄類(record)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中各模型中涉及的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般地，record類是由definition部分組成。definition部分用來定義各種數(shù)據(jù)類型。其描述架構(gòu)如圖9所示。記錄類圖文建?？蚣蹷BDrecordrecordNamevalue:<<record>><<record>>valuereala;reala;intb;…intb;圖9記錄類描述架構(gòu)函數(shù)類(function)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中各模型中涉及的功能行為模塊。一般地，function類是由definition部分、action部分兩個部分組成。definition部分用來定義輸入輸出的參數(shù)，action部分用來定義function類特定功能。其描述架構(gòu)如圖10所示。函數(shù)類圖文建模框架函數(shù)類圖文建?？蚣躨ntb=3;action:rev=a*b*pos;intb=3;圖10函數(shù)類描述架構(gòu)6.1.8連接器類連接器類(connector)是用來描述復(fù)雜產(chǎn)品中各模型中涉及非因果連接器端口。一般地，connector類是由definition部分組成。definition部分用來定義端口數(shù)據(jù)類型。其描述架構(gòu)如圖11所示。連接器類圖文建模框架valuevaluevalue:圖11連接器類描述架構(gòu)6.2圖形建模X語言的圖形建模主要基于系統(tǒng)建模語言圖形建模進行設(shè)計，參考SysML的需求圖(REQ)、用例圖(UC)、塊定義圖(BDD)、內(nèi)部模塊圖(IDB)、參數(shù)圖(PAR)、狀態(tài)機圖(STM)、活動圖(ACT)七種圖，并對其元模型進行了相對應(yīng)的刪減、修改與擴展。其中BDD、IBD、PAR、STM、ACT五種圖與X語言中的definition部分、connection部分、equation部分、state部分和active五個部分對應(yīng)。圖形建模包定義圖的結(jié)構(gòu)特性包含組成元素、導(dǎo)入元素、值元素、參數(shù)元素和端口元素5種類型。這些類型在圖中的描述規(guī)則如表1所示。序號結(jié)構(gòu)特性類型1組成元素2導(dǎo)入元素3值元素4參數(shù)元素表1結(jié)構(gòu)特性命名規(guī)則命名規(guī)則TypevaluePropertyNameGB/T43270—2023定義圖的關(guān)聯(lián)分為引用關(guān)聯(lián)和組合關(guān)聯(lián)。引用關(guān)聯(lián)表示雙方存在一種連接，雙方可以相互訪問。模塊間的引用關(guān)聯(lián)通過實線標(biāo)識，若實線無箭頭，則代表雙向訪問，若有箭頭，則表示單向的訪問。用import表示，括號內(nèi)包含所連接的兩個模塊的名稱(包含角色名稱和多重性)以及引用關(guān)聯(lián)的名稱。此處使用點標(biāo)識法來將角色名稱綁定到模塊名稱上，表示所屬關(guān)系。組合關(guān)聯(lián)表達的是一種構(gòu)成關(guān)系，組合段的模塊實例由組成部分端的實例組合而成。定義圖的關(guān)聯(lián)命名規(guī)則如表2所示。表2關(guān)聯(lián)的命名規(guī)則序號結(jié)構(gòu)特性類型命名規(guī)則1引用關(guān)聯(lián)2組合關(guān)聯(lián)連接圖中兩個屬性之間的連接器表示兩個結(jié)構(gòu)的正確組裝且可操作的系統(tǒng)中，擁有某種方式可以相互訪問，傳遞事件、能量或數(shù)據(jù)。連接器表示如圖12所示。圖12連接器的表示形式方程圖描述continuous類模型中變量的行為約束，通過多組不同的等式方程組刻畫continuous模型的行為。如果一個continuous類的行為需由多個不同類型的方程去描述，方程圖會提供不同的區(qū)域來描述不同的部分，具體如圖13所示。初始方程描述區(qū)域方程描述區(qū)域第一組方程組描述區(qū)域第二組條件方程描述區(qū)域第二組循環(huán)方程描述區(qū)域Event2圖13方程圖框架state定義一個狀態(tài)，后面接該模塊的名稱State_namel,最后以end結(jié)束該模塊的定義。其表現(xiàn)形式如圖14所示。StateState_name1receive)extemaleventbehavior,timeover()intemaleventbehavior;putputbehavior;圖14狀態(tài)的定義形式其中，recieve(event_namel)表示在State_namel下收到event_namel事件，然后執(zhí)行外部事件行為。timeover()表示狀態(tài)持續(xù)時間結(jié)束，執(zhí)行內(nèi)部事件及內(nèi)部事件行為，out表示內(nèi)部事件結(jié)束時相關(guān)輸出行為。狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是通過箭頭表示的，外部事件會觸發(fā)轉(zhuǎn)換。另外，在某一狀態(tài)保持時間由箭頭上方aftertime表示。其表現(xiàn)形式如圖15所示。StateState_name1receive(event_name1)extenaleventbehavior,cutputbehavior;extemaleventbehavior,intemaleventbehavior;State_name2cutputbehavwor,圖15狀態(tài)轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)形式活動圖的表現(xiàn)形式如表3所示。表3活動圖的表現(xiàn)形式序號名稱描述表現(xiàn)形式1對象節(jié)點一種能夠存在于活動之中的節(jié)點，會對對象令牌(代表事件、能量或者數(shù)據(jù)的實例)通過活動的流建模2栓作上，表示動作的輸入或輸出Action3活動參數(shù)動圖外框上，從總體上表示活動的一種輸入或者輸出4對象流一種傳輸對象令牌的邊。使用對象流，可以表示事件、能量或數(shù)據(jù)的實例通過活動5控制流一種傳遞控制令牌的邊?？刂屏钆频牡竭_可以啟動等待它的動作6初始節(jié)點標(biāo)記活動的起點，它標(biāo)記了活動中的一個位置，控制令牌的流會從此處開始7活動最終節(jié)點標(biāo)記控制令牌流結(jié)束的控制節(jié)點。當(dāng)控制令牌到達活動最終節(jié)點的時候，整個活動都會結(jié)束，以此標(biāo)記所有控制流的結(jié)束8流最終節(jié)點標(biāo)記控制令牌流結(jié)束的控制節(jié)點。當(dāng)控制令牌到達流最終節(jié)點的時候，那個令牌就會被銷毀，以此標(biāo)記單獨一個控制流的結(jié)束9決定節(jié)點標(biāo)記在活動中可替換序列的開始。決定節(jié)個輸出邊。每個輸出邊會帶有布爾表達式的標(biāo)簽合并節(jié)點標(biāo)記活動中可選序列的結(jié)尾。合并節(jié)點擁有兩條或多條輸入邊，而只擁有一個輸出邊。當(dāng)一個令牌通過任意一條輸入邊到達合并節(jié)點，令牌馬上就會提供給輸出邊需求圖的表現(xiàn)形式如表4所示。表4需求圖的表現(xiàn)形式序號名稱描述表現(xiàn)形式1利益相關(guān)者對系統(tǒng)有具體的需求要求并與其利益相關(guān)的人員2需求關(guān)系系統(tǒng)需求間以及需求和設(shè)計制品之間的關(guān)系標(biāo)識<<requiremenb5RequirementNameid=lextstring”Typee=GeneralFuinalLevelel=Stak