从系统工程角度解析EN 15380 标准的应用价值*

陈 波

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京100081）

系统工程是一种使系统能成功实现的跨学科的方法和手段。系统工程专注于:在开发周期的早期阶段定义客户需求与所要求的的功能性，将需求文件化，然后再进行设计综合和系统确认，并同时考虑完整问题，即运行、成本、进度、性能、培训、支持、试验、制造和退出问题时，进行设计综合和系统确认。系统工程把所有学科和专业群体综合为一种团队的努力，形成从概念到生产再到运行的结构化开发流程[1]。

系统工程的应用和发展离不开标准，其中ISO/IEC/IEEE 15288：2015 标准建立了一个通用过程框架，用于描述采用系统工程构建的人造系统的生命周期，具体工业领域亦会根据专业实际形成各自的配套标准。英国标准协会(BSI)认为:标准是相关行业中了解机构需要并掌握专业知识人士的智慧结晶，这些专业人士包括制造商、供应商、销售商、采购商、客户、行业协会、用户或监管机构，标准即是知识[2]。

以动车组为代表的铁路机车车辆是一种复杂产品，因此欧洲主机企业如西门子、庞巴迪和阿尔斯通等在动车组设计研制中采用了系统工程方法[3−5]。经多年的实践与积累，欧洲逐步形成了 EN 15380 系列标准[6−10]，从不同维度对铁路机车车辆进行系统分类（分解结构），可对应用于产品生命周期的不同阶段。

从系统工程角度对EN 15380 标准的应用价值进行解析，为工业数字化背景下新型动车组的研制使能提供参考。

1 EN 15380 相关标准介绍

1.1 EN 15380

EN 15380 标准“铁路应用铁路车辆的标识体系”由欧洲标准化委员会CEN/TC256/WG19“分类系统和文件”制定，共包括5 部分，从不同视角构建了铁路车辆的标识体系，如表1 所示。

表1 EN 15380 系列标准

EN 15380 的主要来源于德国标准DIN 25002 系列，各部分的演进关系如图1 所示。EN 15380 系列标准为铁路车辆分类建立了一个统一通用的方法，适用于所有项目视角。2006 年发布的第一批标准除EN 15380-1“总则”外，还包括EN 15380-2“产品组”、EN 15380-3“指定安装地点和位置”和DIN 25002-5“功能组件”，分别代表了产品视角、位置视角和功能视角，也是以下生命周期流程的基础:

−需求、投标书、合同、规范的定义；

−标准子系统的建立；

−设计（需求、规范）；

−责任区划分；

−产品规划支持；

−项目规划支持；

−不同系统解决方案的比较；

−维护和修理规范；

−可靠性研究、数据采集；

−将设备分配给功能；

−功能、产品和位置的指定。

2013 年 基 于 DIN 2500-5 发 布 了 EN 15380-4“ 功 能组”，2014 年发布了新制定的EN 15380-5“系统分解结构(SBS)”，至此EN 15380 系列标准的5 部分全部形成，而DIN 25002-3“文件分类”被撤销，未包含在EN 15380系列中。

图1 DIN 25002 和EN 15380 系列标准演进关系

实际上，EN 15380-4 和EN 15380-5 中才正式出现产品分解结构（Product Breakdown Structure， PBS）、功能分解结构（Function Breakdown Structure， FBS）和系统 分 解 结 构（System Breakdown Structure， SBS）的术语。

机车车辆产品定义阶段和后续流程的参与各方均使用FBS，根据标准化的功能列表来构建功能需求和用例。因此，FBS 从概念开始，并贯穿整个产品生命周期，结构的详细程度可根据项目进度进行调整。这意味着产品概念目录中的功能主要由需求描述，功能转移到可实施的硬件和软件则是后续的任务。

PBS 由子系统和设备的标准化列表组成，用于构建系统需求和相关用例，而FBS 标准描述了车辆的功能，并用于获取功能需求间的相关性、功能结构以及相关用例。

此外，FBS 还可以用于系统分析，功能评估支持整个工程流程和RAMS/LCC 领域，并且RAMS/LCC 参数往往在技术解决方案信息不足的阶段就需要给出，在此项目阶段EN 15380-2 是不适用的。

在诸如安全和可靠性分析、检查和测试、维护方案、现场数据采集等以功能作为关键事项的场合，通信基于由功能组构成的车辆功能结构，特别是需要考虑跨系统或跨学科的重要性时。

SBS 提供了在可管理且可识别的主要系统和子系统中定义铁路车辆的方法，其提出的通用结构可由各利益相关者使用，例如监管机构、运营商、维护者、集成商和供应商等。SBS 可用于根据EN 15380-4 将功能链接到主系统和子系统，亦可用于将子系统与产品相关联，EN 15380-2 给出了产品或产品组的示例。此外，SBS提供了一种用于优化列车架构的通用稳定结构“黑盒方法”。

SBS、FBS 和PBS 的关系取决于铁路车辆的架构设计，根据架构设计的不同，将有不同的功能分配到子系统，或者有不用的产品关联到子系统。

EN 15380-5 的 SBS 与 EN 15380-4 的 FBS 和EN 15380-2 的PBS 是相辅相成关系，从不同视角描述了机车车辆产品，可在产品生命周期的不同阶段使用。EN 15380-1 的附录C 中给出了产品生命周期不同阶段中FBS 和PBS 两种结构的重要性差异，EN 15380-5 的附录B 中给出了SBS、FBS 和PBS 三者关联的示例。

1.2 IEC/ISO 81346

在EN 15380 系列标准中，IEC/ISO 81346 及其前身IEC 61346 是重要的规范性引用文件。IEC/ISO 81346 系列标准“工业系统、装置与设备以及工业产品结构原则和参照代号”由IEC TC 3 和ISO TC 10 联合制定，现行发布的部分见表2，目前仍在不断发展中。

在系统设计中，需要识别系统及其要素，这可以通过命名系统来实现。但随着复杂性的增加，需要系统及其元素的特定标识符，该标识可确保利益相关者和IT系统能够在各种模型和文档中识别相关系统的要素。IEC/ISO 81346 也称为参考标识系统（Reference Designation System， RDS）标准，其为确立系统及其子系统和/或部件的标识符提供了规则和准则，据此可建立易于识别和人类可理解的标识符来支持设计工作。因此，IEC/ISO 81346 受到各种IT 软件的广泛支持，早期源于电气和机械制图应用，但如今采用的领域更为广泛。

表2 IEC/ISO 81346 系列标准

IEC/ISO 81346 的历史渊源较为复杂，1971 年的IEC60113-2 定义了RDS 的基础，随后历经了IEC 60750：1983 和 IEC 61346-1：1996，综合考虑进 ISO TS 16952-1 的内容，最终修订形成了IEC/ISO 81346-1：2009。随着标准的发展，其应用领域也逐年扩大，如图2 所 示[11]。

图2 参考标识系统标准的发展与应用范围

中国国内也等同采用IEC 61346 或IEC/ISO 81346标准制定了GB/T 5094 标准，相关标准的演进关系如图3 所示。2002～2005 年首批GB/T 5094 标准同等采用 IEC 61346 标准，共 4 部分，其中 IEC 61346 的第 3、4部分为技术报告（TR），第3 部分后转化为ISO TS 81346-3：2012，后均被废止。随着 IEC 61346：1996 第 1、2 部分更新为 IEC/ISO 81346：2009，GB/T 5094 第 1、2部分也更新为2018 版，为等同采用国际标准。目前，IEC/ISO 81346 第 2 部 分 已 更 新 为 2019 版 ，第 1 部 分 的修订更新工作正在进行中。

“只有复杂性才能降低复杂性”是已故著名系统思想家尼克拉斯·卢曼（1927−1998）提出的一个系统理论规则，能够降低（任何技术）复杂性的必要复杂性是系统思维，也是IEC/ISO 81346 标准的思想源头，其包含两层含义[12]:

图3 GB/T 5094 采标情况

（1）一切都可以看作是一个系统；

（2）系统要素的关联有3 种关系:部分关系、类型关系和语用关系（参考ISO 704）。

部分关系用于将任何系统细分为部分，并识别为系统元素，其允许对复杂系统进行无限细分，即是IEC/ISO 81346−1 中的内容。

类型关系用于创建系统类，其用于识别系统，并防止信息“野蛮增长”，对应IEC/ISO 81346-2 中的类。

1.3 ISO/IEC/IEEE 15288

ISO/IEC 15288《系统和软件工程系统生命周期过程》是国际标准化组织第一个用于处理全寿命周期过程中硬件、软件以及人员之间交互的国际标准，由国际标准化组织与国际电工委员会技术联合会信息技术分委员会（ISO/IEC-JTC1-SC7）管理，该委员会负责开发ISO/IEC 在系统和软件工程领域的标准[13−14]。

在系统工程的发展过程中，曾经形成的流程标准和模 型 主 要 有 :MIL-STD-499、ANSI/EIA 632、IEEE 1220、ISO/IEC 15288、CMMI，其 演 变 关 系 如 图 4所示。

系统工程标准的发展是由ISO/IEC JTC1/SC7、IEEE-CS、INCOSE、EIA、ISO/IEC JTC1 SC27、ISO TC 184 和CMMI 等标准化组织和技术协会共同发展起来的，如图5 所示。

第 1 版 ISO/IEC 15288 发 布 于 2002 年 ，2004 年IEEE 采用形成 IEEE Std 15288:2004，实现 3 大标准组织在系统工程标准上的统一。2008 年，ISO/IEC 15288首次修订，重点解决ISO/IEC 15288：2002 和 ISO/IEC 12207：1995 之间的不协调，例如术语与定义的不同或冲突（如过程名称），技术内容重叠，过程组（集）和过程构架不相同等，同时吸收了系统工程最新研究与应用成果[15]。

图4 系统工程和软件工程标准的演变关系

图5 系统工程标准的贡献组织

ISO/IEC/IEEE 15288 规定了人造系统在生命周期内的一组通用过程以及相关术语（概念），核心技术内容主要包括两部分:系统的生命周期模型和生命周期的阶段；系统在生命周期内的通用过程。

2008 年我国等同采用ISO/IEC 15288:2002 发布了GB/T22032—2008《系统工程 系统生存周期过程》，目前ISO/IEC/IEEE 15288 最新为2015 版，国标与其有较大版本差异。

1.4 标准相关性分析

随着系统工程和软件工程的发展，ISO/IEC/IEEE/EIA/INCOSE 等标准化组织或技术协会做了大量的标准制定和协调工作，在ISO 网站上以“SYSTEMS AND SOFTWARE ENGINEERING”为关键词检索到的现行标准/技术规范/技术报告数量有近百个。

标准往往不是一个孤立的存在，而是配套使用的，这对系统工程而言尤其如此。丹麦的Systems Engineering A/S 公司提出了一种系统工程概念（Systems Engineering Concept， SEC），可供项目所有参与者使用，从而节省时间并提高质量。该概念基于ISO/IEC/IEEE 15288、ISO/IEC/IEEE 42010、IEC/ISO 81346、IEC 61355 和IEC 62023 等标准，通过对成功方法进行逆向工程总结而来[16−17]，如图 6 所示。

INCOSE 俄罗斯分会正在努力使OMG Essence 语言中的系统思维与ISO/IEC/IEEE 15288、ISO/IEC/IEEE 42010、IEC/ISO 81346 和 ISO 15926 等标准共同使用[18]。Essence 标准于2014 年由软件工程方法和理论（SEMAT）和对象管理组织（OMG）创建，为定义所有软件工程通用的方法和实践提供通用语言。INCOSE俄罗斯分会当前的工作将使Essence 延伸至系统工程领域，如同基于软件工程的UML 发展出系统工程的Sys-ML 一样。

不难发现，在系统工程应用中，IEC/ISO 81346 和ISO/IEC/IEEE 15288 有着密切的联系。IEC/ISO 81346 中定义的RDS 识别出了系统及其元素，参考标识作为RDS 的输出，可以是一个TAG 编号，充当系统和系统元素的标签，用于即时和明确的识别不同类型的文档、有形产品及无形产品（如软件工具中的不同模型）的标签。RDS 是一项国际“命名公约”，专为系统及其元素而设计，是支持不同学科之间共同理解的实用技术。在IEC/ISO 81346 的形成历史中，参考标识逐步被意识到是可以用作信息管理的强大工具，并贯穿于整个生命周期，而系统思维亦成为标准的组成部分。因为RDS是基于系统思维模式的，因此应用RDS 的决策自动导向系统意识，从而为应用系统工程打开了大门[11]。

图6 Systems Engineering A/S 公司的系统工程概念

EN 15380 可以认为是IEC/ISO 81346（前身IEC 61346）在轨道交通领域的具体应用，对IEC 61355 亦有引用。IEC/ISO 81346-1 认为，在几乎所有项目（工厂、系统、设备等）的生命周期中功能、产品和位置等方面均是必要并适用的，因此结构化中将三者考虑为主要方面和初始应用，并建立了相应的结构原则。EN 15380 系列标准的设置中，第2、3、4 部分即分别代表了铁路机车车辆的产品、位置和功能方面，如表3 所示。

表3 EN 15380 与IEC/ISO 81346-1 结构方面的关系

在EN 15380 的第4 和5 部分中，分别描述了FBS、PBS 和SBS 3 种分解结构间的交互关系。通常，建立EN 15380-4 兼容结构（FBS）的规范会概述于需求文档中，该文档列出了指定系统所需的功能，并说明了功能需求未被满足时允许的后果。使用这种方法可以创建车辆的功能结构，而无需说明其技术实现，FBS 可以用于进行初步的（与功能相关的）可靠性和安全性分析等。

在工程过程的设计阶段结束时，根据EN 15380−2中的产品结构视图，将FBS 的指定功能分配给特定的组件。需要注意的是，可以将多个功能分配给单个组件，而单个功能也可以通过几个不同的组件共同实现。因此，如果观察系统的视角（功能方面或产品方面）发生了变化，那么考虑所有相关的相互关系就显得尤为重要。

由于EN 15380-4 中规定的结构允许为功能分配属性，因此通过适当的编程，用户将可进行非常具体的分析（例如热负荷分析、针对特定乘客群体的分析等）。

EN 15380-5 中对“系统”符号的设置依据EN 81346-1（IEC 81346-1）中的规则 16:“若需要补充系统同一面内附加视图时，则这些视图内的参照代号由双倍（或三倍等）前缀符号组成。这些补充视图的含义和应用应在支持文件中解释。”

从表 2 中 EN 15380-4 和 EN 15380-5 对参照代号的定义（FBS 前缀符号为“=”，SBS 前缀符号为“==”）可知，SBS 是FBS 的附加视图补充，本质上还是从功能方面对目标系统的分解。

EN 15380-5 中给出了关联 FBS、PBS 和 SBS 的两个简化示例，具体项目中的关联关系取决于用户的定义。若EN 15380-2 和EN 15380-5 同时使用，应采用EN 15380-5 的两个级别，而如果需要发展出第三级乃至更多级别，则应使用EN 15380-2 的元素。

EN 15380-4 提供的FBS 在编写需求规范时是一个有用的检查表，虽然该列表并非详尽无遗，但却是铁路工业对于机车车辆基本功能要求的知识经验总结，有助于提醒需求规范的编写者:

（1）其指出了子功能与主功能间的关系。

（2）其对相关的其他主要功能和系统进行了突出显示，由于这些主要功能和系统不在正开发系统的范围之内，在开发的早期阶段需将其作为假设进行管理。

为了避免在分解结构中出现大量重复元素，EN 15380-4 和EN 15380-5 分别定义了所谓“横向功能”和“横向系统”。横向功能可能同时影响FBS 的多个2 级或3 级功能，横向系统是属于或连接到多个主要系统或子系统的子系统。

在电力系统自动化领域，IEC 61850 是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，实现了智能变电站的工程运作标准化。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过系统配置文件（SCD）了解整个变电站的结构和布局，对于智能化变电站发展具有不可替代的作用，这离不开背后大量的标准化工作。对于如何为智能电子设备（IED）中的对象命名，IEC 61850 有多种选项，而产品相关命名和功能相关命名是主要的两种。但IEC 61850 没有直接对如何命名电压等级、托架或IED 进行定义，而是直接引用了IEC 81346，用于命名变电站内的不同等级和对象[19−20]。因此，IEC 61850 是IEC 81346 在具体工业领域中应用的一个成功案例。

2 基于模型的系统工程

在INCOSE 在2007 年发布的《系统工程愿景2020》中，基于模型的系统工程（MBSE）被定义为:MBSE 是建模方法的一种形式化表达，用以支持从概念设计阶段到制造、应用、维护等阶段，需求、设计、分析、验证和确认活动[21]。在2014 年发布的《系统工程2025 年愿景》中，MBSE 的定义发展为:MBSE 是一种标准实践，与其他建模和仿真以及数字企业功能集成在一起[22]。从中可以看出，经过多年的发展，MBSE 已经成为工业界特别是复杂产品制造工业界的共识，并向着“标准化”发展。

简要的说，MBSE 主要将产品视为一个复杂的系统，并帮助设计人员和制造商管理整个产品生命周期开发。MBSE 允许对系统的复杂性进行分解，并确保系统需求至功能、功能至子系统和组件、子系统至构造部件（按部件号分类）的完整可追溯性[23]。

使用MBSE 方法，系统工程师会与采用传统系统工程方法（基于文本）一样，执行同样的生命周期活动，但采用MBSE 方法后这些活动输出的主要产物是一份集成、清晰并且一致的系统模型，原来的文本成为了补充，甚至可以从系统模型中导出。MBSE 的实施需要3大支柱:一种建模语言、一种建模方法以及一种建模工具[24]。

2.1 MBSE 3 大支柱

MBSE 实践者通常会使用系统建模语言（SysML）来创建系统结构、行为、需求和约束的模型[24]。SysML是一种通用图形建模语言，由对象管理组织（OMG）制定和维护，用于表示可能包括硬件和设备、软件、数据、人员、设施和自然对象组合的系统。SysML 支持MBSE 的实践，用于开发系统解决方案，以应对复杂且往往技术具有挑战性的问题[25]。虽然SysML 已被接受为国际标准ISO/IEC 19514−2017，但SysML 并非是唯一的建模语言，其他设计领域的工程师和分析师（例如系统之系统、软件、硬件、性能、业务过程等）都有可用的且更适合其设计系统类型的建模语言，其中很多如Sys-ML 一样是图形建模语言如UML、UPDM、BPMN、MARTE、SoaML 和 IDEFx 等，也有文本建模语言如Verilog 和Modelica 等。事实上SysML 正是基于UML而制定，SysML 的9 种图及与UML 的关系如图7所示。

图 7 SysML 的 9 种 图

建模语言是MBSE 实施的第1 个支柱，其语法规则的定义决定了特定模型的形式是否良好。而建模方法类似于路线图，作为MBSE 的第2 个支柱，是建模团队创建系统模型要执行的一系列设计任务的文档。文献已经记载了多种建模方法如INCOSE 面向对象系统工程方法（OOSEM）、Weilkiens 系统（SYSMOD）建模方法、IBM Telelogic Harmony−SE 等，但这些建模方法并不是普适的，用户一般需要针对自己的项目进行建模方法的裁剪。

熟练掌握建模工具是MBSE 的第3 个支柱，建模工具是一类特殊的工具，遵守一种或多种建模语言的规则，以被使用创建形式良好的模型。商用支持SysML的建模工具有 Agilian、Artisan Studio、Enterprise Architect、Cameo Systems Modeler 和 Rhapsody 等。

2.2 MBSE 流程与EN 15380

MBSE 方法包括初步选择合适的产品生命周期模型，例如众所周知的“V 模型”。但是，MBSE 的一个重要特点是它应用了一些可重用的、数字化的模型，包括系统行为、架构和操作的定性描述（功能建模）及定量描述（物理建模乃至数值建模），其基于数值和数学结构。利用数值建模来描述系统几何结构，以预测其性能，通常借助异构仿真来进行配置的权衡分析，其中包括功能模型和物理模型。对需求的验证和对产品的确认甚至也依靠这些模型，以分别检查产品和模型、产品和客户需要之间的对应关系。

在MBSE 过程中，用户需执行需求分析，然后按顺序进行操作、功能、逻辑和物理分析，以达到设计综合。

如图8 所示，两种共同活动如权衡分析、需求验证及系统确认（V&V）的部署依托于3 种典型分析即系统需求分析、功能（和操作）或功能失调分析以及物理分析。近年来，对工业产品而不仅仅是软件产品的应用，建议将功能分析分为功能和操作的初步识别以及后续的系统架构执行的逻辑活动，因此在设计活动中增加了逻辑分析作为中间步骤[23，26]。

图8 MBSE 方法应用于产品开发的主要功能概述

在功能分析之后，定义了系统的功能架构，表现为FBS。在此级别尚未指定该架构的实际实现，因为分析仅通过独立于解决方案的方法执行，即系统元素由它们必须提供的功能描述，但实际组件尚未包括在内。

逻辑分析的目的是提出一个支持功能行为的初步系统架构。这是一个特定的设计阶段，主要关注功能架构在一个或多个系统备选上的分配，通过设计参数的选择，使系统备选符合功能需求，并且彼此相当。

当评估非功能需求并测量系统的实际性能时，逻辑分析是一个介于纯功能分析和物理分析之间的中间步骤，定义了系统的逻辑架构，表现为逻辑分解结构（Logical Breakdown Structure， LBS）。

逻辑分析设想是允许识别适当的元素和组件，具有最终产品在高级别的一些通用特征，这将在PBS 中进一步描述。

在PBS 形成过程中，可能会涉及具体的物理分析过程。物理分析是工程中经常进行的一项主要活动，它与性能评价、动力学与结构仿真、有限元分析、CAD 建模等相关。它包含了各领域中与数值建模相关的所有可能的任务，旨在用数值模型代替真实组件，以降低在真实组件和系统上测试相关的花费。数值仿真用于定义最适合用于构成PBS 的商业组件的标签数据。

在MBSE 实践中，以SysML 为代表的系统建模语言为客户、制造商和供应商之间的交互提供了一个标准，以图的形式。一般采用需求图描述系统的需求，采用活动图、顺序图、状态机图和用例图描述系统的行为，采用块定义图、内部块图和包图描述系统的架构。FBS、LBS 和PBS 3 种分解结构被创建，其允许将系统功能与逻辑组件区分开来，描述它们的操作，而不是关联的商业产品；亦可将系统功能与产品组件区分开来，产品组件随后在市场上实际可用的组件中选取。设计综合带来完整产品集成的定义，适应认证（可预期时）或产品责任和RAMS 的需要。

不难发现，EN 15380 系列标准中定义的动车组FBS、SBS 和 PBS 与 MBSE 流程中的 FBS、LBS 和 PBS是分别对应的，适用于系统设计的不同阶段。EN 15380-5 中定义的SBS 本质上是功能方面的附加视图，属于FBS 和PBS 间的过渡，与LBS 的定位是一致的。因此，EN 15380 正是为在动车组设计中采用MBSE 方法而生，具有重要的应用价值。

3 EN 15380 应用案例

EN 15380 系列标准在欧洲的应用与SE 乃至MBSE 在欧洲轨道交通行业的推广有密切的联系，涉及的主要利益相关者包括铁路运营商、制造商和子系统供应商等，采用EN 15380 的组织或项目有EuroSpec、国际铁路联盟（UIC）和 Shift2Rail 计划的 CONNECTA 等。国内基于EN 15380 的前3 部分制定了TB/T 3416《动车组编码标识系统》，但采用响应并不明显。

3.1 EuroSpec

EuroSpec 不是一个官方的标准化组织，而是一个从欧洲铁路运营商的角度为车辆系统和部件提供通用的、功能的以及协调的规范的组织。在欧洲标准化过程中，从用户角度进行协调对于最终行业标准的成功至关重要。EuroSpec 填补了在自愿领域中缺少协调规范的空白，其在欧洲标准体系中的定位如图9 所示。

图 9 EuroSpec 的定位

EuroSpec 基于几个列车运营公司的运营经验和现有需求，其活跃成员目前包括6 个欧洲铁路运营公司:荷兰铁路（NS）、德国铁路（DB）、法国国营铁路公司（SNCF）、奥地利联邦铁路（ÖBB）、瑞士联邦铁路（SBB）和铁路运送集团（RDG）。这些需求是协调一致的，可用于招标并取代个别公司的特定需求。

EuroSpec 描述了机车车辆的功能及其验证，对公司、制造商和产品来说是中立的，因此不会触及列车运营商的任何竞争领域，也不会妨碍创新。EuroSpec 是分发式的，并与系统和部件制造商进行了讨论，以提高车辆的质量和可靠性。EuroSpec 帮助避免仅仅根据个别列车运营公司的需求来重建已证明可靠的产品，从而支持欧洲铁路行业基于车辆平台的机车车辆标准化和制造。

EuroSpec 是对欧洲铁路和基础设施公司共同体（CER）、国际铁路运输委员会（CIT）、欧洲铁路基础设施管理者协会（EIM）和国际铁路联盟（UIC）联合发布的“数字化铁路路线图”的响应[27]，致力于用户需求的标准化。为了促使需求的标准化和数字化，EuroSpec 定义的需求属性中包含了对EN 15380-2 产品元素和EN 15380-4 功能元素的关联，同时对需求的管理要求符合ISO/IEC/IEEE 15288 和 ISO/IEC/IEEE 29148 等标准。

3.2 UIC 需求数据库(EUTREQ)

作为全球最大的国际性铁路组织，自UIC 成立起，标准化工作便是UIC 的主要任务之一，至今已形成了数量巨大的以活页（Leaflet）形式发布的UIC 标准。2012 年底，UIC 启动了新的标准化平台，旨在提升UIC活页的价值并向新的体系国际铁路标准/解决方案（International Railway Standards/Solutions， IRS）演 进[28]，IRS 与其他机构的交互关系如图10 所示，图中EuroSpec 也 属 于 IRS 的 范 畴 。

图10 IRS 与其它标准机构

EUTREQ 是在一个高度结构化的框架内管理铁路系统的性能、基本功能和需求，并将其组织成铁路标准的过程。因此，EUTREQ 所载的资料代表了铁路部门有关标准的专门知识[29]。

EUTREQ 的核心工具是一个简单但高度接口的需求数据库，通过基本的质量和认证程序执行数据库的访问、维护和更新。需求数据库保证了需求编制的一致性，并支持追溯和接口管理，提高了相关铁路过程的效率。EUTREQ 为所选功能提供可用的需求（包括需求的来源），发现已发布规范中缺少的功能需求并增加。此外，还可以引入系统或产品需求，从而使不同利益相关者能够利用系统。

未来，EUTREQ 的数据库将不断发展，并将引入新文件以追踪需求描述的演变。EUTREQ 可以带来如下收益:1、降低IRS 或Leaflets 编写、更新、产出和开发的成本；2、通过认证的需求，使铁路成分的招标文件易于修订；3、铁路组成部件符合性的详细分析（功能和技术需求）；4、提供铁路组成部分参考数据库；5、资源的更有效管理；6、标准的相干性和一致性提高。

EUTREQ 的基本特性提供了标准内容的系统视角、明确有用的需求定义、工作的追踪日志、易修订性、最终和进行中文档的持续可用性以及对专家组的一贯支持。UIC 建议所有IRS 和Leaflets 都应纳入EUTREQ 进行管理。

EUTREQ 为标准工作组提供了基于Excel 的交互文件，配合一定的语法规则和管理流程，实现标准（本质上是条目化的需求）的新建、更新等。因为EUTREQ本身就是为铁路标准数字化而建立，其数据库字段中也包含了对EN 15380−4 功能元素和EN 15380−5 系统元素的关联。

3.3 欧盟CONNECTA 项目[30]

CONNECTA 是欧盟Shift2Rail 计划项目，旨在为下一代具备无线功能的TCMS 架构和组件以及下一代电子制动系统提供支撑。研究包括列车控制和监测的新技术概念、标准规范和架构，尤其是列车对地通信和高安全电控制动器的特定应用。Safe4Rail 是CONNECTA 的互补项目，为基本简化的嵌入式计算和联网TCMS 平台提供基础，用于所有安全关键、时间关键和任务关键的列车功能的模块化集成和认证，包括高达SIL4 的分布式硬实时控制、安全信号和功能，可降低TCMS 系统的生命周期和运用成本，并最大限度地缩短产品上市时间。

CONNECTA 项目的参与者主要是铁路运营商、整车制造商、制动子系统供应商等，Safe4Rail 项目的参与者主要是网络控制设备供应商、科研院校等。

CONNECTA 和Safe4Rail 项目的实施深度采用了MBSE 方法，在CONNECTA 项目的组织结构中，德国铁路（DB）牵头了 WP1−“TCMS 总体技术规范”的制定，作为 WP2～WP5 的输入，WP2“无线与车地通信”由西门子负责，WP3“数据驱动”由庞巴迪负责，WP4“功能分布架构”由阿尔斯通负责，如图11 所示。

图11 CONNECTA 项目的组织结构

需求管理需遵循一定的过程，以确保系统以准确的方式进行分析和描述。WP1 中定义了EPIC—用户故事—用例—功能需求—技术需求的需求层次结构，如图12 所示。其中EPIC 是在非常高抽象级别上对需求的描述，可以进一步分解为若干用户故事（User Story）乃至用例（Use Case），用例关注如何用系统实现用户的特定目标。

图12 WP1 中定义的需求层次结构

在用例阶段，TCMS 还是个“黑盒”模型，在从“黑盒”向“白盒”模型转化的过程中，EN 15380-4 的功能分解结构提供了重要的参考和输入。FBS 描述了列车具备的所有功能，被用于建立功能需求、功能结构以及相关用例的联系，EN 15380-4 中的功能列表有助于功能需求和用例的结构化。图13 中展示了TCMS 的功能分解，诸如提供乘客信息功能和制动控制功能等。

图 13 TCMS“黑盒”向“白盒”转化

因此，CONNECTA 项目设计的新一代TCMS 是面向功能的，功能是提供给用户的基本抽象，整车的控制通过分布式功能实现。架构设计是从面向功能开始，而不是直接参考技术实现，这种设计保证了功能间的独立性，并赋予功能不同SIL 等级，某一功能的变更对其他功能的影响是可控的，且功能独立于通信技术或硬件。

以WP1 为输入，WP4 进行了功能分布架构的建立，通过应用配置（Application Profile，AP）为列车的每个子系统定义标准化接口，通过功能分布框架（Functional Distribution Framework， FDF）从执行设备和通信技术中抽象出应用程序，以基于标准化框架和分布式计算的新架构概念为目标，允许在车辆上分布的高性能终端设备上执行任何功能，具有不同的安全性和统一性要求。通过功能开放连接（Functional Open Coupling，FOC）使得由任何制造商提供的两个或更多个编组（可具有不同列车功能）的联挂成为可能。

FOC、AP、FDF 由 SysML 进行描述，在 AP 中利用«trace»关系设置了用例与EN 15380 元素的关联。从Connecta 和 Safe4Rail 项 目 可 见 ，MBSE 已 成 为 新 一 代TCMS 研发的一个范式。

4 总 结

从系统工程角度对EN 15380、IEC/ISO 81346 和ISO/IEC/IEEE 15288 等标准的基本内容和演进历程进行了梳理，并分析了标准的相关性和配合关系。ISO/IEC/IEEE 15288 规定了系统的生命周期模型和阶段，以及系统在生命周期内的通用过程。IEC/ISO 81346 中定义的RDS 基于系统思维模式，自然导向系统意识。EN 15380 可以认为是IEC/ISO 81346 在轨道交通领域的具体应用，体现了欧洲铁路机车车辆运用和设计经验。

MBSE 的3 大支柱为建模语言、建模方法和建模工具，通过需求分析、功能分析、逻辑分析和物理分析等逐步形成系统 FBS、LBS 和 PBS，与 EN 15380 系列标准中定义的动车组FBS、SBS 和PBS 分别对应。

以 EuroSpec、EUTREQ 和 CONNECTA 等项目为例介绍了EN 15380 标准在欧洲的应用情况，MBSE 已被欧洲铁路工业广泛接受和应用。

图14 列出了工业4.0 的9 项使能技术:先进制造解决方案、增材制造、增强现实、仿真、横向和纵向一体化、工业互联网、云、网络安全和大数据与分析，分为3 大类:机电一体化、MBSE 与 SE、IT 与 ICT[23]。其中，MBSE 的重要地位与INCOSE《系统工程2025 年愿景》中是一致的。

图14 工业4.0 的使能技术

我国在动车组管理信息系统（EMIS）的建设中也借鉴了EN 15380 的内容，并根据我国多平台车型混跑等实际运用检修情况，提出了以功能模块分解结构为主，建立与各车型平台部件分解结构映射关系的整体数据架构方案[31]。近年来，在复兴号动车组产品研制中，我国也逐步形成了功能、系统和产品的分类方法，后续应考虑与国际标准接轨，重视系统性思维和MBSE 的运用，紧跟工业数字化时代的步伐。