基于MBSE的动车组整车逻辑研究方法及应用

王保民，陈 波，张世聪

（1.天津职业技术师范大学 汽车与交通学院，天津 300222；2.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）

动车组整车逻辑作为动车组整车控制与故障诊断的规范要求，是实现动车组软硬件平台以及互联互通互控简统化和标准化的基础，是确保动车组高效运行与安全运行的关键环节。

由于动车组整车逻辑涉及面广，仅依靠经验和自然语言制定的系统需求规范容易存在逻辑关系表达不直观、维护成本较高、故障追踪困难、设计变更难以管理、参与人员理解易存在歧义等问题。系统工程的发展经历了传统、复杂和复杂组织体系统工程3个阶段［1］。为了适应设计问题中显著增长的系统规模化和复杂性，基于模型的系统工程（MB⁃SE）应运而生［2］。在《中国制造2025》中将工业互联网、直接数字制造技术和MBSE 称作是未来制造业的三大典型特点。综合分析相关中英文资料的定义和解释［3-4］，将MBSE 理解为一种标准实践，是建模方法的一种形式化表达，是为了解决传统系统工程（TSE）中暴露出的问题，以逻辑上具有一致性的多角度系统模型为桥梁和框架，实现跨领域、跨学科模型的可追溯、可验证和动态关联性，从而推动贯穿于从系统设计概念方案和产品研制、到后期维护和报废的人工系统全生命期内的系统工程过程和活动［5-6］。

本文将MBSE 应用到动车组整车逻辑的研究中，建模语言、建模工具和建模方法是进行动车组整车逻辑研究的实施基础［7-8］，因此研究适合动车组整车逻辑的实施基础，针对建模方法，提出横向包括业务层、功能层、架构层和物理层4个抽象层次的适应于动车组整车逻辑研究的OFAP（Opera⁃tional，Functional，Architecture，Physical）方法，并着重分析该方法的实施过程。

1 基于MBSE的动车组整车逻辑实施基础

1.1 建模语言

在MBSE 应用时，首要基础为一套符合行业的建模规范，称之为建模语言。可视化统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是面向对象的标准化建模语言［9］。为了使得UML 更加适合系统工程领域的建模，专门为此成立了研究机构，该机构经过多年研究定义了一种基于UML2.0 版本的系统建模语言SysML，其针对UML 的不足进行专门扩展，更好地支持MBSE方法。

SysML 是一种通用的针对复杂装备系统工程应用的建模语言［10-11］，它可以支持包含硬件、软件、信息、制造等多领域系统的描述、设计、分析、验证等。在此，采用SysML 建模语言开展动车组整车逻辑的研究工作。

1.2 建模工具

除了建模语言之外，在实施MBSE 过程中的另一个重要基础是建模工具。与以往的绘图工具不同，系统工程师使用建模工具时，不须对图中的相同元素进行逐一修改，只须利用创建的模型修改某图中的元素，使该元素的底层模型随之改变，同时其他图中的相同元素也全部随之改变，确保模型的唯一性。

目前支持SysML 的建模工具有很多，典型的建模工具和开发机构以及应用公司等见表1。

表1 支持SysML的建模工具相关要素比较

No Magic 公司的MBSE 产品快速增长，除得益于MBSE 在全世界各个行业推广实施的快速发展外，还得益于其产品强大的功能、良好的易用性和合理的实施成本；更重要的一点，No Magic 公司及其核心团队成员深入参与SysML 等标准的研发，使得其产品和标准具有天然的符合性，甚至在标准尚未正式发布之前，其产品就已实现。

结合以上分析并借鉴国外轨道交通企业的使用经验，采用No Magic 公司开发的MagicDraw 作为动车组整车逻辑研究的建模工具。

1.3 建模方法

选择一种建模语言是应用MBSE 方法的第1步，其后是采用合适的建模工具，最后采取合适的建模方法是实施MBSE 的重要组成部分。建模方法相当于路线图，可以确保团队中的所有人都一致地以相同的广度、深度和准确度构建模型，包括但不限于系统的外部环境有多少需要建模、系统的哪些部分需要建模、模型的细节精细程度、哪些细节可以忽略，留给开发团队在实施的时候细化。

国内外MBSE 领域的公司和研究机构在产品开发过程中，经过多年的积累形成了各具自身特色的研制过程方法［12］，针对不同的工业领域，应用不同的建模语言、工具和流程，提出诸多MBSE方法，如：Harmony 方法［13］、面向对象的系统方法（Object-Oriented Systems Engineering Method，OOSEM）［14-15］、统一开发过程（Rational Unified Process，RUP）方法、Vitech MBSE方法［16］、对象过程方法（Object-Process Methodology，OPM）、系统建模过程（Systems Modeling Process，SYS⁃MOD）方法［17-18］和No Magic 公司的Magic Grid方法等。

MBSE方法与企业和领域的实施应用场景密切相关，一般都需要与实际业务和专业领域结合进行定制。为方便动车组整车逻辑研究过程中的各领域/专业间设计信息共享和追溯，在学习和吸收众多经典MBSE 方法的基础上，基于动车组整车逻辑的领域特点，对MBSE 方法进行了适应性剪裁和改进，提出适应于动车组整车逻辑的OFAP方法。

动车组整车逻辑的OFAP 建模过程如图1 所示。从图1 可以看出：横向分业务层（O）、功能层（F）、架构层（A）、物理层（P）4 个抽象层次，纵向的左侧为静态模型右侧为动态模型；横向从上至下是不断细化的过程：黑盒→灰盒→白盒，即从业务层、功能层至架构层和物理层的具体实现；纵向从动车组的静态结构和动态行为2 个方面进行系统分析，采用业务、功能、架构、物理分析静态的结构组成，采用用例、功能交互与分解、架构交互与分解、物理交互与分解实现动态行为的分析。

图1 基于MBSE的动车组整车逻辑建模过程

OFAP 各层使用的模型见表2。OFAP 各层主要开展的工作如下：O 层从利益相关者分析开始，采用查阅资料、现场调研、专家咨询、头脑风暴等方法，在输入、资源、限制、输出4个维度上对可能的利益相关者进行梳理，再利用聚类分析、层次分析等手段对利益相关者进行剔除和精化。获得利益相关者后，通过对各利益相关者的行为进行穷举描述和综合分析，并考虑动车组不同生命周期阶段的需求，从而获取动车组整车逻辑系统的用户需求，且以条目化表格和SysML 需求图的形式描述用户需求。再对需求进行进一步的精化处理，得出动车组整车逻辑系统的用例，同样以SysML 用例图或表格的形式进行描述。

表2 各层使用的模型图

F 层从系统用例分析开始，采用SysML 的活动图，针对每个用例进行分析，根据动车组整车逻辑领域知识确定顶层系统功能。针对每个顶层系统功能，采用SysML 行为图（活动图、序列图和状态机图）识别出该用例的所有可能的执行场景，每个执行场景由一系列有顺序逻辑关系的活动组成，1个活动代表1个功能。根据功能分析的粒度要求，从顶层功能开始进行层层分解，获得系统功能的结构，以功能分解结构（Function Breakdown Sys⁃tem，FBS）进行描述。功能间的层级关系以Sys⁃ML 的模块定义图进行描述，功能间的交互关系以SysML的活动图进行描述。

A层以动车组整车逻辑系统的功能架构作为输入，采用分配泳道、分配矩阵等方法，在动车组整车逻辑领域知识的支持下，结合已有的整车逻辑系统架构，将系统的功能分配到其架构中。采用Sys⁃ML 的模块定义图和内部模块图表示组成构件，获得动车组整车逻辑系统的架构，以系统分解结构（System Breakdown Structure，SBS）进行描述。

P 层以动车组整车逻辑系统的架构作为输入，通过为每个组成构件查找、分配可能合适的物理组件，并采用SysML 的模块定义图和内部模块图对其进行表示，再采用分配矩阵的方法建立逻辑构件的物理组件分配表，从而生成产品所有可能的物理架构，采用产品分解结构（Product Breakdown Structure，PBS）对其进行描述。进一步地，在考虑成本、质量、可靠性等基础上，找到最合适的PBS。

2 OFAP实施过程

2.1 业务层建模

通常现代企业产品结构复杂、逻辑过程繁多，在其开发过程中牵涉到许多个学科领域的知识和公司多个不同的部门，协同设计和制造同一个产品，为此业务分析对于企业来说至关重要［19-20］。动车组整车逻辑业务分析主要包括利益相关者分析、需求分析以及用例分析。

1）利益相关者分析

利益相关者是指影响系统或与系统交互的外部实体，它不一定是人，通常与系统相连，对系统有需求或者限制系统。利益相关者分析用于建立系统的上下文，并且了解系统与外部环境之间的关联与影响。分析的手段主要有：客户访谈、参考文献、市场调研、头脑风暴等，对利益相关者进行穷举、精化、聚类和综合，最终获得利益相关者层级图。采用5W1H 法对动车组整车逻辑系统的利益相关者进行全面分析，具体见表3。

表3 利益相关者5W1H分析法

通过分析和讨论，给出了以下利益相关者。

动车组供应商：包括中车集团主机企业等动车组整车生产厂家。

列车人员：所有在列车上的人，包括乘客和列车工作人员。

约束和限制：包括法律法规、标准和具体的使用条件（高寒、多雪、高原风沙、沿海湿热以及雾霾、柳絮）等。

动车组子系统供应商：包括牵引、制动、网络等动车组子系统的生产厂家。

铁路运营商：包括机务段、动车段、车辆段、工务段、电务段、供电段、客运段和车务段。

采用用例图显示的动车组利益相关者的顶层层级关系如图2所示。

图2 利益相关者顶层关系

2）需求分析

需求开发过程不是1 次成功的，而是1 个不断循环迭代优化的过程，主要步骤包括需求获取、分析和建模。企业的需求管理质量直接与最终的产品质量和客户满意度相关，在系统工程领域属于极其重要的环节［21］。

将用户需求分成需求组和具体需求2 级，为了规范表达应给出每条具体需求条目的字段类型及其含义。动车组整车逻辑需求组分为8 组，由编号ID、简短描述和需求组的具体说明展示，具体见表4。

表4 需求组

具体的用户需求由需求ID 和需求内容表达。需求ID 是需求的唯一标识符，可考虑根据需求的层次和从属关系进行编码，主要由数字和字母组成的字符串。如：R1000 和R1001，表示了ID 为R1001 的条目是对R1000 需求的1 项细化。每个需求都有1 个唯一的ID，这使得跟踪每个ID 的来源成为可能。最重要的是用户需求本身，需求内容的定义，需要是1句完整的包含主语和描述需求具体内容的简洁句子。它是用日常语言编写的，遵循1个非常简单和简洁的模板，需求内容的定义模板为

“作为<角色>，我想要/希望<目标/愿望>以便<达到什么利益>”。

示例：作为司机，我想打开车门，以便乘客可以离开或进入列车。

在某些情况下，“以便”子句可以视为可选项目，例如

“作为<角色>，我想要/希望<目标/愿望>”。

示例：作为司机，我想打开和关闭车门。

3）用例分析

用例是对用户需求的精化，描述不同利益相关者使用动车组整车逻辑系统实现特定目标的不同方式，清晰地定义了系统的边界。通过用例分析，可以详细地理解动车组整车逻辑系统如何被使用，系统如何与利益相关者交互，系统的功能也由此诞生；通过用户需求和利益相关者分析，从需求中提取用例，识别出系统的功能，最后得到系统的用例图。针对动车组整车逻辑的用户需求，精化出31条用例，如图3所示。

图3 动车组整车逻辑用户需求用例输出示例

2.2 功能层建模

复杂产品在系统概念设计阶段的1 个重要任务是分析需要设计哪些功能才能满足目标系统的业务需求，因此1 个合理可行的功能分析过程至关重要［22］。将动车组初步打开，作为1 个灰盒子查看其所具备的功能，参照标准BS EN 15380-4—2013《铁路应用设施铁路车辆的分类系统第4部分：功能组》，结合已有的经典功能分解过程方法和查阅的相关文献资料［23］，将动车组按功能进行分类，最高级别的分为7类功能组，见表5。

表5 功能组分类

分别对8 组需求组进行相对应的7 类功能建模，并进行反复的迭代分析，以期达到需求的全覆盖。采用模块定义图显示的动车组功能组层次如图4所示。

图4 动车组整车逻辑功能架构层次

2.3 架构层建模

在对动车组整车逻辑进行业务层和功能层的建模分析基础上，对其进行白盒化。系统架构模型包括从不同抽象层次和不同视角分析得到的复杂结构［24-25］，除了包含各种元素之外，同时要考虑不同元素之间的交互关系，从而建立动车组整车逻辑架构模型如图5 所示。从图5 可以看出：动车组在架构层主要包括制动系统、辅助供电系统、旅客信息系统、远程监控系统、牵引系统、暖通/照明系统、车门系统、高压系统、烟火报警系统、供排水与卫生系统和网络控制系统。

图5 动车组整车逻辑架构模型

2.4 物理层建模

动车组整车逻辑架构模型只是对其架构层进行的初步展开，具体物理部件的实现还需要对物理层所包含的底层模块、模块之间的关系、模块之间传递的信号进行建模，具体物理组件分解如图6 所示。从图6可以看出：动车组在物理层包括列车控制与监视系统（TCMS）和若干节车辆单元，每个车辆单元包括4 节车厢，分别为1 号车、2 号车、3号车和4 号车，其中：1 号车包括司机室、充电机（BC）、门控单元（DCU）、火灾报警系统（FAS）、空调系统（HVAC）和制动控制单元（BCU）；2号车包括BCU、DCU、牵引控制单元（TCU）、FAS 和HVAC；3 号车包括高压系统、BCU，DCU，FAS，HVAC 和受电弓控制单元（PCU）；4 号车包括BCU，DCU，FAS，HVAC、旅客信息系统（PIS）和TCU。

图6 基于MBSE的动车组整车逻辑物理组件分解

3 结 语

MBSE使能动车组整车逻辑时，在全面分析已有经典方法的基础上，提出适用于动车组整车逻辑的OFAP 方法，从2个维度对动车组整车逻辑的建模方法进行规范，横向包括业务、功能、架构、物理4个层次，纵向包括静态模型和动态模型。采用OFAP方法，结合动车组专业领域特点，将动车组从黑盒到灰盒、再到白盒逐渐打开，分析动车组整车逻辑需求、用例、功能、构架以及物理的建模过程，并建立相应的系统模型。

对既有文本形式存在的动车组整车逻辑进行模型化转换，即实现动车组整车逻辑资料从“基于文本”到“基于模型”的转变，有利于技术资料的重用和积累，对提升国内动车组研发的标准化水平和实现不同平台动车组的深入互联互通具积极的促进作用，对提升动车组技术管理的水平具有积极的推动作用。