基于SysML的動(dòng)車組換端場(chǎng)景建模與仿真研究*

陳 波，袁文強(qiáng)，黃 金

（1中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3杭州電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，杭州 310018）

近年來，隨著速度350 km/h的“復(fù)興號(hào)”中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組正式投入運(yùn)營(yíng)，中國(guó)高鐵移動(dòng)裝備步入正向設(shè)計(jì)階段，因需開發(fā)出全套高速動(dòng)車組工作邏輯。作為中國(guó)高鐵裝備產(chǎn)業(yè)集中進(jìn)行高速動(dòng)車組正向設(shè)計(jì)的最新成果，CR400AF和CR400BF這2個(gè)型號(hào)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組實(shí)現(xiàn)了機(jī)械接口的物理互聯(lián)、電氣接口的數(shù)據(jù)互聯(lián)、軟件接口的邏輯互聯(lián)和操作界面的互通、主要硬件的互換，確立了不同于“歐標(biāo)”和“日標(biāo)”的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系［1］。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)動(dòng)車組正向設(shè)計(jì)能力，尤其是面向全生命周期的動(dòng)車組正向設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外開展了不同程度的基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）應(yīng) 用 探 索［2-4］。在系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)與方案階段，以標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言（SysML）構(gòu)建動(dòng)車組系統(tǒng)模型，遵循統(tǒng)一表達(dá)規(guī)范，解決自然語言對(duì)于動(dòng)車組復(fù)雜場(chǎng)景表征能力弱的問題，在一定程度上實(shí)現(xiàn)早期的系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

文中以動(dòng)車組換端場(chǎng)景為對(duì)象，采用Cameo System Modeler軟件，基于SysML構(gòu)建了動(dòng)車組換端仿真模型。探索了動(dòng)車組整車邏輯設(shè)計(jì)采用MBSE的方法論，遵從自上而下、從里到外、由宏觀到微觀的原則。

1 MBSE與SysML簡(jiǎn) 介

MBSE是一種應(yīng)用建模方法的正式方式，用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、檢驗(yàn)與確認(rèn)活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始，貫穿整個(gè)開發(fā)過程及后續(xù)的生命周期階段。MBSE是系統(tǒng)工程領(lǐng)域發(fā)展的一種基于模型表達(dá)和驅(qū)動(dòng)的方法，它可以看成是模型驅(qū)動(dòng)原則、方法、工具、語言的指導(dǎo)規(guī)范，是對(duì)學(xué)科交叉和規(guī)模化的復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)施［5］。

為支持MBSE的實(shí)施，在統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）的基礎(chǔ)上提出了SysML，支持對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的需求、行為、參數(shù)與結(jié)構(gòu)等進(jìn)行基于圖的無二義性說明、分析、設(shè)計(jì)。旨在從一開始，在產(chǎn)品的相關(guān)人員間建立統(tǒng)一的交流平臺(tái)［5-6］。SysML定義了9種圖，如圖1所示。

圖1 SysML的9種 圖

北京交通大學(xué)何麗蕓利用SysML針對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)CTCS-3列控系統(tǒng)需求規(guī)范進(jìn)行建模和形式化驗(yàn)證的研究［7］。北京交通大學(xué)黃靜將基于SysML活動(dòng)圖的建模方法應(yīng)用在鐵路列控系統(tǒng)中，使用活動(dòng)圖來形象地展示虛擬軌道區(qū)段占用檢測(cè)和列車行車區(qū)段管理方式［8］。

浙江大學(xué)袁文強(qiáng)等針對(duì)動(dòng)車組高壓系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，提出基于SysML模型的動(dòng)車組功能自動(dòng)生成高壓系統(tǒng)方案。將動(dòng)車組設(shè)計(jì)知識(shí)通過SysML表達(dá)形成動(dòng)車組高壓系統(tǒng)功能庫(kù)和組件庫(kù)，定義一套符合業(yè)務(wù)知識(shí)的推理規(guī)則，針對(duì)特定的功能快速推出設(shè)計(jì)方案，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率［9］。

2 基于SysML的動(dòng)車組換端場(chǎng)景模型構(gòu)建

2.1 動(dòng)車組換端邏輯

以某型動(dòng)車組換端邏輯為例，其換端中換端條件檢查包括：

（1）列車靜止；

（2）總風(fēng)管壓力大于700 kPa；

（3）牽引/制動(dòng)手柄處于“0”位；

（4）停放制動(dòng)施加；

（5）高壓正常工作（主斷閉合，網(wǎng)壓正常）；

（6）中壓供電正常（單編組內(nèi)輔助變流器啟動(dòng)3個(gè)以上）；

（7）方向開關(guān)處于“0”位。

具體的換端操作順序如下：

（1）施加停放制動(dòng)；

（2）司機(jī)手柄打到“0”位；

（3）將 方 向 開 關(guān) 從“前”位 或“后”位 打到“0”位；

（4）拔出司機(jī)鑰匙，換端模式激活；

（5）在另一頭車插入司機(jī)鑰匙并旋轉(zhuǎn)，換端模式結(jié)束。

換端模式退出條件包括：

（1）換端條件不滿足，自動(dòng)退出換端模式，并且主斷斷開，受電弓降下；

（2）通過換端操作順序退出。

2.2 模型構(gòu)建的方法論

動(dòng)車組換端場(chǎng)景復(fù)雜，SysML提供了一種可視化的動(dòng)車組換端場(chǎng)景表達(dá)方式，可將其每個(gè)邏輯過程刻畫清晰，并且具有邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、語言精練、無歧義等優(yōu)點(diǎn)。

此外，Cameo System Modeler軟件還支持基于模型的動(dòng)車組換端場(chǎng)景邏輯仿真過程。通過動(dòng)車組列車級(jí)換端仿真，清晰地展示行為的細(xì)節(jié)過程，設(shè)計(jì)師能夠清楚地看到里面的每一個(gè)動(dòng)作，物質(zhì)的流動(dòng)、動(dòng)作的跳轉(zhuǎn)、信號(hào)的傳遞、部件之間的交互等一系列詳細(xì)信息，極大地輔助換端場(chǎng)景設(shè)計(jì)過程。

文中提出的動(dòng)車組換端模型構(gòu)建方法如圖2所示，分為3個(gè)步驟：

圖2 基于SysML的動(dòng)車組換端場(chǎng)景邏輯仿真技術(shù)流程

（1）動(dòng)車組結(jié)構(gòu)建模：系統(tǒng)組成建模、內(nèi)部交互建模、參數(shù)分析計(jì)算；

（2）動(dòng)車組換端時(shí)序建模：定義相關(guān)信號(hào)模型、捕獲動(dòng)車組主行為、動(dòng)車組換端狀態(tài)細(xì)化、換端場(chǎng)景設(shè)計(jì)過程參數(shù)變更；

（3）構(gòu)建換端驗(yàn)證配置：可視化動(dòng)車組換端狀態(tài)、模擬動(dòng)車組操控界面、實(shí)例化動(dòng)車組、動(dòng)車組換端時(shí)序仿真配置。

各個(gè)步驟間存在依賴關(guān)系，如2.4參數(shù)變更中需要執(zhí)行在1.3步驟中定義的分析模型，第3步構(gòu)建換端驗(yàn)證配置中需要以第1步中定義的模型作為基石，圖中也顯示了每個(gè)步驟中用到的SysML元素。

2.3 動(dòng)車組換端場(chǎng)景模型介紹

采用SysML狀態(tài)機(jī)圖捕獲動(dòng)車組換端場(chǎng)景的主行為如圖3所示，其可以理解為頂層行為。包括4個(gè)狀態(tài)行為：Idling、司控室1為激活狀態(tài)、司控室2為激活狀態(tài)和換端中。為了充分合理描述換端操作場(chǎng)景，特意采用了一個(gè)換端中狀態(tài)，用于承載動(dòng)車組換端中的詳細(xì)行為。

圖3 動(dòng)車組換端場(chǎng)景主行為

針對(duì)每個(gè)狀態(tài)，分別定義了每個(gè)狀態(tài)下所執(zhí)行的活動(dòng)。Idling狀態(tài)下包含一個(gè)活動(dòng)resetToIDLE，表明在該狀態(tài)下需要執(zhí)行重置操作。換端中狀態(tài)下定義了其entry和do 2個(gè)字段，表明在執(zhí)行換端操作前需要優(yōu)先執(zhí)行換端條件檢查操作，在執(zhí)行了entry操作后，再執(zhí)行換端操作活動(dòng)。

在采用SysML模塊定義圖捕獲了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)、以及采用狀態(tài)機(jī)圖捕獲了系統(tǒng)主行為后，需要對(duì)其每個(gè)狀態(tài)下的具體動(dòng)作進(jìn)行捕獲。采用SysML活動(dòng)圖描述了重置為IDLE邏輯過程如圖4所示。整體過程為：第一，檢查列車哪端處于激活狀態(tài)；第二，假設(shè)當(dāng)前司控室1為激活狀態(tài)，則將其isActive和isKeyInserted系統(tǒng)屬性設(shè)置為false。

圖4 重置為IDLE邏輯過程

換端條件檢查邏輯過程如圖5所示，采用活動(dòng)圖捕獲了換端前所有的檢查步驟，分別用一個(gè)Call Behavior Action表征。每個(gè)檢查步驟都是一個(gè)完整封裝好了的Activity，采用這樣的模式，能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯的封裝、活動(dòng)模型的重用且模型可讀性強(qiáng)。檢查動(dòng)作模型包括：檢查動(dòng)車組是否靜止；檢查總風(fēng)管壓力是否大于7 bar；檢查牽引手柄是否處于“0”位；檢查制動(dòng)手柄是否處于“0”位；判斷停放制動(dòng)是否施加；檢查主斷是否閉合；檢查網(wǎng)壓是否正常；檢查中壓供電是否正常；檢查方向開關(guān)是否處于“0”位。在完成一系列檢查動(dòng)作后，判斷can-ChangeDriverRoom變量，如果其值為true，表明可以換端，否則，不滿足換端條件，降弓同時(shí)斷開主斷。

圖5 換端條件檢查邏輯過程

檢查動(dòng)車組是否處于靜止?fàn)顟B(tài)的邏輯過程如圖6所示。讀取動(dòng)車組當(dāng)前速度，判斷是否為0，如果不是，則打印相應(yīng)信息，并將canChangeDriver-Room變量設(shè)置為false。

圖6 檢查動(dòng)車組是否靜止邏輯過程

執(zhí)行換端操作邏輯過程如圖7所示。其詳細(xì)過程為首先判斷當(dāng)前哪個(gè)司控臺(tái)處于激活狀態(tài)，假設(shè)司控臺(tái)1處于激活狀態(tài)，則將司控臺(tái)1的屬性變量isActive和isKeyInserted重置為false，同時(shí)將司控臺(tái)2的屬性變量isActive和isKeyInserted的值設(shè)置為true。將stateOfDriverRoom的值設(shè)置為Driver room 2 is active。最后，打印信息，并且執(zhí)行發(fā)送信號(hào)動(dòng)作—可以換端到司控臺(tái)2信號(hào)。

圖7 執(zhí)行換端操作邏輯過程

基于模型的交互界面如圖8所示，包括顯示當(dāng)前動(dòng)車組速度、動(dòng)車組當(dāng)前狀態(tài)，分別和系統(tǒng)模型中的velocity和stateOfDriverRoom綁定。同時(shí)，構(gòu)造了4個(gè) 按 鈕：Change to room 1 from IDLE、Change to room 2 from IDLE、Reset to IDLE、Change driver room，分別和4個(gè)同名信號(hào)綁定。當(dāng)點(diǎn)擊該按鈕時(shí)，分別給系統(tǒng)模型發(fā)送相應(yīng)信號(hào)。

圖8 用戶操作UI界面

3 換端場(chǎng)景仿真運(yùn)行

在換端場(chǎng)景系統(tǒng)模型構(gòu)造完成之后，開始對(duì)其進(jìn)行仿真運(yùn)行。啟動(dòng)后的初始狀態(tài)如圖9所示，在仿真開始時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，每個(gè)關(guān)聯(lián)實(shí)例模型都會(huì)執(zhí)行其主行為模型，每個(gè)實(shí)例的主行為模型是對(duì)應(yīng)的狀態(tài)機(jī)圖，如動(dòng)車組實(shí)例會(huì)停留在起始狀態(tài)，等待觸發(fā)信號(hào)。EMU界面會(huì)被啟動(dòng)，并顯示當(dāng)前速度為0，2個(gè)司控室都是非激活狀態(tài)。2個(gè)司控室操控界面會(huì)被啟動(dòng)，并且牽引手柄、制動(dòng)手柄和方向開關(guān)都處于ZERO位置。狀態(tài)圖標(biāo)顯示為IDLE。在右下角變量區(qū)域，系統(tǒng)變量stateOfDriverRoom當(dāng)前值顯示2個(gè)司控臺(tái)都是非激活狀態(tài)，與從其他角度看系統(tǒng)狀態(tài)一致。

圖9 換端場(chǎng)景系統(tǒng)模型仿真初始狀態(tài)

在系統(tǒng)躍遷到Idling時(shí)，會(huì)執(zhí)行resetToIDLE活動(dòng)，如圖10所示，首先讀取司控臺(tái)1的isActive變量，判斷其是否為激活狀態(tài)，然后判斷司控臺(tái)2是否為激活狀態(tài)。由于是直接從最開始到IDLE，所以2個(gè)司控臺(tái)的isActive值均為false。

圖10 Idling狀態(tài)下執(zhí)行resetToIDLE檢查2個(gè)司控臺(tái)都為非激活狀態(tài)

在執(zhí)行完點(diǎn)擊Change to room 1 from IDLE命令后，系統(tǒng)各狀態(tài)如圖11所示。交互界面顯示司控室1為激活狀態(tài)；在狀態(tài)機(jī)圖中系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)為司控室1為激活，圖標(biāo)顯示司控室1為激活；并在控制臺(tái)打印了當(dāng)前司控室1為激活狀態(tài)，它們的結(jié)果保持一致。

圖11 執(zhí)行完change to room 1命令后系統(tǒng)狀態(tài)

在EMU界面上點(diǎn)擊change driver room按鈕，觸發(fā)換端操作信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入到換端中狀態(tài)，并執(zhí)行換端條件檢查邏輯過程，如圖12所示。

圖12 點(diǎn)擊change driver room按鈕后執(zhí)行邏輯

在判斷滿足換端條件后，系統(tǒng)開始執(zhí)行換端操作。如圖13所示，當(dāng)前為從司控室2換端到司控室1，需要將司控室2的isActive和isKeyInserted變量設(shè)置為false，同時(shí)將司控室1的這2個(gè)變量設(shè)置為true。

圖13 執(zhí)行換端操作邏輯仿真過程（從司控室2換端到司控室1）

成功換端到司控室1后，系統(tǒng)情況如圖14所示，收到可以換端到司控室1信號(hào)后，系統(tǒng)躍遷到司控室1為激活狀態(tài)，同時(shí)，圖標(biāo)顯示司控室1已激活，并在控制臺(tái)打印相關(guān)信息。

圖14 從司控室2成功換端到司控室1邏輯仿真過程

4 總結(jié)與展望

文中針對(duì)動(dòng)車組換端場(chǎng)景，基于SysML構(gòu)建了系統(tǒng)模型，利用SysML的塊定義圖、內(nèi)部塊圖等結(jié)構(gòu)圖描述動(dòng)車組換端場(chǎng)景相關(guān)結(jié)構(gòu)組成，利用狀態(tài)機(jī)圖、活動(dòng)圖等行為圖描述換端場(chǎng)景的復(fù)雜邏輯過程，定制了系統(tǒng)仿真UI界面，開展了系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，所構(gòu)建的SysML系統(tǒng)模型能夠準(zhǔn)確表達(dá)動(dòng)車組換端場(chǎng)景的設(shè)計(jì)意圖，值得在未來動(dòng)車組設(shè)計(jì)中推廣使用。