摘要：為解決傳統的基于文本的系統工程方法在進(jìn)行動(dòng)車(chē)組設計時(shí)前后信息不一致、 版本錯誤和可讀性差等問(wèn)題 ，采用基于模型的系統工程 （MBSE）研究適用于動(dòng)車(chē)組的設計方法，并以某型動(dòng)車(chē)組車(chē)門(mén)控制系統為例進(jìn)行適用性分析。結果表明 ：基于MBSE的動(dòng)車(chē)組設計方法包括需求分析、功能分解 、系統架構生成３個(gè)設計階段，以及對各設計階段進(jìn)行關(guān)聯(lián)的４條設計回路；基于SysML語(yǔ)言構建車(chē)門(mén)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，建立各模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，論證了所提出的設計方法適用于動(dòng)車(chē)組的設計任務(wù)；提出的設計方案既能有效支持動(dòng)車(chē)組內部的設計過(guò)程表達，又能保證不同需求、功能、結構和行為模型間的關(guān)聯(lián)性和一致性，并可對設計結果進(jìn)行追溯，幫助設計者優(yōu)化現有設計迭代過(guò)程。
動(dòng)車(chē)組的整車(chē)設計具有系統復雜 、研發(fā)周期長(cháng)、人力和資金投入多、對安全性和可靠性要求嚴格等特點(diǎn)，因此需要利用系統工程方法來(lái)實(shí)現 。目前傳統的基于文本的系統工程方法進(jìn)行動(dòng)車(chē)組設計時(shí)經(jīng)常會(huì )出現前后信息不一致 、版本錯誤和可讀性差等問(wèn)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。國外的一些大型公司和學(xué)術(shù)機構經(jīng)過(guò)探索和實(shí)踐，面向不同的工業(yè)領(lǐng)域并應用不同的建模語(yǔ)言、工具和流程，提出多種MBSE方法，如Harmony-SE方法，面向對象的系統工程方法（Object-Oriented Systems Engineering Method,OOSEM）等。目前基于模型的系統工程概念已被工業(yè)界所接受，并成功應用于航天、汽車(chē)等領(lǐng)域。并且，為了對MBSE進(jìn)行更好的支持，國際系統工程學(xué)會(huì )（International Council of Systems Engineering,INCOSE）和對象管理組織（Object Management Gruop,OMG）聯(lián)合開(kāi)發(fā)了系統建模語(yǔ)言SysML，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(yǔ)言。目前，國外的主機廠(chǎng)如阿爾斯通和龐巴迪等已開(kāi)始探索MBSE在鐵道機車(chē)車(chē)輛設計領(lǐng)域的應用，而在國內還未有應用MBSE和使用SysML進(jìn)行動(dòng)車(chē)組整車(chē)和子系統建模分析的研究。
１ 基于MBSE的動(dòng)車(chē)組設計過(guò)程
基于MBSE的動(dòng)車(chē)組設計過(guò)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(gè)設計階段，在設計過(guò)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(dòng)后續的設計細化，而后續模型又能對前期的設計結果進(jìn)行驗證?；贛BSE的動(dòng)車(chē)組設計過(guò)程如圖１所示。
圖１ 基于MBSE的動(dòng)車(chē)組設計過(guò)程
第１階段：總體需求分析階段?；陬I(lǐng)域知識、經(jīng)驗及各專(zhuān)業(yè)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(wù)和運用環(huán)境，識別功能需求，把用戶(hù)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(jìn)行各個(gè)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(gè)用例體現了１個(gè)系統功能需求，分系統先在總體需求模型中挑選各自領(lǐng)域相關(guān)的功能需求。使用序列圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)機圖分析各子系統中的系統行為、執行過(guò)程和設備狀態(tài)。
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(wǎng)絡(luò )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(jìn)一步分析系統功能模型。同時(shí)，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(jìn)行性能驗證。目前，通用建模工具軟件支持在系統模型中進(jìn)行一定程度的動(dòng)態(tài)驗證，也可使用模型轉換的方法將系統設計模型與仿真平臺進(jìn)行集成并驗證。
從圖１還可以看出：基于MBSE的動(dòng)車(chē)組設計方法中的３個(gè)階段由４個(gè)設計回路進(jìn)行關(guān)聯(lián)，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(hù)需求進(jìn)行一致性及覆蓋性檢驗，并對需求模型進(jìn)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(jìn)行追溯管理；最后的驗證回路，對設計中的優(yōu)化和仿真結果是否滿(mǎn)足總體需求進(jìn)行驗證。設計人員可以使用這４個(gè)設計回路進(jìn)行反復迭代，直到所有的設計模型保持一致并覆蓋了需求。
２ 車(chē)門(mén)控制系統的實(shí)例應用
下面將以動(dòng)車(chē)組車(chē)門(mén)控制系統為案例（在建模過(guò)程中，車(chē)門(mén)簡(jiǎn)稱(chēng)為門(mén)，指動(dòng)車(chē)組外門(mén)）進(jìn)行MBSE過(guò)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(shí)，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(jìn)行捕獲和分解。按不同側重點(diǎn)，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(guò)程中不清晰的期望和要求等、轉換成需要解決的具體問(wèn)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(lái)自用戶(hù)的使用要求、成本約束、研制周期約束及各利益相關(guān)方的期望等。
實(shí)例中的需求來(lái)自某型動(dòng)車(chē)組的《車(chē)門(mén)控制系統接口與功能需求規范》。通過(guò)對需求規范的初步理解，并參考相關(guān)行業(yè)標準和技術(shù)條件，可以整理出車(chē)門(mén)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(diǎn)的連線(xiàn)表現了低層級需求和高層級需求間的組成／分解關(guān)系，所有需求的定義和詳述都被包括在“車(chē)門(mén)控制系統接口與功能需求規范”包中。
圖３ 車(chē)門(mén)控制系統的頂層需求圖
車(chē)門(mén)控制系統的基本功能需求并非是一個(gè)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(shí)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(lèi)進(jìn)行劃分整理，得到條目化需求。劃分整理的原則為１個(gè)敘述規范的需求條目描述１個(gè)待解決的問(wèn)題或１個(gè)單一的約束。需求條目間也存在著(zhù)層級關(guān)系，并可以建立如分解、細化、擴展等關(guān)聯(lián)關(guān)系，以維護需求間的追溯關(guān)系?！伴T(mén)動(dòng)作執行功能”的條目化需求示例見(jiàn)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(guān)系。需求圖不是對條目化需求的簡(jiǎn)單重復，而是通過(guò)這種形式使需求的分解、歸類(lèi)和追溯關(guān)系更具有可視性，便于使用用例圖等對需求進(jìn)行具體的建模。門(mén)動(dòng)作執行功能的本地控制需求圖如圖４所示。對門(mén)的打開(kāi)、門(mén)的關(guān)閉及門(mén)的隔離這３大需求進(jìn)行分析，并為滿(mǎn)足系統的安全性和一些新的需求被派生出來(lái)。例如，實(shí)現“門(mén)的打開(kāi)”需求時(shí)，除需考慮通過(guò)速度信號判別“門(mén)打開(kāi)”有效和無(wú)效的需求，還需根據門(mén)的狀態(tài)和行為考慮音響報警裝置和按鈕激活與發(fā)光的需求。
圖４ 門(mén)動(dòng)作執行功能的需求圖
2．1．2 用例模型
在SysML語(yǔ)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(shí)用例，并建立用例與需求、行為、物理結構間的關(guān)聯(lián)。每個(gè)用例從系統用戶(hù)的角度描述了系統的１個(gè)交互動(dòng)作，明確了系統的目標功能。
將圖４中門(mén)動(dòng)作執行功能下的各個(gè)需求按照系統交互動(dòng)作的層次，使用如圖５所示用例圖中的用例一一實(shí)現。從圖５可以看出：該用例圖描繪了本地對車(chē)門(mén)所有可能的控制場(chǎng)景，對車(chē)門(mén)的控制由乘務(wù)員或乘客通過(guò)本地門(mén)控進(jìn)行，因此創(chuàng )建本地門(mén)控作為各項控制行為的用戶(hù)，建立了３個(gè)基本的系統目標級用例及其子用例和分支用例。
圖５ 門(mén)動(dòng)作執行功能的目標級用例圖
圖５中的各個(gè)用例是為滿(mǎn)足圖４中的需求及其派生需求所進(jìn)行的具體動(dòng)作，即目標級的用例，如“門(mén)打開(kāi)”用例對應圖４中“門(mén)的打開(kāi)”需求等。針對其中的“門(mén)打開(kāi)”這一目標級用例進(jìn)行細化，將分解出具體的“任務(wù)級”用例，如圖６所示。在這個(gè)過(guò)程中，圖４的各項需求下的細節描述將被具象化為任務(wù)級用例加入進(jìn)來(lái)，如“門(mén)隔離監測”、“開(kāi)到位信號監測”、“速度監測”和“門(mén)控供電監測”等。而針對一輛設計中的真實(shí)動(dòng)車(chē)組，將獲取“門(mén)打開(kāi)”用例在具體應用場(chǎng)景下的變體，即“開(kāi)左門(mén)”或“開(kāi)右門(mén)”，而針對“門(mén)隔離監測”和“開(kāi)到位信號監測”，也有考慮真實(shí)車(chē)門(mén)拓撲的相應變體與之對應。
圖６ “門(mén)打開(kāi)”用例的任務(wù)級用例圖
用例幫助設計者理解實(shí)現“門(mén)的打開(kāi)”過(guò)程中所涉及的一些輔助功能，包括對門(mén)狀態(tài)的檢測、不同控制命令下門(mén)的響應以及蜂鳴器的響應；用例間的關(guān)聯(lián)關(guān)系體現了用例實(shí)現、細化的路徑；每個(gè)用例僅代表了系統的任務(wù)，而實(shí)現這個(gè)任務(wù)時(shí)系統所執行的具體控制、機械或電氣行為，將在后續設計過(guò)程中由活動(dòng)圖，序列圖或狀態(tài)機圖進(jìn)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(wù)目標所需要的全部功能的集合及功能之間的邏輯關(guān)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(guò)程中，只描述了用例中行為的發(fā)起者和參與者，而將系統的任務(wù)作為１個(gè)黑盒。而在細化用例時(shí)，則可以使用狀態(tài)圖分析系統組件在特定的工作場(chǎng)景中所有的可能狀態(tài)及其遷移情況；使用活動(dòng)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(dòng)態(tài)的交互。
2．2．1 門(mén)的狀態(tài)分析
對單個(gè)門(mén)工作時(shí)可能存在的狀態(tài)及狀態(tài)間的轉換規則和過(guò)程進(jìn)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(shí)現的邏輯結構?！伴T(mén)的狀態(tài)”的狀態(tài)機如圖７所示。從圖７可以看出：車(chē)門(mén)在通電時(shí)進(jìn)入受控狀態(tài)，通過(guò)對圖４中詳細需求的分類(lèi)和總結，定義了門(mén)的５個(gè)可能的狀態(tài)，并對這些狀態(tài)之間可能的轉換規則和過(guò)程進(jìn)行分析?！翱煽刂啤焙汀案綦x”是相對的２個(gè)狀態(tài)，門(mén)可以在“可控制”時(shí)進(jìn)入到其他任意狀態(tài)，并可以從除了“開(kāi)到位”之外的任意狀態(tài)轉換到“隔離”狀態(tài)，在該狀態(tài)下無(wú)法對車(chē)門(mén)執行任何操作，僅當隔離開(kāi)關(guān)解除后，車(chē)門(mén)才能回到可控制狀態(tài)；車(chē)門(mén)控制系統通過(guò)“門(mén)打開(kāi)”和“門(mén)關(guān)閉”操作進(jìn)行門(mén)的“開(kāi)到位”狀態(tài)和“關(guān)到位”狀態(tài)之間的切換，每當進(jìn)入到這２個(gè)狀態(tài)時(shí)，都要向系統的中央控制單元發(fā)送“開(kāi)到位”或“關(guān)到位”的信號；當車(chē)速大于15km·h-1或有人為操作時(shí)，會(huì )觸發(fā)門(mén)的閉鎖，使其進(jìn)入閉鎖狀態(tài)，且無(wú)法直接對處于閉鎖狀態(tài)的車(chē)門(mén)執行開(kāi)門(mén)操作，需要滿(mǎn)足一定條件（速度小于5km·h-1或人為操作）才能解除閉鎖并轉換到其它狀態(tài)。
圖７ “門(mén)的狀態(tài)”的狀態(tài)機圖
圖７只對單個(gè)車(chē)門(mén)受控時(shí)的正常工況變化進(jìn)行了描述，由于篇幅有限，未對車(chē)門(mén)故障工況進(jìn)行描述。
2．2．2 功能實(shí)現過(guò)程
在SysML語(yǔ)言中，使用活動(dòng)圖對真實(shí)系統動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行建模。如圖８所示的活動(dòng)圖對圖６中“開(kāi)左門(mén)”任務(wù)的控制過(guò)程進(jìn)行分解，該過(guò)程就是對“門(mén)打開(kāi)”用例的行為進(jìn)行設計。結合圖７中對門(mén)各種狀態(tài)間的轉換，可知“開(kāi)到位”狀態(tài)只能從“關(guān)到位”和“可控制”狀態(tài)轉換而來(lái)，因此除了對“開(kāi)左門(mén)”命令本身進(jìn)行合法性驗證外，還應判斷門(mén)是否處于“隔離”或“閉鎖”狀態(tài)，即圖６中的“門(mén)隔離監測”、“速度監測”和“門(mén)控供電監測”，而最終呈現的活動(dòng)圖則體現了“開(kāi)左門(mén)”這一控制任務(wù)的邏輯設計結果。
圖８ 對“開(kāi)左門(mén)”任務(wù)控制過(guò)程分解活動(dòng)圖
2．2．3 任務(wù)細化
雖然圖８所示的活動(dòng)圖建立了對“開(kāi)左門(mén)”任務(wù)控制過(guò)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(kāi)左門(mén)過(guò)程：門(mén)打開(kāi)過(guò)程”這一活動(dòng)，可用如圖９所示的“門(mén)打開(kāi)過(guò)程”活動(dòng)圖描述其具體執行過(guò)程中“開(kāi)到位檢測”、“蜂鳴器發(fā)聲”和“指示燈激活”的活動(dòng)。這種分層次建模方式的一個(gè)優(yōu)勢是利用SysML語(yǔ)言的層次化多視圖特性，允許設計者對每個(gè)任務(wù)做進(jìn)一步的細化；另一個(gè)優(yōu)勢是可以利用SysML語(yǔ)言的面向對象特征，即無(wú)論是“開(kāi)左門(mén)”還是“開(kāi)右門(mén)”任務(wù)，都涉及受控門(mén)的“門(mén)打開(kāi)過(guò)程”活動(dòng)的執行。將“門(mén)打開(kāi)過(guò)程”建立為獨立的模型，就可以在不同的門(mén)打開(kāi)任務(wù)模型中直接復用，而不必對同樣的過(guò)程進(jìn)行重復建模。
圖９ “門(mén)打開(kāi)過(guò)程”活動(dòng)圖
序列圖可以從系統各個(gè)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(dòng)進(jìn)行細化，其中消息指系統內各個(gè)組件上服務(wù)的調用或信號的發(fā)送。針對圖9所示的3個(gè)活動(dòng)中的“蜂鳴器發(fā)聲過(guò)程”建立如圖10所示的序列圖。通過(guò)對消息流的分析和動(dòng)車(chē)組控制及網(wǎng)絡(luò )系統的拓撲需求，把動(dòng)車(chē)組的車(chē)門(mén)控制系統分成３個(gè)層級：車(chē)輛級車(chē)門(mén)控制單元（由中央控制單元負責）、車(chē)廂級車(chē)門(mén)控制單元（由各車(chē)廂的主車(chē)門(mén)控制單元負責）和門(mén)控器。它們之間的消息傳遞由MVB總線(xiàn)和CAN總線(xiàn)實(shí)現，并由門(mén)控器最終驅動(dòng)執行機構（蜂鳴器）實(shí)現“蜂鳴器發(fā)聲”這一活動(dòng)。
圖10 “蜂鳴器發(fā)聲過(guò)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(gè)步驟是為系統的行為建立系統的物理實(shí)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(huán)境或子系統各模塊與外部總線(xiàn)和環(huán)境之間的電氣連接、物理關(guān)聯(lián)和信號傳輸等。
總結之前在需求細化和功能分解部分對動(dòng)車(chē)組車(chē)門(mén)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(dòng)控制單元（BCU）、中央控制單元（CCU）、車(chē)門(mén)及網(wǎng)絡(luò )系統等子系統共同完成了對車(chē)門(mén)的控制，而這些子系統又分別包含不同的內部組件。
圖11 動(dòng)車(chē)組車(chē)門(mén)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(dòng)車(chē)組單個(gè)車(chē)門(mén)的門(mén)控器、主車(chē)門(mén)控制單元與CCU 這3級門(mén)控系統的通信接口的具體描述，如圖12所示。
圖12 門(mén)控器、主車(chē)門(mén)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(dòng)車(chē)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(gè)設計階段；同時(shí)在這３個(gè)設計階段間規劃了４條設計回路，將各個(gè)設計階段進(jìn)行有機關(guān)聯(lián)。
（２）研究了SysML語(yǔ)言對動(dòng)車(chē)組設計MBSE方法的支持，根據所提出的基于MBSE的動(dòng)車(chē)組設計方法，以某型動(dòng)車(chē)組車(chē)門(mén)控制系統為例，在對其進(jìn)行任務(wù)分析和設計的基礎上，使用SysML語(yǔ)言的９種視圖構建了車(chē)門(mén)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(guān)的體現設計信息，并具有可重用性。模型間的關(guān)聯(lián)，如需求與用例的關(guān)聯(lián)，任務(wù)與任務(wù)細化模型的關(guān)聯(lián)等，保證了整個(gè)設計過(guò)程中信息的可追溯性，并幫助設計者優(yōu)化現有設計迭代過(guò)程。通過(guò)對車(chē)門(mén)控制系統的設計進(jìn)行較全面地描述，論證了基于SysML語(yǔ)言的MBSE方法在動(dòng)車(chē)組設計中的適用性。
（３）在未來(lái)的研究中，將繼續在其他動(dòng)車(chē)組子系統開(kāi)發(fā)任務(wù)中探索和實(shí)踐MBSE方法，特別是研究４條設計回路間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)方式，使得每個(gè)設計階段的設計結果既能正向驅動(dòng)下一階段的設計，又能逆向反饋到前一階段，以促進(jìn)設計的迭代更新；使用本領(lǐng)域的通用設計知識對SysML語(yǔ)言進(jìn)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(jiǎn)化設計者的建模操作；針對動(dòng)車(chē)組系統設計的性能驗證，還將研究動(dòng)車(chē)組設計SysML模型與本領(lǐng)域內仿真平臺的集成。
參考文獻
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作者介紹：
作者包括張世聰，陳波，張曉晉，王保民，由于公眾號對作者姓名長(cháng)度的限制，因此只保留了第一作者。在此，對本文作者一并表示感謝。
張世聰（1985—），男，吉林長(cháng)春人，博士研究生。
本文的發(fā)布得到作者授權。局部有刪節。
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