GB/T 43270-2023 复杂产品协同设计集成建模语言X语言架构

　　ICS 35. 080 CCS L 77

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 43270—2023

　　复杂产品协同设计集成建模

　　语言 X 语言架构

　　Integrated modelinglanguageX languagearchitecture forcomplex

　　productcollaborativedesign

　　2023-11-27发布 2024-06-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 43270—2023

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 缩略语 4

　　5 X语言体系结构 4

　　6 语法结构 7

　　6. 1 类 7

　　6. 1. 1 概述 7

　　6. 1. 2 连续类 7

　　6. 1. 3 离散类 8

　　6. 1. 4 耦合类 9

　　6. 1. 5 智能体类 10

　　6. 1. 6 记录类 10

　　6. 1. 7 函数类 11

　　6. 1. 8 连接器类 11

　　6. 2 图形建模 12

　　6. 2. 1 概述 12

　　6. 2. 2 定义图 12

　　6. 2. 3 连接图 13

　　6. 2. 4 方程图 13

　　6. 2. 5 状态机图 14

　　6. 2. 6 活动图 15

　　6. 2. 7 需求图 16

　　6. 2. 8 用例图 17

　　Ⅰ

　　GB/T 43270—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国机械工业联合会提出 。

　　本文件由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC159)归 口 。

　　本文件起草单位 :北京航空航天大学 、华如科技股份有限公司 、北京机械工业自动化研究所有限公司 、吉林大学 、北京信息科技大学 、北京仿真中心 、清华大学 、北京临近空间飞行器系统工程研究所 、中国船舶工业系统工程研究院 、哈尔滨工业大学 、国家工业信息安全发展研究中心 。

　　本文件主要起草人 :张霖 、古鹏飞 、谢堃钰 、杜已超 、张雪松 、陈敏杰 、叶飞 、尹作重 、赵淳 、赖李媛君 、施国强 、任磊 、闫 飞 、林 廷 宇 、张 柯 、李 君 、王 霄 汉 、王 昆 玉 、陈 真 、张 和 明 、铁 鸣 、罗 永 亮 、李 伟 、刘 敬 、窦克勤 。

　　Ⅲ

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　　复杂产品协同设计集成建模

　　语言 X 语言架构

　　1 范围

　　本文件规定了复杂产品协同设计集成建模语言 X语言的体系结构 、语法结构以及相关语法描述等方面的具体要求 。

　　本文件适用于复杂产品协同设计领域的模型构建 ,适用于面向 MBSE 的全系统 、全流程 、多视角的一体化建模和仿真 。

　　2 规范性引用文件

　　本文件没有规范性引用文件 。

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　基础类 basicclass

　　X语言的一种基类 ,支持泛化成特定的类以描述不同类型的模型 。

　　3.2

　　受限类 restricted class

　　从基础类中继承某一部分功能的类的统称 。

　　3.3

　　连续类 continuousclass

　　X语言中的一种受限类 ,用于描述复杂产品中基于方程定义的连续模型或连续行为 。 3.4

　　离散类 discreteclass

　　X语言中的一种受限类 ,用于描述复杂产品中基于状态描述的离散模型或离散行为 。 3.5

　　耦合类 coupleclass

　　X语言中的一种受限类 ,用于描述复杂产品中多领域 、多特征 、多层级系统模型间的耦合关系 。 3.6

　　智能体类 agentclass

　　X语言中的一种受限类 ,用于描述复杂产品中具有交互和学习行为的智能体模型 。

　　3.7

　　记录类 record class

　　X语言中的一种受限类 ,用来描述复杂产品中各模型中涉及的复杂数据结构 。

　　1

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　　3. 8

　　函数类 function class

　　X语言中的一种受限类 ,用于描述复杂产品各模型中涉及的功能行为模块 。

　　3.9

　　连接器类 connectorclass

　　X语言中的一种受限类 ,用于描述复杂产品中连续 、离散 、智能体等模型的内外数据接口及发送接受的数据类型 。

　　3. 10

　　定义图 definition diagram

　　用于显示不同类型模型元素和关系以说明系统结构信息的图 。

　　3. 11

　　方程图 equation diagram

　　用于描述连续类模型行为的图 。

　　3. 12

　　连接图 connection diagram

　　用于显示单个模块内部系统结构的图 。

　　3. 13

　　状态机图 statemachinediagram

　　描述原子模型的一种动态行为图 ,主要关注的是系统的结构如何依据随时间发生的事件改变状态 。

　　3. 14

　　需求图 requirementdiagram

　　描述利益相关者对设计制品的系统需求的图 ,主要关注需求之间以及需求和设计制品之间的关系 。

　　3. 15

　　用例图 usecasediagram

　　描述系统提供的服务信息 , 以及需要服务的利益相关者的信息的一种黑盒视图 。

　　3. 16

　　活动图 action diagram

　　描述系统黑盒活动流 、智能体模型以及函数相关的一种行为图 。

　　注 : 主要关注控制流程 , 以及输入通过一系列动作转换为输出的过程 。

　　3. 17

　　组成元素 partelement

　　表明了一种 “所属 ”关系 , 由组成部分元素所映射的模块组成 。

　　注 : “所属 ”关系包含物理层面的所属 、逻辑的所属 、以及组成部分属性一次只能属于一个复杂结构 ,但可以移除 。

　　3. 18

　　导入元素 importelement

　　被导入模型在导入模型中进行实例化或者调用后的元素 。

　　3. 19

　　参数元素 parameterelement

　　模型的一种结构特性 ,主要描述模型的实例化常数 。

　　3.20

　　值元素 valueelement

　　模型的一种结构特性 ,主要描述模型的状态变量 。

　　2

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　　3.21

　　端口元素 portelement

　　模型结构边缘不同交互点的一种属性 ,外部实体可通过交互点进行事件 、能量 、数据等交互 。

　　注 : 端口的类型包括事件端口 、物理端口和智能算法端 口 。

　　3.22

　　输出方程 outputequation

　　描述模型输出行为的方程 。

　　3.23

　　状态 state

　　离散模型处于各转化临界点时的形态 。

　　3.24

　　外部事件 externalevent

　　模型外部输入的事件触发标识 。

　　3.25

　　内部事件 internalevent

　　模型内部事件触发标识 。

　　3.26

　　外部事件行为 externaleventbehavior

　　模型外部输入事件触发时所执行的行为 。

　　3.27

　　外部事件方程 externaleventequation

　　描述原子模型接受外部事件行为的方程 。

　　3.28

　　状态转移函数 internaleventtriggerstransfer function

　　离散模型内部事件或外部事件触发进行状态转移的函数 。

　　3.29

　　内部事件行为 internaleventbehavior

　　模型内部事件触发时所执行的行为 。

　　3.30

　　输出 output

　　模型内部事件触发时执行输出的标识 。

　　3.31

　　输出行为 outputbehavior

　　模型内部事件触发时的输出行为 。

　　3.32

　　状态持续时间 stateduration

　　原子模型在某一状态持续的时长 。

　　3.33

　　状态持续函数 statepersistence function

　　定义离散模型处于某一状态下的持续时间的函数 。

　　3.34

　　信息发送函数 messagesendingfunction

　　智能体模型信息发送函数 。

　　3

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　　3.35

　　信息接受函数 information acceptance function

　　智能体模型信息接受函数 。

　　3.36

　　信息 message

　　智能体模型之间交互的信息 。

　　3.37

　　计划 plan

　　表示智能体模型的动作集合 ,用于实现各类行为 。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　ACT:活动图(ActivityDiagram)

　　BDD:块定义图(Block Definition Diagram)

　　DEVS:离散事件系统规范(Discrete EventSystem Specification)

　　IBD: 内部模块图(InternalBlock Diagram)

　　MBSE: 基于模型的系统工程(ModelBased System Engineering)

　　PAR:参数图(ParameterDiagram)

　　REQ:需求图(RequirementDiagram)

　　STA:状态机(State Machine Diagram)

　　UC:用例图(Use Case Diagram)

　　5 X 语言体系结构

　　X语言结合了 DEVS规范和 Modelica语义语法 ,对已有的 SysML元素进行修订和扩展 ,实现系统的一体化建模 ,如图 1所示 。

　　4

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　　图 1 X 语言层次结构图

　　在图形建模层面 ,X语言参考 SysML各类图的建模思想 ,清晰准确地表达系统的结构和行为 ;在模型实体层面 ,借助扩展的 DEVS仿真框架(XDEVS) ,将离散模型 、BDI智能体模型以及 Modelica的连续模型统一于 DEVS的耦合模型之下 。基于此 ,X语言具有以下建模仿真能力 :

　　a) 支持图形和文本两种建模形式 ,并能实现图形与文本之间的相互转换 ,如图 2所示 ;

　　b) 支持系统级结构与物理行为的描述以及仿真验证能力 ;

　　c) 支持对各类复杂智能体模型进行建模 ,包括智能体的学习过程 、通信过程 , 以及多智能体的并行仿真过程 ;

　　d) 支持连续 、离散和连续/离散混合仿真 。

　　X语言是一个支持 MBSE 的 、面向对象的建模语言 ,能够提供对系统设计进行全流程验证的能力 。基于图形或文本设计的模型 ,可以直接经由 X语言提供的解释器解释为可仿真的 XDEVS代码 。底层的仿真器是基于 XDEVS设计的多领域仿真器 , 能够提供连续 、离散和智能体等多个领域的跨域建模 。通过仿真得到的结果能够直接反馈给模型设计者 ,实现对系统设计的功能验证 。

　　5

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　　图 2 X 语言图文建模对应关系

　　6

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　　6 语法结构

　　6. 1 类

　　6. 1. 1 概述

　　类是 X语言建模规范的基本结构元素 ,是构成模型的基本单元 。类的架构图如图 3 所示 ,类分为基础类和受限类 。

　　图 3 类的架构图

　　基础类由 definition部分 、connection部分 、equation部分 、state部分和 active五个部分构成 ;受限类具有特殊用途 ,在语法规范上有一定约束 , 比如 discrete类只能包括 definition部分和 state部分 , 只用于描述基础原子模型(离散) 、couple类只能包括 definition部分和 connection部分 , 只用于描述耦合模型 。基础类由关键字 class修饰 ,受限类由特定的关键字修饰 ,该建模规范中 ,一共有七大受限类 ,分别是 continuous、discrete、couple、agent、record、function和 connector。从建模层面看 ,七大受限类是复杂产品建模的核心对象 。

　　6. 1.2 连续类

　　连续类(continuous)是用来描述复杂产品中基于方程定义的连续模型(连续行为) 。一般 地 , con- tinuous类常包含头部分 、定义部分 、方程部分 。头部分包括导入外部模型(结构关键字 import) 以及继承外部模型(结构关键字 extends)两部分内容 。定义部分用来初始化参数和变量的值 , 以及相关组件和输入输出端 口 ;方程部分通过方程组的形式描述连续模型的行为 。其描述的图文建模架构如图 4所示 。

　　7

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　　图 4 连续类图文描述架构

　　6. 1.3 离散类

　　离散类(discrete)是用来描述复杂产品中基于状态描述的离散模型(离散行为) 。 一般地 , discrete类常包含定义部分 、状态机部分 。定义部分用来初始化参数和变量的值 , 以及相关组件和输入输出端口 ;状态机部分用来定 义 离 散 模 型 的 状 态 以 及 状 态 之 间 的 转 移 逻 辑 。 其 描 述 的 图 文 建 模 架 构 如 图 5所示 。

　　图 5 离散类描述架构

　　8

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　　由于状态部分中关于状态的定义是 discrete类行为的核心 ,在此单独进行介绍 ,其描述架构如图 6所示 。

　　图 6 状态定义描述架构

　　6. 1.4 耦合类

　　耦合类(couple)是用来描述复杂产品中多领域 、多特征 、多层级的系统模型 。 一般地, couple类常

　　包含头部分 、定义部分 、连接部分 。头部分包括导入外部模型(结构关键字 import) 以及继承外部模型(结构关键字 extends)两部分内容 ;定义部分用来描述模型中定义好的 continuous类 、discrete类 、agent类并将其实例化为系统 模 型 的 组 件 及 其 输 入 输 出 端 口 声 明 ; 连 接 部 分 用 来 描 述 各 组 件 之 间 的 连 接 关系 ,使用各子模块的 event端口进行连接 。其描述的图文建模架构如图 7所示 。

　　图 7 耦合类描述架构

　　9

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　　6. 1.5 智能体类

　　智能体类(agent)是用来描述复杂产品中具有交互和学习行为的智能体模型 。 一般地 ,agent类常包含定义部分 、活动部分 。定义部分用来初始化参数和变量的值 , 以及函数和计划的声明也在该部分完成 ;活动部分用来控制计划的执行 , 以及设置智能体仿真的开始和终止条件 。

　　在整个 agent类中 ,存在一个特殊的结构 , 即计划(plan) , 用于表征由一组动作组成的智能体的行为序列 。一个计划往往由多个函数组成 ,是智能体控制其行为的最小单位 。计划可以看作是由多个函数组成的一个函数集 ,但是计划与函数又存在以下差异 :

　　a) 计划没有输入值与返回值 ,参数的传递需要利用全局参数实现 ;

　　b) 计划内部可以调用智能体的消息发送与接受动作 ,而函数却不能做到这一点 ;

　　c) 计划只能由整个智能体语言架构中的执行部分调用 ,而函数则可以被任意其他函数调用 。

　　其描述的图文建模架构如图 8所示 。

　　图 8 智能体类描述架构

　　6. 1.6 记录类

　　记录类(record)是 用 来 描 述 复 杂 产 品 中 各 模 型 中 涉 及 的 复 杂 数 据 结 构 。 一 般 地 , record 类 是 由definition部分组成 。definition部分用来定义各种数据类型 。其描述架构如图 9所示 。

　　10

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　　图 9 记录类描述架构

　　6. 1.7 函数类

　　函数类(function)是用来描述复杂产品中各模型中涉及的功能行为模块 。一般地 ,function类是由definition部分 、action部分两个部分组成 。 definition部分用来定义输入输出的参数 , action部分用来定义 function类特定功能 。其描述架构如图 10所示 。

　　图 10 函数类描述架构

　　6. 1. 8 连接器类

　　连接器类(connector)是用来描述复杂产品中各模型中涉及非因果连接器端 口 。一般地 ,connector类是由 definition部分组成 。definition部分用来定义端口数据类型 。其描述架构如图 11所示 。

　　11

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　　图 11 连接器类描述架构

　　6.2 图形建模

　　6.2. 1 概述

　　X语言的图形建模主要基于系统建模语言图形建模进行设计 ,参考 SysML 的需求图(REQ) 、用例图(UC) 、块定义图(BDD) 、内 部 模 块 图(IDB) 、参 数 图(PAR) 、状 态 机 图(STM) 、活 动 图(ACT) 七 种图 ,并对其元模型进行了相对应的删减 、修改与扩展 。其中 BDD、IBD、PAR、STM、ACT 五种图与 X语言中的 definition部分 、connection部分 、equation部分 、state部分和 active五个部分对应 。 图形建模包括定义图 、连接图 、方程图 、状态机图 、活动图 、需求图以及用例图七种模型图 。

　　6.2.2 定义图

　　6.2.2. 1 结构特性

　　定义图的结构特性包含组成元素 、导入元素 、值元素 、参数元素和端口元素 5 种类型 。这些类型在图中的描述规则如表 1所示 。

　　表 1 结构特性命名规则

　　序号

　　结构特性类型

　　命名规则

　　1

　　组成元素

　　2

　　导入元素

　　3

　　值元素

　　4

　　参数元素

　　12

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　　6.2.2.2 关联

　　定义图的关联分为引用关联和组合关联 。

　　引用关联表示双方存在一种连接 ,双方可以相互访问 。模块间的引用关联通过实线标识 ,若实线无箭头 ,则代表双向访问 ,若有箭头 ,则表示单向的访问 。 用 import表示 ,括号内包含所连接的两个模块的名称(包含角色名称和多重性)以及引用关联的名称 。此处使用点标识法来将角色名称绑定到模块名称上 ,表示所属关系 。

　　组合关联表达的是一种构成关系 ,组合段的模块实例由组成部分端的实例组合而成 。

　　定义图的关联命名规则如表 2所示 。

　　表 2 关联的命名规则

　　序号

　　结构特性类型

　　命名规则

　　1

　　引用关联

　　2

　　组合关联