摘要：为解决传统的基于文本的系统工程方法在进行动车组设计时前后信息不一致、 版本错误和可读性差等问题 ，采用基于模型的系统工程 （MBSE）研究适用于动车组的设计方法，并以某型动车组车门控制系统为例进行适用性分析。结果表明 ：基于MBSE的动车组设计方法包括需求分析、功能分解 、系统架构生成３个设计阶段，以及对各设计阶段进行关联的４条设计回路；基于SysML语言构建车门控制系统的需求和用例模型、功能模型及逻辑和物理架构模型，建立各模型间的关联关系，论证了所提出的设计方法适用于动车组的设计任务；提出的设计方案既能有效支持动车组内部的设计过程表达，又能保证不同需求、功能、结构和行为模型间的关联性和一致性，并可对设计结果进行追溯，帮助设计者优化现有设计迭代过程。

动车组的整车设计具有系统复杂 、研发周期长、人力和资金投入多、对安全性和可靠性要求严格等特点，因此需要利用系统工程方法来实现 。目前传统的基于文本的系统工程方法进行动车组设计时经常会出现前后信息不一致 、版本错误和可读性差等问题，导致设计成本的增加乃至重大安全隐患，因此亟需一种新的设计方法 。

基于模型的系统工程（Model Based System Engineering,MBSE）是一种使用模型表达设计的系统工程方法。国外的一些大型公司和学术机构经过探索和实践，面向不同的工业领域并应用不同的建模语言、工具和流程，提出多种MBSE方法，如Harmony-SE方法，面向对象的系统工程方法（Object-Oriented Systems Engineering Method,OOSEM）等。目前基于模型的系统工程概念已被工业界所接受，并成功应用于航天、汽车等领域。并且，为了对MBSE进行更好的支持，国际系统工程学会（International Council of Systems Engineering,INCOSE）和对象管理组织（Object Management Gruop,OMG）联合开发了系统建模语言SysML，它是一种统一的、可扩展的、易于理解的系统工程通用建模语言。目前，国外的主机厂如阿尔斯通和庞巴迪等已开始探索MBSE在铁道机车车辆设计领域的应用，而在国内还未有应用MBSE和使用SysML进行动车组整车和子系统建模分析的研究。

1 基于MBSE的动车组设计过程

　　基于MBSE的动车组设计过程包括总体需求分析、子系统需求细化与功能分解和架构生成３个设计阶段，在设计过程中使用模型以保证系统需求、设计、分析和验证信息之间的可追踪性，前期模型能够推动后续的设计细化，而后续模型又能对前期的设计结果进行验证。基于MBSE的动车组设计过程如图１所示。

图１　基于MBSE的动车组设计过程

第１阶段：总体需求分析阶段。基于领域知识、经验及各专业设计人员间的有效沟通，将需求文本整理为规范的条目化需求，并利用需求图、用例图和包图分析需执行的任务和运用环境，识别功能需求，把用户需求和外部约束转换成系统需求，据此建立系统的需求和用例模型。

第２阶段：子系统需求细化和功能分解阶段。在系统的总体需求确定后，进行各个子系统内部的需求细化和功能分解。系统总体用例图中的每个用例体现了１个系统功能需求，分系统先在总体需求模型中挑选各自领域相关的功能需求。使用序列图、活动图、状态机图分析各子系统中的系统行为、执行过程和设备状态。

第３阶段：架构生成阶段。架构生成即定义逻辑结构并确定相应的物理架构。包括使用块定义图描述系统组件和结构；使用内部块图定义系统／子系统间的物理接口和配置方案，如设备连接结构、网络结构和电气结构等。系统逻辑和物理结构的确定，可以逆向修正和帮助进一步分析系统功能模型。同时，可以为系统选定测试用例，使用块定义图定义系统的约束条件，用参数图定义仿真和验证参数，对系统进行性能验证。目前，通用建模工具软件支持在系统模型中进行一定程度的动态验证，也可使用模型转换的方法将系统设计模型与仿真平台进行集成并验证。

从图１还可以看出：基于MBSE的动车组设计方法中的３个阶段由４个设计回路进行关联，它们分别是总体需求回路，即用建立的需求和用例模型对用户需求进行一致性及覆盖性检验，并对需求模型进行迭代修改；总体—分系统需求回路，是在上级系统和下一层的设计间的跟踪反馈；分系统设计回路，对分系统自身的功能逻辑进行追溯管理；最后的验证回路，对设计中的优化和仿真结果是否满足总体需求进行验证。设计人员可以使用这４个设计回路进行反复迭代，直到所有的设计模型保持一致并覆盖了需求。

２ 车门控制系统的实例应用

下面将以动车组车门控制系统为案例（在建模过程中，车门简称为门，指动车组外门）进行MBSE过程的示范和SysML模型的示例。

2.1 总体需求分析：需求和用例模型

2.1.1 需求模型

不同于传统的系统工程方法，设计者应用MBSE方法时，使用条目化需求和需求图建立需求模型，对系统顶层需求进行捕获和分解。按不同侧重点，可将需求分为功能需求、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。需求模型用于将系统设计过程中不清晰的期望和要求等、转换成需要解决的具体问题，用于指导设计。对应于系统的不同层次，需求模型分为不同的层级结构，最顶层的需求来自用户的使用要求、成本约束、研制周期约束及各利益相关方的期望等。

实例中的需求来自某型动车组的《车门控制系统接口与功能需求规范》。通过对需求规范的初步理解，并参考相关行业标准和技术条件，可以整理出车门控制系统的顶层需求图如图３所示。在需求模型中，带十字圆形端点的连线表现了低层级需求和高层级需求间的组成／分解关系，所有需求的定义和详述都被包括在“车门控制系统接口与功能需求规范”包中。

图３ 车门控制系统的顶层需求图

车门控制系统的基本功能需求并非是一个全新的原始设计，所给出的需求规范包括对部分功能行为逻辑和物理实现方案的具体描述。对这些详细的具体需求，按照系统需求的层次和分类进行划分整理，得到条目化需求。划分整理的原则为１个叙述规范的需求条目描述１个待解决的问题或１个单一的约束。需求条目间也存在着层级关系，并可以建立如分解、细化、扩展等关联关系，以维护需求间的追溯关系。“门动作执行功能”的条目化需求示例见表１。

表１　条目化需求示例

之后，使用需求图建立需求间的细化层级关系。需求图不是对条目化需求的简单重复，而是通过这种形式使需求的分解、归类和追溯关系更具有可视性，便于使用用例图等对需求进行具体的建模。门动作执行功能的本地控制需求图如图４所示。对门的打开、门的关闭及门的隔离这３大需求进行分析，并为满足系统的安全性和一些新的需求被派生出来。例如，实现“门的打开”需求时，除需考虑通过速度信号判别“门打开”有效和无效的需求，还需根据门的状态和行为考虑音响报警装置和按钮激活与发光的需求。

图４ 门动作执行功能的需求图

2.1.2 用例模型

在SysML语言中，采用用例图可以从面向对象的角度，将文本化的需求描述具象化为系统的若干现实用例，并建立用例与需求、行为、物理结构间的关联。每个用例从系统用户的角度描述了系统的１个交互动作，明确了系统的目标功能。

将图４中门动作执行功能下的各个需求按照系统交互动作的层次，使用如图５所示用例图中的用例一一实现。从图５可以看出：该用例图描绘了本地对车门所有可能的控制场景，对车门的控制由乘务员或乘客通过本地门控进行，因此创建本地门控作为各项控制行为的用户，建立了３个基本的系统目标级用例及其子用例和分支用例。

图５ 门动作执行功能的目标级用例图

图５中的各个用例是为满足图４中的需求及其派生需求所进行的具体动作，即目标级的用例，如“门打开”用例对应图４中“门的打开”需求等。针对其中的“门打开”这一目标级用例进行细化，将分解出具体的“任务级”用例，如图６所示。在这个过程中，图４的各项需求下的细节描述将被具象化为任务级用例加入进来，如“门隔离监测”、“开到位信号监测”、“速度监测”和“门控供电监测”等。而针对一辆设计中的真实动车组，将获取“门打开”用例在具体应用场景下的变体，即“开左门”或“开右门”，而针对“门隔离监测”和“开到位信号监测”，也有考虑真实车门拓扑的相应变体与之对应。

图６ “门打开”用例的任务级用例图

用例帮助设计者理解实现“门的打开”过程中所涉及的一些辅助功能，包括对门状态的检测、不同控制命令下门的响应以及蜂鸣器的响应；用例间的关联关系体现了用例实现、细化的路径；每个用例仅代表了系统的任务，而实现这个任务时系统所执行的具体控制、机械或电气行为，将在后续设计过程中由活动图，序列图或状态机图进一步阐述。

2.2 需求细化和功能分解：功能模型

功能模型是指系统完成既定任务目标所需要的全部功能的集合及功能之间的逻辑关系，用于指导系统逻辑架构的生成。在使用需求和用例模型对需求的分解过程中，只描述了用例中行为的发起者和参与者，而将系统的任务作为１个黑盒。而在细化用例时，则可以使用状态图分析系统组件在特定的工作场景中所有的可能状态及其迁移情况；使用活动图详细描述系统执行功能的控制流程；使用用列图描述系统中各模块之间动态的交互。

2.2.1 门的状态分析

对单个门工作时可能存在的状态及状态间的转换规则和过程进行分析，将帮助设计者理解系统的行为，并设计出能使控制功能实现的逻辑结构。“门的状态”的状态机如图７所示。从图７可以看出：车门在通电时进入受控状态，通过对图４中详细需求的分类和总结，定义了门的５个可能的状态，并对这些状态之间可能的转换规则和过程进行分析。“可控制”和“隔离”是相对的２个状态，门可以在“可控制”时进入到其他任意状态，并可以从除了“开到位”之外的任意状态转换到“隔离”状态，在该状态下无法对车门执行任何操作，仅当隔离开关解除后，车门才能回到可控制状态；车门控制系统通过“门打开”和“门关闭”操作进行门的“开到位”状态和“关到位”状态之间的切换，每当进入到这２个状态时，都要向系统的中央控制单元发送“开到位”或“关到位”的信号；当车速大于15km·h-1或有人为操作时，会触发门的闭锁，使其进入闭锁状态，且无法直接对处于闭锁状态的车门执行开门操作，需要满足一定条件（速度小于5km·h-1或人为操作）才能解除闭锁并转换到其它状态。

图７　“门的状态”的状态机图

图７只对单个车门受控时的正常工况变化进行了描述，由于篇幅有限，未对车门故障工况进行描述。

2.2.2 功能实现过程

在SysML语言中，使用活动图对真实系统动态行为进行建模。如图８所示的活动图对图６中“开左门”任务的控制过程进行分解，该过程就是对“门打开”用例的行为进行设计。结合图７中对门各种状态间的转换，可知“开到位”状态只能从“关到位”和“可控制”状态转换而来，因此除了对“开左门”命令本身进行合法性验证外，还应判断门是否处于“隔离”或“闭锁”状态，即图６中的“门隔离监测”、“速度监测”和“门控供电监测”，而最终呈现的活动图则体现了“开左门”这一控制任务的逻辑设计结果。

图８　对“开左门”任务控制过程分解活动图

2.2.3 任务细化

虽然图８所示的活动图建立了对“开左门”任务控制过程的分解，但依然是在粗粒度上对系统行为的描述。对其中的“执行开左门过程：门打开过程”这一活动，可用如图９所示的“门打开过程”活动图描述其具体执行过程中“开到位检测”、“蜂鸣器发声”和“指示灯激活”的活动。这种分层次建模方式的一个优势是利用SysML语言的层次化多视图特性，允许设计者对每个任务做进一步的细化；另一个优势是可以利用SysML语言的面向对象特征，即无论是“开左门”还是“开右门”任务，都涉及受控门的“门打开过程”活动的执行。将“门打开过程”建立为独立的模型，就可以在不同的门打开任务模型中直接复用，而不必对同样的过程进行重复建模。

图９　“门打开过程”活动图

序列图可以从系统各个模块之间消息传递的交互及序列的角度对系统的某一活动进行细化，其中消息指系统内各个组件上服务的调用或信号的发送。针对图9所示的3个活动中的“蜂鸣器发声过程”建立如图10所示的序列图。通过对消息流的分析和动车组控制及网络系统的拓扑需求，把动车组的车门控制系统分成３个层级：车辆级车门控制单元（由中央控制单元负责）、车厢级车门控制单元（由各车厢的主车门控制单元负责）和门控器。它们之间的消息传递由MVB总线和CAN总线实现，并由门控器最终驱动执行机构（蜂鸣器）实现“蜂鸣器发声”这一活动。

图10　“蜂鸣器发声过程”序列图

2.3 架构生成：逻辑和物理架构模型

功能模型确定了系统的行为，而系统设计的最后1个步骤是为系统的行为建立系统的物理实现模块、模块间的逻辑结构和模块间交互所需的接口。块定义图可用于定义系统自身物理组成、逻辑结构及接口；内部块图则用于描述系统与外部环境或子系统各模块与外部总线和环境之间的电气连接、物理关联和信号传输等。

总结之前在需求细化和功能分解部分对动车组车门控制系统及其子系统的分析，其物理结构块定义图如图11所示。从图11可以看出：司机控制台、制动控制单元（BCU）、中央控制单元（CCU）、车门及网络系统等子系统共同完成了对车门的控制，而这些子系统又分别包含不同的内部组件。

图11　动车组车门控制系统物理结构的块定义图

在对图10分析的基础上，可以给出动车组单个车门的门控器、主车门控制单元与CCU 这3级门控系统的通信接口的具体描述，如图12所示。

图12　门控器、主车门控制单元与CCU 的通信接口内部块图

3 结论及展望

（1）基于MBSE的动车组设计方法，主要包括需求分析、功能分解、系统架构生成３个设计阶段；同时在这３个设计阶段间规划了４条设计回路，将各个设计阶段进行有机关联。

（２）研究了SysML语言对动车组设计MBSE方法的支持，根据所提出的基于MBSE的动车组设计方法，以某型动车组车门控制系统为例，在对其进行任务分析和设计的基础上，使用SysML语言的９种视图构建了车门控制系统的需求和用例模型、功能模型及逻辑和物理架构模型。建立的SysML模型能够以图形化的方式直观的体现设计信息，并具有可重用性。模型间的关联，如需求与用例的关联，任务与任务细化模型的关联等，保证了整个设计过程中信息的可追溯性，并帮助设计者优化现有设计迭代过程。通过对车门控制系统的设计进行较全面地描述，论证了基于SysML语言的MBSE方法在动车组设计中的适用性。

（３）在未来的研究中，将继续在其他动车组子系统开发任务中探索和实践MBSE方法，特别是研究４条设计回路间的动态关联方式，使得每个设计阶段的设计结果既能正向驱动下一阶段的设计，又能逆向反馈到前一阶段，以促进设计的迭代更新；使用本领域的通用设计知识对SysML语言进行扩展和建设模型库，加强建模元素的易用性和可重用性以简化设计者的建模操作；针对动车组系统设计的性能验证，还将研究动车组设计SysML模型与本领域内仿真平台的集成。

参考文献

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