基于MBSE的動車組整車邏輯研究方法及應(yīng)用

王保民，陳 波，張世聰

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學 汽車與交通學院，天津 300222；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

動車組整車邏輯作為動車組整車控制與故障診斷的規(guī)范要求，是實現(xiàn)動車組軟硬件平臺以及互聯(lián)互通互控簡統(tǒng)化和標準化的基礎(chǔ)，是確保動車組高效運行與安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于動車組整車邏輯涉及面廣，僅依靠經(jīng)驗和自然語言制定的系統(tǒng)需求規(guī)范容易存在邏輯關(guān)系表達不直觀、維護成本較高、故障追蹤困難、設(shè)計變更難以管理、參與人員理解易存在歧義等問題。系統(tǒng)工程的發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)、復雜和復雜組織體系統(tǒng)工程3個階段［1］。為了適應(yīng)設(shè)計問題中顯著增長的系統(tǒng)規(guī)模化和復雜性，基于模型的系統(tǒng)工程（MB?SE）應(yīng)運而生［2］。在《中國制造2025》中將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、直接數(shù)字制造技術(shù)和MBSE 稱作是未來制造業(yè)的三大典型特點。綜合分析相關(guān)中英文資料的定義和解釋［3-4］，將MBSE 理解為一種標準實踐，是建模方法的一種形式化表達，是為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（TSE）中暴露出的問題，以邏輯上具有一致性的多角度系統(tǒng)模型為橋梁和框架，實現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨學科模型的可追溯、可驗證和動態(tài)關(guān)聯(lián)性，從而推動貫穿于從系統(tǒng)設(shè)計概念方案和產(chǎn)品研制、到后期維護和報廢的人工系統(tǒng)全生命期內(nèi)的系統(tǒng)工程過程和活動［5-6］。

本文將MBSE 應(yīng)用到動車組整車邏輯的研究中，建模語言、建模工具和建模方法是進行動車組整車邏輯研究的實施基礎(chǔ)［7-8］，因此研究適合動車組整車邏輯的實施基礎(chǔ)，針對建模方法，提出橫向包括業(yè)務(wù)層、功能層、架構(gòu)層和物理層4個抽象層次的適應(yīng)于動車組整車邏輯研究的OFAP（Opera?tional，F(xiàn)unctional，Architecture，Physical）方法，并著重分析該方法的實施過程。

1 基于MBSE的動車組整車邏輯實施基礎(chǔ)

1.1 建模語言

在MBSE 應(yīng)用時，首要基礎(chǔ)為一套符合行業(yè)的建模規(guī)范，稱之為建模語言?？梢暬y(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是面向?qū)ο蟮臉藴驶ＵZ言［9］。為了使得UML 更加適合系統(tǒng)工程領(lǐng)域的建模，專門為此成立了研究機構(gòu)，該機構(gòu)經(jīng)過多年研究定義了一種基于UML2.0 版本的系統(tǒng)建模語言SysML，其針對UML 的不足進行專門擴展，更好地支持MBSE方法。

SysML 是一種通用的針對復雜裝備系統(tǒng)工程應(yīng)用的建模語言［10-11］，它可以支持包含硬件、軟件、信息、制造等多領(lǐng)域系統(tǒng)的描述、設(shè)計、分析、驗證等。在此，采用SysML 建模語言開展動車組整車邏輯的研究工作。

1.2 建模工具

除了建模語言之外，在實施MBSE 過程中的另一個重要基礎(chǔ)是建模工具。與以往的繪圖工具不同，系統(tǒng)工程師使用建模工具時，不須對圖中的相同元素進行逐一修改，只須利用創(chuàng)建的模型修改某圖中的元素，使該元素的底層模型隨之改變，同時其他圖中的相同元素也全部隨之改變，確保模型的唯一性。

目前支持SysML 的建模工具有很多，典型的建模工具和開發(fā)機構(gòu)以及應(yīng)用公司等見表1。

表1 支持SysML的建模工具相關(guān)要素比較

No Magic 公司的MBSE 產(chǎn)品快速增長，除得益于MBSE 在全世界各個行業(yè)推廣實施的快速發(fā)展外，還得益于其產(chǎn)品強大的功能、良好的易用性和合理的實施成本；更重要的一點，No Magic 公司及其核心團隊成員深入?yún)⑴cSysML 等標準的研發(fā)，使得其產(chǎn)品和標準具有天然的符合性，甚至在標準尚未正式發(fā)布之前，其產(chǎn)品就已實現(xiàn)。

結(jié)合以上分析并借鑒國外軌道交通企業(yè)的使用經(jīng)驗，采用No Magic 公司開發(fā)的MagicDraw 作為動車組整車邏輯研究的建模工具。

1.3 建模方法

選擇一種建模語言是應(yīng)用MBSE 方法的第1步，其后是采用合適的建模工具，最后采取合適的建模方法是實施MBSE 的重要組成部分。建模方法相當于路線圖，可以確保團隊中的所有人都一致地以相同的廣度、深度和準確度構(gòu)建模型，包括但不限于系統(tǒng)的外部環(huán)境有多少需要建模、系統(tǒng)的哪些部分需要建模、模型的細節(jié)精細程度、哪些細節(jié)可以忽略，留給開發(fā)團隊在實施的時候細化。

國內(nèi)外MBSE 領(lǐng)域的公司和研究機構(gòu)在產(chǎn)品開發(fā)過程中，經(jīng)過多年的積累形成了各具自身特色的研制過程方法［12］，針對不同的工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用不同的建模語言、工具和流程，提出諸多MBSE方法，如：Harmony 方法［13］、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)方法（Object-Oriented Systems Engineering Method，OOSEM）［14-15］、統(tǒng)一開發(fā)過程（Rational Unified Process，RUP）方法、Vitech MBSE方法［16］、對象過程方法（Object-Process Methodology，OPM）、系統(tǒng)建模過程（Systems Modeling Process，SYS?MOD）方法［17-18］和No Magic 公司的Magic Grid方法等。

MBSE方法與企業(yè)和領(lǐng)域的實施應(yīng)用場景密切相關(guān)，一般都需要與實際業(yè)務(wù)和專業(yè)領(lǐng)域結(jié)合進行定制。為方便動車組整車邏輯研究過程中的各領(lǐng)域/專業(yè)間設(shè)計信息共享和追溯，在學習和吸收眾多經(jīng)典MBSE 方法的基礎(chǔ)上，基于動車組整車邏輯的領(lǐng)域特點，對MBSE 方法進行了適應(yīng)性剪裁和改進，提出適應(yīng)于動車組整車邏輯的OFAP方法。

動車組整車邏輯的OFAP 建模過程如圖1 所示。從圖1 可以看出：橫向分業(yè)務(wù)層（O）、功能層（F）、架構(gòu)層（A）、物理層（P）4 個抽象層次，縱向的左側(cè)為靜態(tài)模型右側(cè)為動態(tài)模型；橫向從上至下是不斷細化的過程：黑盒→灰盒→白盒，即從業(yè)務(wù)層、功能層至架構(gòu)層和物理層的具體實現(xiàn)；縱向從動車組的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為2 個方面進行系統(tǒng)分析，采用業(yè)務(wù)、功能、架構(gòu)、物理分析靜態(tài)的結(jié)構(gòu)組成，采用用例、功能交互與分解、架構(gòu)交互與分解、物理交互與分解實現(xiàn)動態(tài)行為的分析。

圖1 基于MBSE的動車組整車邏輯建模過程

OFAP 各層使用的模型見表2。OFAP 各層主要開展的工作如下：O 層從利益相關(guān)者分析開始，采用查閱資料、現(xiàn)場調(diào)研、專家咨詢、頭腦風暴等方法，在輸入、資源、限制、輸出4個維度上對可能的利益相關(guān)者進行梳理，再利用聚類分析、層次分析等手段對利益相關(guān)者進行剔除和精化。獲得利益相關(guān)者后，通過對各利益相關(guān)者的行為進行窮舉描述和綜合分析，并考慮動車組不同生命周期階段的需求，從而獲取動車組整車邏輯系統(tǒng)的用戶需求，且以條目化表格和SysML 需求圖的形式描述用戶需求。再對需求進行進一步的精化處理，得出動車組整車邏輯系統(tǒng)的用例，同樣以SysML 用例圖或表格的形式進行描述。

表2 各層使用的模型圖

F 層從系統(tǒng)用例分析開始，采用SysML 的活動圖，針對每個用例進行分析，根據(jù)動車組整車邏輯領(lǐng)域知識確定頂層系統(tǒng)功能。針對每個頂層系統(tǒng)功能，采用SysML 行為圖（活動圖、序列圖和狀態(tài)機圖）識別出該用例的所有可能的執(zhí)行場景，每個執(zhí)行場景由一系列有順序邏輯關(guān)系的活動組成，1個活動代表1個功能。根據(jù)功能分析的粒度要求，從頂層功能開始進行層層分解，獲得系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu)，以功能分解結(jié)構(gòu)（Function Breakdown Sys?tem，F(xiàn)BS）進行描述。功能間的層級關(guān)系以Sys?ML 的模塊定義圖進行描述，功能間的交互關(guān)系以SysML的活動圖進行描述。

A層以動車組整車邏輯系統(tǒng)的功能架構(gòu)作為輸入，采用分配泳道、分配矩陣等方法，在動車組整車邏輯領(lǐng)域知識的支持下，結(jié)合已有的整車邏輯系統(tǒng)架構(gòu)，將系統(tǒng)的功能分配到其架構(gòu)中。采用Sys?ML 的模塊定義圖和內(nèi)部模塊圖表示組成構(gòu)件，獲得動車組整車邏輯系統(tǒng)的架構(gòu)，以系統(tǒng)分解結(jié)構(gòu)（System Breakdown Structure，SBS）進行描述。

P 層以動車組整車邏輯系統(tǒng)的架構(gòu)作為輸入，通過為每個組成構(gòu)件查找、分配可能合適的物理組件，并采用SysML 的模塊定義圖和內(nèi)部模塊圖對其進行表示，再采用分配矩陣的方法建立邏輯構(gòu)件的物理組件分配表，從而生成產(chǎn)品所有可能的物理架構(gòu)，采用產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（Product Breakdown Structure，PBS）對其進行描述。進一步地，在考慮成本、質(zhì)量、可靠性等基礎(chǔ)上，找到最合適的PBS。

2 OFAP實施過程

2.1 業(yè)務(wù)層建模

通常現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜、邏輯過程繁多，在其開發(fā)過程中牽涉到許多個學科領(lǐng)域的知識和公司多個不同的部門，協(xié)同設(shè)計和制造同一個產(chǎn)品，為此業(yè)務(wù)分析對于企業(yè)來說至關(guān)重要［19-20］。動車組整車邏輯業(yè)務(wù)分析主要包括利益相關(guān)者分析、需求分析以及用例分析。

1）利益相關(guān)者分析

利益相關(guān)者是指影響系統(tǒng)或與系統(tǒng)交互的外部實體，它不一定是人，通常與系統(tǒng)相連，對系統(tǒng)有需求或者限制系統(tǒng)。利益相關(guān)者分析用于建立系統(tǒng)的上下文，并且了解系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)與影響。分析的手段主要有：客戶訪談、參考文獻、市場調(diào)研、頭腦風暴等，對利益相關(guān)者進行窮舉、精化、聚類和綜合，最終獲得利益相關(guān)者層級圖。采用5W1H 法對動車組整車邏輯系統(tǒng)的利益相關(guān)者進行全面分析，具體見表3。

表3 利益相關(guān)者5W1H分析法

通過分析和討論，給出了以下利益相關(guān)者。

動車組供應(yīng)商：包括中車集團主機企業(yè)等動車組整車生產(chǎn)廠家。

列車人員：所有在列車上的人，包括乘客和列車工作人員。

約束和限制：包括法律法規(guī)、標準和具體的使用條件（高寒、多雪、高原風沙、沿海濕熱以及霧霾、柳絮）等。

動車組子系統(tǒng)供應(yīng)商：包括牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)等動車組子系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家。

鐵路運營商：包括機務(wù)段、動車段、車輛段、工務(wù)段、電務(wù)段、供電段、客運段和車務(wù)段。

采用用例圖顯示的動車組利益相關(guān)者的頂層層級關(guān)系如圖2所示。

圖2 利益相關(guān)者頂層關(guān)系

2）需求分析

需求開發(fā)過程不是1 次成功的，而是1 個不斷循環(huán)迭代優(yōu)化的過程，主要步驟包括需求獲取、分析和建模。企業(yè)的需求管理質(zhì)量直接與最終的產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度相關(guān)，在系統(tǒng)工程領(lǐng)域?qū)儆跇O其重要的環(huán)節(jié)［21］。

將用戶需求分成需求組和具體需求2 級，為了規(guī)范表達應(yīng)給出每條具體需求條目的字段類型及其含義。動車組整車邏輯需求組分為8 組，由編號ID、簡短描述和需求組的具體說明展示，具體見表4。

表4 需求組

具體的用戶需求由需求ID 和需求內(nèi)容表達。需求ID 是需求的唯一標識符，可考慮根據(jù)需求的層次和從屬關(guān)系進行編碼，主要由數(shù)字和字母組成的字符串。如：R1000 和R1001，表示了ID 為R1001 的條目是對R1000 需求的1 項細化。每個需求都有1 個唯一的ID，這使得跟蹤每個ID 的來源成為可能。最重要的是用戶需求本身，需求內(nèi)容的定義，需要是1句完整的包含主語和描述需求具體內(nèi)容的簡潔句子。它是用日常語言編寫的，遵循1個非常簡單和簡潔的模板，需求內(nèi)容的定義模板為

“作為<角色>，我想要/希望<目標/愿望>以便<達到什么利益>”。

示例：作為司機，我想打開車門，以便乘客可以離開或進入列車。

在某些情況下，“以便”子句可以視為可選項目，例如

“作為<角色>，我想要/希望<目標/愿望>”。

示例：作為司機，我想打開和關(guān)閉車門。

3）用例分析

用例是對用戶需求的精化，描述不同利益相關(guān)者使用動車組整車邏輯系統(tǒng)實現(xiàn)特定目標的不同方式，清晰地定義了系統(tǒng)的邊界。通過用例分析，可以詳細地理解動車組整車邏輯系統(tǒng)如何被使用，系統(tǒng)如何與利益相關(guān)者交互，系統(tǒng)的功能也由此誕生；通過用戶需求和利益相關(guān)者分析，從需求中提取用例，識別出系統(tǒng)的功能，最后得到系統(tǒng)的用例圖。針對動車組整車邏輯的用戶需求，精化出31條用例，如圖3所示。

圖3 動車組整車邏輯用戶需求用例輸出示例

2.2 功能層建模

復雜產(chǎn)品在系統(tǒng)概念設(shè)計階段的1 個重要任務(wù)是分析需要設(shè)計哪些功能才能滿足目標系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，因此1 個合理可行的功能分析過程至關(guān)重要［22］。將動車組初步打開，作為1 個灰盒子查看其所具備的功能，參照標準BS EN 15380-4—2013《鐵路應(yīng)用設(shè)施鐵路車輛的分類系統(tǒng)第4部分：功能組》，結(jié)合已有的經(jīng)典功能分解過程方法和查閱的相關(guān)文獻資料［23］，將動車組按功能進行分類，最高級別的分為7類功能組，見表5。

表5 功能組分類

分別對8 組需求組進行相對應(yīng)的7 類功能建模，并進行反復的迭代分析，以期達到需求的全覆蓋。采用模塊定義圖顯示的動車組功能組層次如圖4所示。

圖4 動車組整車邏輯功能架構(gòu)層次

2.3 架構(gòu)層建模

在對動車組整車邏輯進行業(yè)務(wù)層和功能層的建模分析基礎(chǔ)上，對其進行白盒化。系統(tǒng)架構(gòu)模型包括從不同抽象層次和不同視角分析得到的復雜結(jié)構(gòu)［24-25］，除了包含各種元素之外，同時要考慮不同元素之間的交互關(guān)系，從而建立動車組整車邏輯架構(gòu)模型如圖5 所示。從圖5 可以看出：動車組在架構(gòu)層主要包括制動系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、暖通/照明系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、煙火報警系統(tǒng)、供排水與衛(wèi)生系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

圖5 動車組整車邏輯架構(gòu)模型

2.4 物理層建模

動車組整車邏輯架構(gòu)模型只是對其架構(gòu)層進行的初步展開，具體物理部件的實現(xiàn)還需要對物理層所包含的底層模塊、模塊之間的關(guān)系、模塊之間傳遞的信號進行建模，具體物理組件分解如圖6 所示。從圖6可以看出：動車組在物理層包括列車控制與監(jiān)視系統(tǒng)（TCMS）和若干節(jié)車輛單元，每個車輛單元包括4 節(jié)車廂，分別為1 號車、2 號車、3號車和4 號車，其中：1 號車包括司機室、充電機（BC）、門控單元（DCU）、火災(zāi)報警系統(tǒng)（FAS）、空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）和制動控制單元（BCU）；2號車包括BCU、DCU、牽引控制單元（TCU）、FAS 和HVAC；3 號車包括高壓系統(tǒng)、BCU，DCU，F(xiàn)AS，HVAC 和受電弓控制單元（PCU）；4 號車包括BCU，DCU，F(xiàn)AS，HVAC、旅客信息系統(tǒng)（PIS）和TCU。

圖6 基于MBSE的動車組整車邏輯物理組件分解

3 結(jié) 語

MBSE使能動車組整車邏輯時，在全面分析已有經(jīng)典方法的基礎(chǔ)上，提出適用于動車組整車邏輯的OFAP 方法，從2個維度對動車組整車邏輯的建模方法進行規(guī)范，橫向包括業(yè)務(wù)、功能、架構(gòu)、物理4個層次，縱向包括靜態(tài)模型和動態(tài)模型。采用OFAP方法，結(jié)合動車組專業(yè)領(lǐng)域特點，將動車組從黑盒到灰盒、再到白盒逐漸打開，分析動車組整車邏輯需求、用例、功能、構(gòu)架以及物理的建模過程，并建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型。

對既有文本形式存在的動車組整車邏輯進行模型化轉(zhuǎn)換，即實現(xiàn)動車組整車邏輯資料從“基于文本”到“基于模型”的轉(zhuǎn)變，有利于技術(shù)資料的重用和積累，對提升國內(nèi)動車組研發(fā)的標準化水平和實現(xiàn)不同平臺動車組的深入互聯(lián)互通具積極的促進作用，對提升動車組技術(shù)管理的水平具有積極的推動作用。