CN113672206A - 一种x语言混合建模平台及建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X语言混合建模平台及建模方法，属于混合系统建模相关技术领域，包括：信息采集装置、静态结构定义装置、动态行为定义装置、处理装置；所述信息采集装置、所述静态结构定义装置、所述动态行为定义装置均与所述处理装置连接；本申请通过定义了建模类的静态结构和动态行为，实现了对混合模型结构和行为的清晰描述，降低了X语言使用的专业性和经验性的要求，减少了X语言建模的难度，简化了X语言建模的步骤，使得X语言的使用更加简单，便于X语言的学习、使用以及推广。

Description

一种X语言混合建模平台及建模方法

技术领域

本发明涉及混合系统建模相关技术领域，更具体的说是涉及一种X语言混合建模平台及建模方法。

背景技术

建模和仿真是一门通过进行多个层级的抽象对系统进行分析的学科。随着计算机科学技术的发展，目前建模和仿真技术已经被用于工业制造和军事仿真等多个复杂场景下。其中离散事件规范(Discrete Event Specification，DEVS)是应用最广泛的离散系统仿真框架之一。

混合模型(hybrid system)是同时包括连续及离散动态特性的动力系统，这类系统中同时有连续(以微分方程描述)以及跳跃(离散状态变化)的特性。

DEVS是由Zeilger提出的基于离散事件的系统建模框架，框架中包括原子模型和耦合模型两种类型的模型，其中，耦合模型可以被视作特殊的原子模型。X语言是国内自主研发的复杂系统建模语言，在X语言中，基于DEVS构建了适用于其的混合模型建模框架，但由于该建模框架过于抽象，并不具备可用于建模的建模语义，因此使用X语言建模时，需要一定的专业知识和使用经验，由此也给初学人员和由于工作原因必须使用此语言构建模型的无经验人员造成了很大的困扰；因此，如何为X语言设计一种完善的混合模型建模平台成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种X语言混合建模平台及建模方法，通过对X语言的混合模型建模框架中确立明确的建模语义，降低了X语言使用的专业性和经验性的要求，减少了X语言建模的难度，便于X语言的学习、使用以及推广。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种X语言混合建模平台，包括：信息采集装置、静态结构定义装置、动态行为定义装置、处理装置；所述信息采集装置、所述静态结构定义装置、所述动态行为定义装置均与所述处理装置连接；

所述信息采集装置，用于采集系统模型以及运动指令信息；

所述静态结构定义装置，用于接收所述信息采集装置的信息并对系统模型的静态结构进行定义；

所述动态行为定义装置，用于接收所述信息采集装置的信息并对系统模型的动态行为进行定义；

所述处理装置，用于接收系统模型以及运动指令信息并进行分析；接收所述静态结构定义装置和所述动态行为定义装置的定义信息，形成混合模型。

优选的，所述静态结构定义装置包括原子类的静态结构定义模块和耦合类的静态结构定义模块；所述原子类的静态结构定义模块，用于定义不可再进行分割定义的结构，包括参数、端口和状态变量；所述耦合类的静态结构定义模块，用于定义多层级的复杂结构，包括参数、端口、组件以及连接。

优选的，所述动态行为定义装置包括entry规则模块、receive规则模块、state-event规则模块、time-event规则模块和catch-equation规则模块。

优选的，entry规则模块用于定义进入任一状态前需要执行的行为，内部采用statehold函数定义状态的持续时间。

优选的，receive规则模块用于定义模型处于所述任一状态时接收到外部事件后所执行的行为，其中receive函数同时接受多个端口的输入数据，内部采用transition函数定义状态的转移。

优选的，state-event规则模块用于定义在所述任一状态下发生状态事件后所执行的行为，内部采用out定义输出。

优选的，time-event规则模块用于定义在所述任一状态下发生时间事件后所执行的行为，内部采用out定义输出。

优选的，state-event规则模块和time-event规则模块用于定义所述任一状态的内部事件。

优选的，catch-equation规则模块用于定义模型处于连续状态时的连续行为。

一种X语言混合建模方法，具体步骤为：

获取建模信息：获得系统模型和运动指令；

分析建模信息：对系统模型和运动指令进行分析，获得系统模型的静态结构和动态行为；

静态结构定义：对系统模型的静态结构按照进行原子类和耦合类分别进行定义，构建静态结构模型；

动态行为定义：按照系统模型按照动态行为调用动态行为定义装置的模块构建动态行为模型；

构建混合模型：将静态结构模型和动态结构模型结合获得混合模型。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开一种X语言混合建模方法，通过定义了建模类的静态结构和动态行为，实现了对混合模型结构和行为的清晰描述，降低了X语言使用的专业性和经验性的要求，减少了X语言建模的难度，简化了X语言建模的步骤，使得X语言的使用更加简单，便于X语言的学习、使用以及推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的X语言混合建模方法中建模语义示意图；

图2为汽车巡航队列模型示意图；

图3为汽车示意图；

图4为X语言混合建模平台结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种X语言混合建模平台及建模方法，通过定义了建模类的静态结构和动态行为，实现了对混合模型结构和行为的清晰描述，从而提升了X语言对于混合模型的描述能力。

实施例1

一种X语言混合建模平台，结构如图4所示，包括：信息采集装置、静态结构定义装置、动态行为定义装置、处理装置；信息采集装置将采集系统模型以及运动指令信息传输给处理装置连接，处理装置对系统模型以及运动指令信息进行分析并将分析信息分别传给静态结构定义装置和动态行为定义装置，静态结构定义装置包括原子类的静态结构定义模块和耦合类的静态结构定义模块分别对系统模型静态结构分别对系统模型的原子类和耦合类的结构进行定义；动态行为定义装置包括entry规则模块、receive规则模块、state-event规则模块、time-event规则模块和catch-equation规则模块。

各个模块的作用如下：

entry规则模块用于定义进入任一状态前需要执行的行为，内部采用statehold函数定义状态的持续时间。

receive规则模块用于定义模型处于任一状态时接收到外部事件后所执行的行为，其中receive函数同时接受多个端口的输入数据，内部采用transition函数定义状态的转移。

state-event规则模块用于定义在任一状态下发生状态事件后所执行的行为，内部采用out定义输出。

time-event规则模块用于定义在任一状态下发生时间事件后所执行的行为，内部采用out定义输出。

state-event规则模块和time-event规则模块用于定义任一状态的内部事件。

catch-equation规则模块用于定义模型处于连续状态时的连续行为。

实施例2

一种X语言混合建模方法，具体内容包括如下：

如图1所示，首先是混合模型的静态结构定义。在这个部分，将会对模型的静态结构进行分析，从模型的数学描述中抽象出定义模型结构的部分。用于定义混合模型的类主要有两种：耦合类和原子类。原子类用于定义不可再进行分割定义的模型，耦合类用于定义多层级的复杂模型。对于这二者，其各自的定义部分所包括的内容并不完全相同。对于耦合类，我们关注的是组成类的组件、端口以及用于实例化类的参数，所以其定义部分就包括这三个部分。而对于原子类，其内部不能包括组件，所以原子类的定义中不包括组件，而是定义原子类自身性质的状态变量，除了状态变量，原子类中同样也包括参数和端口。除了定义部分，在耦合类中，其静态结构还包括了定义组件连接的连接部分，这个部分将同端口一起，定义模型之间的耦合关系。

然后是混合模型行为定义。行为定义主要是针对原子类，因为耦合类主要用于定义模型之间的层级关系和耦合连接关系。原子模型则主要用于定义模型的动态行为。动态行为规则在原子类的状态部分使用，用于描述原子类的各个状态的行为。动态行为描述规则包括五种：entry规则、receive规则、state-event规则、time-event规则和catch-equation规则。其中entry规则表示进入该状态时执行的行为，通常用于定义状态的持续时间；receive规则用于定义模型处于该状态时接收到外部事件后所执行的行为；state-event和time-event规则分别定义模型处于该状态时发生状态事件和时间事件后所执行的行为；catch-equation规则用于描述模型处于连续状态时的连续行为，在该部分，模型的行为可以直接通过方程进行描述，具体为：

其中entry规则在state中表示进入该状态时需要执行的行为。典型的行为包括状态持续时间，使用statehold语句定义，需要注意的是，未在entry clause中声明持续时间或未定义entry clause的状态默认持续时间为无穷大。

其结构如下：

when entry()then

statehold(infinte)；

end；

receive规则用于定义模型处于该状态时接收到外部事件后所执行的行为。其核心语句receive定义了哪些端口接收到消息时该事件行为会被触发。receive语句中可以包括一个或多个参数，每一个参数都必须对应到原子类中声明的输入接口。

在X语言混合建模框架中，对于外部行为的定义包括了状态持续时间e，为了能够描述该参数，在混合建模规则中定义了保留关键字elapse，表示状态已经持续的时间。此外外部事件将会直接导致状态的转移，在建模规则中，使用transition语句表示状态的转移，transition语句的参数必须为State模块中定义的多个状态中的一个，且状态可以实现自循环，即可以实现从一个状态转移到他自己。

state-event规则和time-event规则一起构成了状态描述的内部事件。二者一般一起使用，因为在普通的状态中，状态变量在进入状态后都将保持不变，所以定义状态事件缺乏实际意义。而catch-equation规则可以描述在状态持续时间内以方程为基础的连续行为，即在状态持续时间内状态变量在方程的求解推进过程中将会不断改变，一旦满足state-event规则中所声明的条件，即可触发状态事件。

time-event规则定义了时间事件，即当状态在entry规则中定义的状态持续时间结束时，将会触发时间事件，时间事件使用timeover表示。触发内部事件将会导致输出和状态转移。相应的，在state-event和time-event两个规则中，可以在out部分，定义输出，输出到对应端口使用send语句表示，send语句包括两个参数，第一个参数为模型的输出端口，第二个参数为输出到端口的数值。

catch-equation规则用于描述模型处于连续状态时的连续行为，在该部分，模型的行为可以直接通过方程进行描述。在catch部分声明状态中将会参与连续状态行为描述的变量，这些变量必须都为实数，且必须为原子类中已经定义的变量。

catch

x；y；...

equation

der(x)+1＝x；

...

end；

实施例3

如图2所示的汽车巡航队列模型，队列由三辆汽车构成，并由车辆的巡航控制系统控制队列保持匀速向前行驶，前车通过Xd端口向后车的Xfront端口发送其位置信息以帮助后车控制车速。构成队列的汽车的系统如图3所示，其构成包括巡航控制系统以及汽车机动系统。其中，自动巡航控制系统包括五个状态。分别是acceleration、cruise、follow、brake和send。其中send状态负责将系统控制信息发送给汽车动力系统；acceleration状态在汽车启动过后对汽车进行提速；当汽车速度达到额定数值时，进入cruise状态，以巡航速度行驶；如果处于cruise状态时，与前车距离小于设定的安全数值，将进入跟随状态，控制汽车同前车保持相同的速度前进；如果遇到紧急情况，即与前车的距离小于最小安全距离，将进入brake状态，进行紧急刹车，当与前车距离恢复正常后，又将从brake进入acceleration状态，重新进行加速。动力模块包括两个状态，分别是idle和work，idle状态下汽车动力为0，work状态下动力模块根据巡航控制系统提供的控制信号提供相应的动力。

对于汽车模型，其结构包括两个组件，使用耦合模型对其进行描述，

可见，如图3所示，耦合模型的静态结构中包括了part、port和connection三个部分。组件包括动力系统(power)和巡航控制系统(cruiseControl)两个部分；共包括两个端口Xd和Xfront；其连接共有五个：分别对应到前车输入的前车位置Xfront到巡航控制，动力系统输出到汽车和巡航控制系统的距离Xd，动力系统输出到巡航控制系统的Vd，以及巡航控制系统向动力系统输入的控制信号Ud。

构建了顶层的汽车模型之后，以动力系统模型为例构建原子模型，动力系统可表示为：

可见，Power模型的静态部分包括状态变量、实例化参数以及端口，分别在各自的部分定义。动态行为包括两个状态idle和work。idle状态和work状态的行为中都包括了entry规则，定义状态的持续时间，idle状态持续时间为infinite，即表示其在不接收到外部信号的情况下将会一直持续该状态；而work状态则会在进入状态0.01s之后触发时间事件退出该状态。然后两个状态也同时包括receive规则，在work状态中，receive规则定义了处于work状态时模型接收到Ud接口传来的信息时需要执行的行为，以及使用transition语句定义了模型的下一个状态，这里使用了状态的自转移，即从work状态继续转移到work状态。work状态还使用了time-event规则，定义了状态work在持续时间结束之后将会进行的状态转换和输出。在time-event规则的out部分，work状态通过xd和vd两个输出端口向巡航控制系统发送信息。最后，work状态中还使用了catch-equation规则，定义了work状态在持续期间的行为，在catch-equation的catch部分选取了x和v两个变量，选取的变量在equation部分作为方程的变量；Equation部分定义的方程将在work状态持续期间随时间推进不断地对x和v的数值进行更新计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种X语言混合建模平台，其特征在于，包括：信息采集装置、静态结构定义装置、动态行为定义装置、处理装置；所述信息采集装置、所述静态结构定义装置、所述动态行为定义装置均与所述处理装置连接；

所述信息采集装置，用于采集系统模型以及运动指令信息；

所述静态结构定义装置，用于接收所述信息采集装置的信息并对系统模型的静态结构进行定义；

所述动态行为定义装置，用于接收所述信息采集装置的信息并对系统模型的动态行为进行定义；

所述处理装置，用于接收系统模型以及运动指令信息并进行分析；接收所述静态结构定义装置和所述动态行为定义装置的定义信息，形成混合模型。

2.根据权利要求1所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，所述静态结构定义装置包括原子类的静态结构定义模块和耦合类的静态结构定义模块；所述原子类的静态结构定义模块，用于定义不可再进行分割定义的结构，包括参数、端口和状态变量；所述耦合类的静态结构定义模块，用于定义多层级的复杂结构，包括参数、端口、组件以及连接。

3.根据权利要求1所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，所述动态行为定义装置包括entry规则模块、receive规则模块、state-event规则模块、time-event规则模块和catch-equation规则模块。

4.根据权利要求3所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，entry规则模块用于定义进入任一状态前需要执行的行为，内部采用statehold函数定义状态的持续时间。

5.根据权利要求4所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，receive规则模块用于定义模型处于所述任一状态时接收到外部事件后所执行的行为，其中receive函数同时接受多个端口的输入数据，内部采用transition函数定义状态的转移。

6.根据权利要求4或5所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，state-event规则模块用于定义在所述任一状态下发生状态事件后所执行的行为，内部采用out定义输出。

7.根据权利要求6所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，time-event规则模块用于定义在所述任一状态下发生时间事件后所执行的行为，内部采用out定义输出。

8.根据权利要求7所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，state-event规则模块和time-event规则模块用于定义所述任一状态的内部事件。

9.根据权利要求3所述的一种X语言混合建模平台，其特征在于，catch-equation规则模块用于定义模型处于连续状态时的连续行为。

10.一种X语言混合建模方法，其特征在于，具体步骤为：

获取建模信息：获得系统模型和运动指令；

分析建模信息：对系统模型和运动指令进行分析，获得系统模型的静态结构和动态行为；

静态结构定义：对系统模型的静态结构按照进行原子类和耦合类分别进行定义，构建静态结构模型；

动态行为定义：按照系统模型按照动态行为调用动态行为定义装置的模块构建动态行为模型；

构建混合模型：将静态结构模型和动态结构模型结合获得混合模型。

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