基于MBSE的動車組設計方法研究及應用

張世聰，陳　波，張曉晉，王保民

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京　100081；2.中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京　100081)

動車組的整車設計具有系統復雜、研發周期長、人力和資金投入多、對安全性和可靠性要求嚴格等特點，因此需要利用系統工程方法來實現。目前傳統的基于文本的系統工程方法進行動車組設計時經常會出現前后信息不一致、版本錯誤和可讀性差等問題，導致設計成本的增加乃至重大安全隱患，因此亟需一種新的設計方法。

基于模型的系統工程(Model Based System Engineering,MBSE)是一種使用模型表達設計的系統工程方法[1]。國外的一些大型公司和學術機構經過探索和實踐，面向不同的工業領域并應用不同的建模語言、工具和流程，提出多種 MBSE 方法，如Harmony-SE方法[2]，面向對象的系統工程方法(Object-Oriented Systems Engineering Method, OOSEM)[3],SYSMOD(Systems Modeling Process)方法[4]和IBM公司提出的RUP-SE方法[5]等。目前基于模型的系統工程概念已被工業界所接受[6-7]，并成功應用于航天[8-9]、汽車[10]等領域。并且，為了對MBSE進行更好的支持，國際系統工程學會(International Council of Systems Engineering, INCOSE)和對象管理組織(Object Management Group，OMG)聯合開發了系統建模語言SysML[11]，它是一種統一的、可擴展的、易于理解的系統工程通用建模語言。目前，國外的主機廠如阿爾斯通和龐巴迪等已開始探索MBSE在鐵道機車車輛設計領域的應用，而在國內還未有應用MBSE和使用SysML進行動車組整車和子系統建模分析的研究。

本文基于MBSE設計方法和思路進行動車組設計方法的研究，并以動車組車門控制系統的設計為例，進行MBSE過程的示范和SysML模型的示例。

1　基于MBSE的動車組設計過程

基于MBSE的動車組設計過程包括總體需求分析、子系統需求細化與功能分解和架構生成3個設計階段，在設計過程中使用模型以保證系統需求、設計、分析和驗證信息之間的可追蹤性，前期模型能夠推動后續的設計細化，而后續模型又能對前期的設計結果進行驗證。基于MBSE的動車組設計過程如圖1所示。

圖1　基于MBSE的動車組設計過程

第1階段：總體需求分析階段?；陬I域知識、經驗及各專業設計人員間的有效溝通，將需求文本整理為規范的條目化需求，并利用需求圖、用例圖和包圖分析需執行的任務和運用環境，識別功能需求，把用戶需求和外部約束轉換成系統需求，據此建立系統的需求和用例模型。

第2階段：子系統需求細化和功能分解階段。在系統的總體需求確定后，進行各個子系統內部的需求細化和功能分解。系統總體用例圖中的每個用例體現了1個系統功能需求，分系統先在總體需求模型中挑選各自領域相關的功能需求。使用序列圖、活動圖、狀態機圖分析各子系統中的系統行為、執行過程和設備狀態。

第3階段：架構生成階段。架構生成即定義邏輯結構并確定相應的物理架構。包括使用塊定義圖描述系統組件和結構；使用內部塊圖定義系統/子系統間的物理接口和配置方案，如設備連接結構、網絡結構和電氣結構等。系統邏輯和物理結構的確定，可以逆向修正和幫助進一步分析系統功能模型。同時，可以為系統選定測試用例，使用塊定義圖定義系統的約束條件，用參數圖定義仿真和驗證參數，對系統進行性能驗證。目前，通用建模工具軟件支持在系統模型中進行一定程度的動態驗證，也可使用模型轉換[12]的方法將系統設計模型與仿真平臺進行集成并驗證。

從圖1還可以看出：基于MBSE的動車組設計方法中的3個階段由4個設計回路進行關聯，它們分別是總體需求回路，即用建立的需求和用例模型對用戶需求進行一致性及覆蓋性檢驗，并對需求模型進行迭代修改；總體—分系統需求回路，是在上級系統和下一層的設計間的跟蹤反饋；分系統設計回路，對分系統自身的功能邏輯進行追溯管理；最后的驗證回路，對設計中的優化和仿真結果是否滿足總體需求進行驗證。設計人員可以使用這4個設計回路進行反復迭代，直到所有的設計模型保持一致并覆蓋了需求。

上述設計過程的實現基于SysML語言，它是統一建模語言UML面向系統工程領域的擴展。SysML語言視圖分類如圖2所示。從圖2可以看出：SysML語言提供了對系統的結構、需求和行為進行描述的9種視圖，它們部分來自UML語言的直接集成或擴展，部分(需求圖和參數圖)是SysML語言面向系統工程的開發設計需求提出的新增視圖。

圖2　SysML語言視圖分類

2　車門控制系統的實例應用

下面將以動車組車門控制系統為案例(在建模過程中，車門簡稱為門，指動車組外門)進行MBSE過程的示范和SysML模型的示例。

2.1　總體需求分析：需求和用例模型

2.1.1需求模型

不同于傳統的系統工程方法，設計者應用MBSE方法時，使用條目化需求和需求圖建立需求模型，對系統頂層需求進行捕獲和分解。按不同側重點，可將需求分為功能需求、性能需求、接口需求、可靠性需求、安全性需求、人因工程需求等。需求模型用于將系統設計過程中不清晰的期望和要求等、轉換成需要解決的具體問題，用于指導設計。對應于系統的不同層次，需求模型分為不同的層級結構，最頂層的需求來自用戶的使用要求、成本約束、研制周期約束及各利益相關方的期望等。

實例中的需求來自某型動車組的《車門控制系統接口與功能需求規范》。通過對需求規范的初步理解，并參考相關行業標準和技術條件，可以整理出車門控制系統的頂層需求圖如圖3所示。在需求模型中，帶十字圓形端點的連線表現了低層級需求和高層級需求間的組成/分解關系，所有需求的定義和詳述都被包括在“車門控制系統接口與功能需求規范”包中。

圖3　車門控制系統的頂層需求圖

車門控制系統的基本功能需求并非是一個全新的原始設計，所給出的需求規范包括對部分功能行為邏輯和物理實現方案的具體描述。對這些詳細的具體需求，按照系統需求的層次和分類進行劃分整理，得到條目化需求。劃分整理的原則為1個敘述規范的需求條目描述1個待解決的問題或1個單一的約束。需求條目間也存在著層級關系，并可以建立如分解、細化、擴展等關聯關系，以維護需求間的追溯關系?！伴T動作執行功能”的條目化需求示例見表1。

表1　條目化需求示例

之后，使用需求圖建立需求間的細化層級關系。需求圖不是對條目化需求的簡單重復，而是通過這種形式使需求的分解、歸類和追溯關系更具有可視性，便于使用用例圖等對需求進行具體的建模。門動作執行功能的本地控制需求圖如圖4所示。對門的打開、門的關閉及門的隔離這3大需求進行分析，并為滿足系統的安全性和一些新的需求被派生出來。例如，實現“門的打開”需求時，除需考慮通過速度信號判別“門打開”有效和無效的需求，還需根據門的狀態和行為考慮音響報警裝置和按鈕激活與發光的需求。

2.1.2用例模型

在SysML語言中，采用用例圖可以從面向對象的角度，將文本化的需求描述具象化為系統的若干現實用例，并建立用例與需求、行為、物理結構間的關聯。每個用例從系統用戶的角度描述了系統的1個交互動作，明確了系統的目標功能。

將圖4中門動作執行功能下的各個需求按照系統交互動作的層次，使用如圖5所示用例圖中的用例一一實現。從圖5可以看出：該用例圖描繪了本地對車門所有可能的控制場景，對車門的控制由乘務員或乘客通過本地門控進行，因此創建本地門控作為各項控制行為的用戶，建立了3個基本的系統目標級用例及其子用例和分支用例。

圖4　門動作執行功能的需求圖

圖5　門動作執行功能的目標級用例圖

圖5中的各個用例是為滿足圖4中的需求及其派生需求所進行的具體動作，即目標級的用例，如“門打開”用例對應圖4中“門的打開”需求等。針對其中的“門打開”這一目標級用例進行細化，將分解出具體的“任務級”用例，如圖6所示。在這個過程中，圖4的各項需求下的細節描述將被具象化為任務級用例加入進來，如“門隔離監測”、“開到位信號監測”、“速度監測”和“門控供電監測”等。而針對一輛設計中的真實動車組，將獲取“門打開”用例在具體應用場景下的變體，即“開左門”或“開右門”，而針對“門隔離監測”和“開到位信號監測”，也有考慮真實車門拓撲的相應變體與之對應。

用例幫助設計者理解實現“門的打開”過程中所涉及的一些輔助功能，包括對門狀態的檢測、不同控制命令下門的響應以及蜂鳴器的響應；用例間的關聯關系體現了用例實現、細化的路徑；每個用例僅代表了系統的任務，而實現這個任務時系統所執行的具體控制、機械或電氣行為，將在后續設計過程中由活動圖，序列圖或狀態機圖進一步闡述。

2.2　需求細化和功能分解：功能模型

功能模型是指系統完成既定任務目標所需要的全部功能的集合及功能之間的邏輯關系，用于指導系統邏輯架構的生成。在使用需求和用例模型對需求的分解過程中，只描述了用例中行為的發起者和參與者，而將系統的任務作為1個黑盒。而在細化用例時，則可以使用狀態圖分析系統組件在特定的工作場景中所有的可能狀態及其遷移情況；使用活動圖詳細描述系統執行功能的控制流程；使用用列圖描述系統中各模塊之間動態的交互。

2.2.1門的狀態分析

對單個門工作時可能存在的狀態及狀態間的轉換規則和過程進行分析，將幫助設計者理解系統的行為，并設計出能使控制功能實現的邏輯結構?！伴T的狀態”的狀態機如圖7所示。從圖7可以看出：車門在通電時進入受控狀態，通過對圖4中詳細需求的分類和總結，定義了門的5個可能的狀態，并對這些狀態之間可能的轉換規則和過程進行分析。“可控制”和“隔離”是相對的2個狀態，門可以在“可控制”時進入到其他任意狀態，并可以從除了“開到位”之外的任意狀態轉換到“隔離”狀態，在該狀態下無法對車門執行任何操作，僅當隔離開關解除后，車門才能回到可控制狀態；車門控制系統通過“門打開”和“門關閉”操作進行門的“開到位”狀態和“關到位”狀態之間的切換，每當進入到這2個狀態時，都要向系統的中央控制單元發送“開到位”或“關到位”的信號；當車速大于15 km·h-1或有人為操作時，會觸發門的閉鎖，使其進入閉鎖狀態，且無法直接對處于閉鎖狀態的車門執行開門操作，需要滿足一定條件(速度小于5 km·h-1或人為操作)才能解除閉鎖并轉換到其它狀態。

圖7　“門的狀態”的狀態機圖

圖7只對單個車門受控時的正常工況變化進行了描述，由于篇幅有限，未對車門故障工況進行描述。

2.2.2功能實現過程

在SysML語言中，使用活動圖對真實系統動態行為進行建模，與傳統的流程圖類似，用圓角矩形框表示行為過程中被稱為“活動”的單個步驟。此外，單個活動的輸入、輸出、序列、判斷條件以及活動之間的多種鏈接方式都可以在活動圖中得到體現。

使用如圖8所示的活動圖對圖6中“開左門”任務的控制過程進行分解，該過程就是對“門打開”用例的行為進行設計。結合圖7中對門各種狀態間的轉換，可知“開到位”狀態只能從“關到位”和“可控制”狀態轉換而來，因此除了對“開左門”命令本身進行合法性驗證外，還應判斷門是否處于“隔離”或“閉鎖”狀態，即圖6中的“門隔離監測”、 “速度監測”和“門控供電監測”，而最終呈現的活動圖則體現了“開左門”這一控制任務的邏輯設計結果。

圖8　對“開左門”任務控制過程分解活動圖

2.2.3任務細化

雖然圖8所示的活動圖建立了對“開左門”任務控制過程的分解，但依然是在粗粒度上對系統行為的描述。對其中的“執行開左門過程：門打開過程”這一活動，可用如圖9所示的“門打開過程”活動圖描述其具體執行過程中“開到位檢測”、“蜂鳴器發聲”和“指示燈激活”的活動。這種分層次建模方式的一個優勢是利用SysML語言的層次化多視圖特性，允許設計者對每個任務做進一步的細化；另一個優勢是可以利用SysML語言的面向對象特征，即無論是“開左門”還是“開右門”任務，都涉及受控門的“門打開過程”活動的執行。將“門打開過程”建立為獨立的模型，就可以在不同的門打開任務模型中直接復用，而不必對同樣的過程進行重復建模。

序列圖可以從系統各個模塊之間消息傳遞的交互及序列的角度對系統的某一活動進行細化，其中消息指系統內各個組件上服務的調用或信號的發送。針對圖9所示的3個活動中的 “蜂鳴器發聲過程”建立如圖10所示的序列圖。通過對消息流的分析和動車組控制及網絡系統的拓撲需求，把動車組的車門控制系統分成3個層級：車輛級車門控制單元(由中央控制單元負責)、車廂級車門控制單元(由各車廂的主車門控制單元負責)和門控器。它們之間的消息傳遞由MVB總線和CAN總線實現，并由門控器最終驅動執行機構(蜂鳴器)實現“蜂鳴器發聲”這一活動。

圖9　“門打開過程”活動圖

圖10　“蜂鳴器發聲過程”序列圖

2.3　架構生成：邏輯和物理架構模型

功能模型確定了系統的行為，而系統設計的最后1個步驟是為系統的行為建立系統的物理實現模塊、模塊間的邏輯結構和模塊間交互所需的接口。塊定義圖可用于定義系統自身物理組成、邏輯結構及接口；內部塊圖則用于描述系統與外部環境或子系統各模塊與外部總線和環境之間的電氣連接、物理關聯和信號傳輸等。

總結之前在需求細化和功能分解部分對動車組車門控制系統及其子系統的分析，其物理結構塊定義圖如圖11所示。從圖11可以看出：司機控制臺、制動控制單元(BCU)、中央控制單元(CCU)、車門及網絡系統等子系統共同完成了對車門的控制，而這些子系統又分別包含不同的內部組件。

圖11　動車組車門控制系統物理結構的塊定義圖

在對圖10分析的基礎上，可以給出動車組單個車門的門控器、主車門控制單元與CCU這3級門控系統的通信接口的具體描述，如圖12所示。

圖12門控器、主車門控制單元與CCU的通信接口內部塊圖

3　結論及展望

(1) 基于MBSE的動車組設計方法，主要包括需求分析、功能分解、系統架構生成3個設計階段；同時在這3個設計階段間規劃了4條設計回路，將各個設計階段進行有機關聯。

(2) 研究了SysML語言對動車組設計MBSE方法的支持，根據所提出的基于MBSE的動車組設計方法，以某型動車組車門控制系統為例，在對其進行任務分析和設計的基礎上，使用SysML語言的9種視圖構建了車門控制系統的需求和用例模型、功能模型及邏輯和物理架構模型。建立的SysML模型能夠以圖形化的方式直觀的體現設計信息，并具有可重用性。模型間的關聯，如需求與用例的關聯，任務與任務細化模型的關聯等，保證了整個設計過程中信息的可追溯性，并幫助設計者優化現有設計迭代過程。通過對車門控制系統的設計進行較全面地描述，論證了基于SysML語言的MBSE方法在動車組設計中的適用性。

(3) 在未來的研究中，將繼續在其他動車組子系統開發任務中探索和實踐MBSE方法，特別是研究4條設計回路間的動態關聯方式，使得每個設計階段的設計結果既能正向驅動下一階段的設計，又能逆向反饋到前一階段，以促進設計的迭代更新；使用本領域的通用設計知識對SysML語言進行擴展和建設模型庫，加強建模元素的易用性和可重用性以簡化設計者的建模操作；針對動車組系統設計的性能驗證，還將研究動車組設計SysML模型與本領域內仿真平臺的集成。

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