基于MBSE的车门系统设计研究

郭玉亮,朱东伟,张 丽,陈 煜

(中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心,河北 唐山 063035)

轨道车辆内部子系统众多,涉及机械、电气、控制等诸多学科,且各系统之间交互复杂,是典型的复杂装备产品。其中,车门系统作为重要子系统,承担着为司乘人员提供上下车通道的关键作用,是保障轨道车辆安全稳定运行的重要组成部分。但传统的设计方法多以文档为载体,随着产品复杂程度的不断加深,该研发模式已逐渐暴露出设计需求不明确、设计信息表达不清晰、设计方案难以验证、设计沟通反复、设计变更成本高等严重缺陷。为解决以上问题,提出了一种基于模型的系统工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)思想的正向设计方法。

MBSE可以理解为一种标准实践,是建模方法的一种形式化表达,是为了解决传统基于文档的设计方法中暴露出的问题,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[1]。其最显著的优势在于,所有的设计信息均通过模型来进行描述,保证了设计意图准确无误地跨学科传递,设计方案可通过模型进行仿真验证,设计变更影响部位表示清晰,能够有效地提升产品设计效率。

目前,MBSE方法在国外航空、航天、军工、医疗、船舶、汽车、铁路交通等领域均已获得广泛应用[2]。庞巴迪和阿尔斯通公司都通过试点项目验证了MBSE方法在轨道车辆设计生产过程中的有效性。国内对MBSE方法研究最多的则是航空、航天领域。例如,文献[3]将MBSE思想融入到航空发动机控制系统设计方法中,实现了顶层需求的全覆盖和可追溯。文献[4]以MBSE模型代替代码为载体来开展航空动力控制系统的设计过程,使软件开发重点由编码转入设计,提高了软件的可靠性。文献[5]则详细分析了MBSE 与国内复杂装备研发流程之间的对应关系,有助于企业实现正向设计。

本文将MBSE 思想引入到轨道车辆车门系统的设计过程中,详细分析了MBSE 的实施流程,结合轨道车辆应用场景的特点,依托于Sys ML 建模语言,验证了MBSE在车门系统设计过程中应用的可行性,形成了适用于轨道车辆的产品正向设计流程。

1 MBSE实施过程分析

MBSE的实施由3个重要部分组成:建模语言、建模方法以及建模工具。三者之间的关系如图1所示。模型依据科学的建模方法来设计,通过统一的建模语言来描述,应用专业的建模工具进行管理。同时,建模方法的不断成熟又能促进建模工具的不断优化,建模工具、建模方法的不断完善又能扩大建模语言的应用范围。

图1 MBSE实施基础

1.1 MBSE建模语言

Sys ML语言基于统一建模语言UML 发展形成,是一种通用的针对复杂装备系统工程应用的建模语言,可支持硬件、软件、信息、制造等多领域系统的描述、设计、分析、验证等[6-7]。Sys ML 语言由9 种图组成,如图2所示。本文采用Sys ML语言来进行车门系统设计。

图2 Sys ML图分类

1.2 MBSE建模方法

本文采用Magic Grid方法论来进行系统架构设计,该方法论包含3个阶段:问题域、解决域、实现域,其中问题域完成利益相关者需求开发过程,解决域完成结构定义过程,实现域完成设计定义过程。每个域都分别从需求、行为、结构以及参数4个方面来定义目标系统。模型总体架构如图3所示。

图3 模型总体架构图

1.2.1 问题域

问题域分析的目的是识别利益相关者的需求,并使用Sys ML模型元素来清晰、无歧义地定义目标系统必须解决的问题。问题域分为两个阶段:黑盒与白盒。黑盒重点分析目标系统是如何与外界环境进行交互的,侧重业务分析;白盒则重点理解目标系统内部是如何工作的,侧重功能分析。

1.2.1.1 黑盒阶段

在问题域的初始阶段,目标系统被认为是一个黑盒,即只分析目标系统的输入和输出,不需要了解其内部结构和行为。详细分析目标系统的各种工作环境、目标系统与其他系统和用户之间的交互情况。

1.2.1.2 白盒阶段

在完成了黑盒阶段对目标系统的操作分析,就可以进入白盒阶段,详细理解目标系统应该如何运行。通过深入分析系统功能,识别出功能块,即逻辑子系统。在确定逻辑子系统后,可以描述他们之间的交互,每个子系统都可以有自己的数值特征,即可度量指标(Measure of Effectiveness,MoE)。

1.2.2 解决域

定义目标系统逻辑设计的精确模型,甚至是系统的几个变化方案,通过权衡分析,选择最优的解决方案来实现系统。解决域同样包括所设计系统的需求、行为、结构、参数。从系统级向下到子系统级,从子系统级向下到部件级,甚至更深入。系统结构模型的精细度取决于迭代的次数。

1.2.3 实施域

在完成了整个系统的解决方案之后,即定义出了目标系统的物料需求说明书,系统就可以进入到详细设计阶段了。但详细设计不是MBSE 的主要研究部分,后续可基于机械和电气CAD 软件来进行设计。

1.3 MBSE建模工具

CATIA Magic是基于Magic Grid方法论开发的一款著名的MBSE逻辑架构建模工具。它采用Zachman风格矩阵来指导用户完成建模过程,并可通过修改或扩展来支持特定用户的使用需求。目前该建模工具已在国内外各行业的MBSE 项目中推广应用[8-9]。本文采用CATIA Magic来进行车门系统设计。

2 基于MBSE的车门系统设计

本文以车门系统为设计主体,相关流程中省略了其子系统的建模内容。

2.1 车门系统问题域黑盒分析

2.1.1 顶层需求分析

应用MBSE方法进行设计时,首先需要梳理车门系统的利益相关者需求,将模糊不清的用户需求整理成能够指导设计的语言,需求来源包括用户需求、政府法规、政策、程序、内部指南等[10-11]。

通过分析标准EN 15380-4:2013《铁路设施 铁道车辆的标识体系 第4部分:功能组》,车门系统的需求可以分为功能和性能两类,功能需求包括开门、关门、隔离3种,性能需求包括隔声、隔热、可靠性、安全性等。图4展示了车门系统的功能需求。

图4 车门系统功能需求图

2.1.2 系统上下文分析

通过系统上下文或操作环境来确定车门系统的外部视图,包括车门系统本身、用户、其他系统等,可以定义多个系统上下文[12]。

在Magic中的建模包括2个阶段:初始阶段和最终阶段。在初始阶段期间,定义一个或多个系统上下文,并识别参与每个上下文的元素。通过分析系统行为,确定系统上下文的用例和模型的用例场景。在最后阶段期间,描述每个系统上下文的参与者之间的连接关系以及这些关系之间传递的介质。

通过分析车门系统的使用场景,其系统上下文包括:司乘人员、网络系统、牵引系统、车体系统、内装系统、辅助供电系统。车门系统与其他系统或用户之间的交互信息包括:开/关门指令、释放指令、车门状态、门开/关到位信号、DC 110 V。图5通过内部块图描述了车门系统的上下文。

图5 车门系统上下文

2.1.3 用例分析

用例和用例场景能细化功能需求,更精确地描述客户对车门系统的期望以及他们希望通过使用它来实现的目标。

根据车门系统的功能需求,在车辆运行状态下定义了门打开、门关闭、门隔离3个用例,图6通过用例图描述了车门系统的系统用例。其中,针对门打开的系统用例创建了门打开的活动图,如图7所示,对车门系统打开车门的活动进行了详细定义,更加精确地描述了系统需求。

图6 车门系统用例

图7 门打开活动图

2.1.4 可度量指标定义

可度量指标(MoE)以数字化的形式来捕获车门系统的特征,细化了性能需求,描述了车门系统在特定环境中执行任务的程度。在问题域模型中,他们充当高级关键性能指标,可以在解决方案域模型中自动检查。

根据车门系统的性能需求,定义了传热系数和隔声量2个指标来衡量车门的隔热、隔声能力,如图8所示。

图8 车门系统可度量指标

2.2 车门系统问题域白盒分析

2.2.1 功能分析

通过分解黑盒阶段用例图中定义的车门系统的每个功能来深入分析系统行为。

在Magic中建模的初始阶段,将车门系统的顶层需求分解成更详细的系统行为,有助于识别这些功能的功能块,即逻辑子系统。捕获完逻辑子系统后,再指定哪些逻辑子系统负责哪些功能。在Magic建模的最终阶段定义了哪些逻辑子系统负责执行每个功能,即需要将功能行为分配到对应的逻辑子系统中。图9通过活动图详细描述了打开车门过程中各系统是如何动作的。

图9 各系统动作过程

2.2.2 逻辑子系统分析

通过模型来定义逻辑子系统,逻辑子系统被看作是一组相互连接、相互作用的部件,这些部件执行目标系统的一个或多个功能。在建立子系统连接或实现系统功能的过程中,也需要将其与其他系统交互的接口描述清楚。

通过分析,定义车门系统由控制系统、隔离系统、执行系统、警示系统、站台补偿器5个子系统组成,如图10所示。车门系统与其他系统之间的接口包括:电能、MVB、气能。图11用内部块图描述了车门系统内部子系统之间的接口信息、交互信息。

图10 车门系统逻辑子系统

图11 车门系统内部接口

2.3 车门系统解决域分析

2.3.1 系统需求分解细化

设计车门系统架构之前需要定义系统需求说明书,并在设计过程中进行遵循。从黑盒和白盒角度分析问题域得到的结果作为生成系统需求说明书的输入,系统需求来源于车门系统顶层需求,同时根据问题域的模型进行了细化和丰富。

在Magic中建模的初始阶段,捕获系统需求,同时建立系统需求与利益相关者需求的追溯关系、系统需求问题域模型元素的追溯关系。

在系统需求域系统解决方案的元素之间建立追溯关系。在理想情况下,所有系统需求都由解决方案域模型中的一个或多个元素来满足。图12描述了车门系统需求与顶层需求的追溯关系。

图12 车门系统需求与顶层需求的追溯关系

2.3.2 系统架构设计

系统需求说明书完成后,就开始构建车门系统解决方案,将所有子系统都放在同一个层级,同时定义接口,确定各个子系统之间、子系统内部是如何交互并整合到整体中[13]。最后将已完成子系统的解决方案架构集成到一个模型中,构建整个系统的集成解决方案。这样可以验证子系统之间能否正确通信。图13是车门系统的物理架构。

图13 车门系统物理架构

2.3.3 系统行为分析

行为模型应该满足功能系统需求,将所有子系统的行为模型集成到一个模型中,形成整个车门系统的行为模型,可以检查这些子系统能否通过定义的端口来相互通信。以自动开门功能为例,图14通过活动图详细描述了门打开的过程中车门系统内部的动作情况。

图14 门打开过程中车门系统内部活动图

2.4 车门系统实施域分析

解决域模型设计完成后,车门系统实际上已经能被视为是一个真实系统,通过分析其物理需求,进一步细化需求,为后续详细设计阶段做好铺垫。

图15展示了车门系统的物理结构。除了物理结构,详细设计阶段还需要考虑车门安装接口、主体结构寿命、门扇强度以及一系列性能指标等需求。表1描述了车门系统的部分性能指标。

表1 车门系统的部分性能指标

图15 车门系统物理结构

3 结论

本文将MBSE 思想引入轨道交通车门系统的设计过程中,详细分析了MBSE 实施过程,基于Magic Grid方法论,结合轨道车辆应用特点,将车门系统从黑盒到白盒逐层分解,分析车门系统的需求、功能、架构,并通过Sys ML语言建立相应模型,给出最优设计解决方案。研究结果表明,基于MBSE 的车门系统设计过程验证了MBSE 方法在轨道车辆领域应用的可行性,形成了适用于轨道交通的产品正向设计流程。该方法能够保证整个设计过程中需求明确、设计信息准确可追溯,能够有效减少沟通成本,提高设计和更改效率。后续将继续在轨道交通其他子系统中实践基于MBSE的产品正向设计流程。