面向MBSE的一体化智能建模与仿真语言：X语言

1. 提出背景及意义

复杂产品研制是建模仿真应用最广泛最深入的领域之一。对于一个复杂产品而言，如汽车、飞机、舰船、发动机，其结构非常复杂，一般都会涉及几十个甚至上百个学科，最典型的如结构、材料、气动、流体、燃烧、电子、电磁等等。产品结构复杂，按层次可以分为系统级、子系统级、设备级、组件级、部件级、零件级等等，产品的生命周期往往很长，涉及需求分析、设计、加工制造、实验测试、销售、维护、销毁等。而这样的复杂产品的研制往往需要大量的单位、部门协同工作。这类复杂系统的研制需要借助系统工程的方法。传统的系统工程方法，系统设计阶段，各个部门各个阶段之间的信息交换主要依赖文档、数据，甚至电话、邮件等各种方式，交换的信息大多是非结构化的，不标准的，语义模糊甚至歧义的。各种设计文档很难保持一致性，出现问题，也很难回溯。各部门积累了大量的文档和数据，种类繁多、采用不同的开发环境和工具，无统一标准。在系统继承阶段，主要是物理系统的组装，成本昂贵，周期长，难以进行反复试错。基于模型的系统工程(MBSE)是应对系统工程所面临挑战的重要手段。其核心思想是通过一个统一的、形式化的、规范化的模型，来支持系统从概念设计、分析、验证到开发、运维的全生命周期的各个阶段。工程师之间的信息交换从基于文本的模式变为基于模型的模式。由于采用了统一的模型，大家用同一种规范进行工作和沟通，可以改克服前面所提到的传统模式的种种弊端，极大地提高系统研发的效率和质量。建模语言、建模方法和建模工具被称为MBSE的三大支柱。国际系统工程协会(INCOSE)联合对象管理组织(OMG)在UML基础上，开发出了系统建模语言(SysML)，并指定使用SysML语言来创建系统结构、行为、需求和约束的模型。目前最常用的基于SysML建模方法是Harmony-SE，该方法反映了经典的“V”型生命周期发展模式。基于SysML的主要建模工具包括Rhapsody，MagicDarw等。一些大型软件供应商也开发了相应的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的专业建模分析软件进行了集成，为实际开发系统模型奠定了基础。一些大型企业也开始在其产品开发中引入MBSE的思想和方法。很遗憾的是，无论是建模语言、建模方法还是主流的

MBSE建模工具，都鲜有国产的影子。

基于MBSE的研发模式的本质是从传统的基于文档和物理模型的研发模式，转变为模型驱动的研发模式。基于MBSE的研发模式强调：工程系统研制也是一个借助系统模型来实现技术沟通的过程。因为复杂工程系统研制过程中，各参与方之间要进行良好地分工、协作，分工协作的基础是技术沟通，技术沟通的基础是系统模型。比如，用户向设计部门提出要求，设计部门提出解决方案(设计方案)，双方提出的都是模型，是系统模型的不同视图。这是一个需求模型和设计模型沟通的过程，是一个任务提出方给出“定义”，任务承接方给出“说明”的过程。总体设计部门和分系统设计部门之间的技术沟通，也是类似的过程。工程师依据上述过程可以完成系统设计。但到此只解决了问题的一半。系统集成阶段如果还是采用物理系统集成的方式，效率仍然很低，成本仍然很高，局限性仍然很大。因此，现有的基于MBSE的系统研制实践中，一般先基于系统建模语言(如SysML，IDEF等)进行需求建模和架构设计,再基于物理建模语言（如Modelica，Bond Graph等）并配合集成标准规范（FMI,HLA等），实现物理模型的开发和集成。然而基于SysML的MBSE研发模式亦存在着明显的不足，影响了研发效率。原因有如下三点：其一，SysML等建模语言只支持系统级架构建模，无法仿真运行；其二，基于SysML所建立的模型只能进行系统的设计与规划，无法有效的验证系统设计的正确性、有效性。其三，若开展性能仿真验证，需要配合其他语言或工具（Modelica,Matlab等)。因此，需要寻找一种途径：充分利用建模仿真技术，能将初始架构模型与检查和评估这些模型的方法相统一，即利用系统仿真辅助系统设计，将系统设计与系统仿真有机结合，实现模型跨层级转换，从而支持设计工作的高效开展。目前已有的一种实践是采用系统设计与仿真集成的方法，即通过系统建模语言与物理建模语言之间相关转化和做接口的形式达到一体化建模仿真的目的。近年来，不同类型模型之间直接转换己经被越来越多的方法和工具所支持，例如：SysML到Simulink的转换，SysML到STK的转换，SysML到VHDL的转换、SysML到SystemC的转换。也涌现了很多转换语言来规定模型之间的转换，如QVT、ATL、ETL、ReqIF、VIATRA。综上，目前采用的系统设计与仿真集成的方法虽能实现产品研发不同阶段的统一管理，但其本质还是通过语言之间的映射转换来实现的，针对单一领域可能游刃有余，但是面对复杂系统的建模与仿真时，难以兼顾对连续、离散以及智能化系统仿真的支持。总的来说，主要存在着如下三点问题：其一：系统建模语言与物理域建模语言脱节，两者无法完全对应，导致全系统模型一致性及可追溯性差。其二：现有的物理建模语言对复杂系统支持不足，多针对建模仿真的某一环节，缺乏全流程协同设计能力。(单领域建模语言占多数，多领域建模语言Modelica对离散行为建模支持不友好）其三，核心思想、语言、核心模型组件、接口标准等均由外国主导，下游的软件生态受制于人，难以实现真正自主可控。特别是国产化困境方面，现有的建模语言和方法论均为国外开发，缺乏适合中国企业特点的我国自己的

MBSE建模语言和方法论。尤其是建模语言，作为建模方法和工具的基石，话语权更是牢牢的掌握在外国手里，国内尚未有一款支持MBSE的建模仿真语言，使得我国的建模理论创新、建模仿真工具发展在源头上都严重受制于人。

因此我国亟需一套真正实现统一建模、真正支持复杂产品一体化建模仿真、完全自主可控的面向MBSE的语言、理论、工具。本团队融合并拓展现有建模仿真语言和规范的优点，在国际上率先提出并研发了一种一体化建模仿真语言，X语言；基于X语言，形成了一套支持MBSE的建模仿真方法；并自主开发了一套软件工具XLab。X语言宣传网址http://xlanguage.com.cn/

2. X语言介绍

下面从总体的角度介绍一下X语言背后包含的相关技术以及可解决的相关科学问题。由图1所示，本团队首先基于离散事件系统规范(DEVS)，结合SysML、Modelica以及智能体语言等的建模思想，形成一套混合系统建模理论XDEVS，实现了对连续、离散、连续/离散混合等模型的统一建模。其次，在XDEVS基础上，形成了一套可双向转换的图形和文本两种形式的新一代多领域统一建模语言X语言。最后，开发一套面向X语言的解释器和仿真器，可实现对复杂产品从需求分析、功能、逻辑架构设计到物理域的一体化建模仿真过程，从而更好地支持MBSE。