1. 提出背景及意義

復雜產品研制是建模仿真應用最廣泛最深入的領域之一。對于一個復雜產品而言，如汽車、飛機、艦船、發動機，其結構非常復雜，一般都會涉及幾十個甚至上百個學科，最典型的如結構、材料、氣動、流體、燃燒、電子、電磁等等。產品結構復雜，按層次可以分為系統級、子系統級、設備級、組件級、部件級、零件級等等，產品的生命周期往往很長，涉及需求分析、設計、加工制造、實驗測試、銷售、維護、銷毀等。而這樣的復雜產品的研制往往需要大量的單位、部門協同工作。這類復雜系統的研制需要借助系統工程的方法。傳統的系統工程方法，系統設計階段，各個部門各個階段之間的信息交換主要依賴文檔、數據，甚至電話、郵件等各種方式，交換的信息大多是非結構化的，不標準的，語義模糊甚至歧義的。各種設計文檔很難保持一致性，出現問題，也很難回溯。各部門積累了大量的文檔和數據，種類繁多、采用不同的開發環境和工具，無統一標準。在系統繼承階段，主要是物理系統的組裝，成本昂貴，周期長，難以進行反復試錯。基于模型的系統工程(MBSE)是應對系統工程所面臨挑戰的重要手段。其核心思想是通過一個統一的、形式化的、規范化的模型，來支持系統從概念設計、分析、驗證到開發、運維的全生命周期的各個階段。工程師之間的信息交換從基于文本的模式變為基于模型的模式。由于采用了統一的模型，大家用同一種規范進行工作和溝通，可以改克服前面所提到的傳統模式的種種弊端，極大地提高系統研發的效率和質量。建模語言、建模方法和建模工具被稱為MBSE的三大支柱。國際系統工程協會(INCOSE)聯合對象管理組織(OMG)在UML基礎上，開發出了系統建模語言(SysML)，并指定使用SysML語言來創建系統結構、行為、需求和約束的模型。目前最常用的基于SysML建模方法是Harmony-SE，該方法反映了經典的“V”型生命周期發展模式。基于SysML的主要建模工具包括Rhapsody，MagicDarw等。一些大型軟件供應商也開發了相應的支持SysML的工具，并且把SysML的建模工具和已有的專業建模分析軟件進行了集成，為實際開發系統模型奠定了基礎。一些大型企業也開始在其產品開發中引入MBSE的思想和方法。很遺憾的是，無論是建模語言、建模方法還是主流的

MBSE建模工具，都鮮有國產的影子。

基于MBSE的研發模式的本質是從傳統的基于文檔和物理模型的研發模式，轉變為模型驅動的研發模式。基于MBSE的研發模式強調：工程系統研制也是一個借助系統模型來實現技術溝通的過程。因為復雜工程系統研制過程中，各參與方之間要進行良好地分工、協作，分工協作的基礎是技術溝通，技術溝通的基礎是系統模型。比如，用戶向設計部門提出要求，設計部門提出解決方案(設計方案)，雙方提出的都是模型，是系統模型的不同視圖。這是一個需求模型和設計模型溝通的過程，是一個任務提出方給出“定義”，任務承接方給出“說明”的過程。總體設計部門和分系統設計部門之間的技術溝通，也是類似的過程。工程師依據上述過程可以完成系統設計。但到此只解決了問題的一半。系統集成階段如果還是采用物理系統集成的方式，效率仍然很低，成本仍然很高，局限性仍然很大。因此，現有的基于MBSE的系統研制實踐中，一般先基于系統建模語言(如SysML，IDEF等)進行需求建模和架構設計,再基于物理建模語言（如Modelica，Bond Graph等）并配合集成標準規范（FMI,HLA等），實現物理模型的開發和集成。然而基于SysML的MBSE研發模式亦存在著明顯的不足，影響了研發效率。原因有如下三點：其一，SysML等建模語言只支持系統級架構建模，無法仿真運行；其二，基于SysML所建立的模型只能進行系統的設計與規劃，無法有效的驗證系統設計的正確性、有效性。其三，若開展性能仿真驗證，需要配合其他語言或工具（Modelica,Matlab等)。因此，需要尋找一種途徑：充分利用建模仿真技術，能將初始架構模型與檢查和評估這些模型的方法相統一，即利用系統仿真輔助系統設計，將系統設計與系統仿真有機結合，實現模型跨層級轉換，從而支持設計工作的高效開展。目前已有的一種實踐是采用系統設計與仿真集成的方法，即通過系統建模語言與物理建模語言之間相關轉化和做接口的形式達到一體化建模仿真的目的。近年來，不同類型模型之間直接轉換己經被越來越多的方法和工具所支持，例如：SysML到Simulink的轉換，SysML到STK的轉換，SysML到VHDL的轉換、SysML到SystemC的轉換。也涌現了很多轉換語言來規定模型之間的轉換，如QVT、ATL、ETL、ReqIF、VIATRA。綜上，目前采用的系統設計與仿真集成的方法雖能實現產品研發不同階段的統一管理，但其本質還是通過語言之間的映射轉換來實現的，針對單一領域可能游刃有余，但是面對復雜系統的建模與仿真時，難以兼顧對連續、離散以及智能化系統仿真的支持。總的來說，主要存在著如下三點問題：其一：系統建模語言與物理域建模語言脫節，兩者無法完全對應，導致全系統模型一致性及可追溯性差。其二：現有的物理建模語言對復雜系統支持不足，多針對建模仿真的某一環節，缺乏全流程協同設計能力。(單領域建模語言占多數，多領域建模語言Modelica對離散行為建模支持不友好）其三，核心思想、語言、核心模型組件、接口標準等均由外國主導，下游的軟件生態受制于人，難以實現真正自主可控。特別是國產化困境方面，現有的建模語言和方法論均為國外開發，缺乏適合中國企業特點的我國自己的

MBSE建模語言和方法論。尤其是建模語言，作為建模方法和工具的基石，話語權更是牢牢的掌握在外國手里，國內尚未有一款支持MBSE的建模仿真語言，使得我國的建模理論創新、建模仿真工具發展在源頭上都嚴重受制于人。

因此我國亟需一套真正實現統一建模、真正支持復雜產品一體化建模仿真、完全自主可控的面向MBSE的語言、理論、工具。本團隊融合并拓展現有建模仿真語言和規范的優點，在國際上率先提出并研發了一種一體化建模仿真語言，X語言；基于X語言，形成了一套支持MBSE的建模仿真方法；并自主開發了一套軟件工具XLab。X語言宣傳網址http://xlanguage.com.cn/

2. X語言介紹

下面從總體的角度介紹一下X語言背后包含的相關技術以及可解決的相關科學問題。由圖1所示，本團隊首先基于離散事件系統規范(DEVS)，結合SysML、Modelica以及智能體語言等的建模思想，形成一套混合系統建模理論XDEVS，實現了對連續、離散、連續/離散混合等模型的統一建模。其次，在XDEVS基礎上，形成了一套可雙向轉換的圖形和文本兩種形式的新一代多領域統一建模語言X語言。最后，開發一套面向X語言的解釋器和仿真器，可實現對復雜產品從需求分析、功能、邏輯架構設計到物理域的一體化建模仿真過程，從而更好地支持MBSE。