陳 波

（1 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；2 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京100081）

系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能成功實現(xiàn)的跨學科的方法和手段。系統(tǒng)工程專注于:在開發(fā)周期的早期階段定義客戶需求與所要求的的功能性，將需求文件化，然后再進行設計綜合和系統(tǒng)確認，并同時考慮完整問題，即運行、成本、進度、性能、培訓、支持、試驗、制造和退出問題時，進行設計綜合和系統(tǒng)確認。系統(tǒng)工程把所有學科和專業(yè)群體綜合為一種團隊的努力，形成從概念到生產(chǎn)再到運行的結(jié)構化開發(fā)流程[1]。

系統(tǒng)工程的應用和發(fā)展離不開標準，其中ISO/IEC/IEEE 15288：2015 標準建立了一個通用過程框架，用于描述采用系統(tǒng)工程構建的人造系統(tǒng)的生命周期，具體工業(yè)領域亦會根據(jù)專業(yè)實際形成各自的配套標準。英國標準協(xié)會(BSI)認為:標準是相關行業(yè)中了解機構需要并掌握專業(yè)知識人士的智慧結(jié)晶，這些專業(yè)人士包括制造商、供應商、銷售商、采購商、客戶、行業(yè)協(xié)會、用戶或監(jiān)管機構，標準即是知識[2]。

以動車組為代表的鐵路機車車輛是一種復雜產(chǎn)品，因此歐洲主機企業(yè)如西門子、龐巴迪和阿爾斯通等在動車組設計研制中采用了系統(tǒng)工程方法[3?5]。經(jīng)多年的實踐與積累，歐洲逐步形成了 EN 15380 系列標準[6?10]，從不同維度對鐵路機車車輛進行系統(tǒng)分類（分解結(jié)構），可對應用于產(chǎn)品生命周期的不同階段。

從系統(tǒng)工程角度對EN 15380 標準的應用價值進行解析，為工業(yè)數(shù)字化背景下新型動車組的研制使能提供參考。

1 EN 15380 相關標準介紹

1.1 EN 15380

EN 15380 標準“鐵路應用鐵路車輛的標識體系”由歐洲標準化委員會CEN/TC256/WG19“分類系統(tǒng)和文件”制定，共包括5 部分，從不同視角構建了鐵路車輛的標識體系，如表1 所示。

表1 EN 15380 系列標準

EN 15380 的主要來源于德國標準DIN 25002 系列，各部分的演進關系如圖1 所示。EN 15380 系列標準為鐵路車輛分類建立了一個統(tǒng)一通用的方法，適用于所有項目視角。2006 年發(fā)布的第一批標準除EN 15380-1“總則”外，還包括EN 15380-2“產(chǎn)品組”、EN 15380-3“指定安裝地點和位置”和DIN 25002-5“功能組件”，分別代表了產(chǎn)品視角、位置視角和功能視角，也是以下生命周期流程的基礎:

?需求、投標書、合同、規(guī)范的定義；

?標準子系統(tǒng)的建立；

?設計（需求、規(guī)范）；

?責任區(qū)劃分；

?產(chǎn)品規(guī)劃支持；

?項目規(guī)劃支持；

?不同系統(tǒng)解決方案的比較；

?維護和修理規(guī)范；

?可靠性研究、數(shù)據(jù)采集；

?將設備分配給功能；

?功能、產(chǎn)品和位置的指定。

2013 年 基 于 DIN 2500-5 發(fā) 布 了 EN 15380-4“ 功 能組”，2014 年發(fā)布了新制定的EN 15380-5“系統(tǒng)分解結(jié)構(SBS)”，至此EN 15380 系列標準的5 部分全部形成，而DIN 25002-3“文件分類”被撤銷，未包含在EN 15380系列中。

圖1 DIN 25002 和EN 15380 系列標準演進關系

實際上，EN 15380-4 和EN 15380-5 中才正式出現(xiàn)產(chǎn)品分解結(jié)構（Product Breakdown Structure， PBS）、功能分解結(jié)構（Function Breakdown Structure， FBS）和系統(tǒng) 分 解 結(jié) 構（System Breakdown Structure， SBS）的術語。

機車車輛產(chǎn)品定義階段和后續(xù)流程的參與各方均使用FBS，根據(jù)標準化的功能列表來構建功能需求和用例。因此，F(xiàn)BS 從概念開始，并貫穿整個產(chǎn)品生命周期，結(jié)構的詳細程度可根據(jù)項目進度進行調(diào)整。這意味著產(chǎn)品概念目錄中的功能主要由需求描述，功能轉(zhuǎn)移到可實施的硬件和軟件則是后續(xù)的任務。

PBS 由子系統(tǒng)和設備的標準化列表組成，用于構建系統(tǒng)需求和相關用例，而FBS 標準描述了車輛的功能，并用于獲取功能需求間的相關性、功能結(jié)構以及相關用例。

此外，F(xiàn)BS 還可以用于系統(tǒng)分析，功能評估支持整個工程流程和RAMS/LCC 領域，并且RAMS/LCC 參數(shù)往往在技術解決方案信息不足的階段就需要給出，在此項目階段EN 15380-2 是不適用的。

在諸如安全和可靠性分析、檢查和測試、維護方案、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等以功能作為關鍵事項的場合，通信基于由功能組構成的車輛功能結(jié)構，特別是需要考慮跨系統(tǒng)或跨學科的重要性時。

SBS 提供了在可管理且可識別的主要系統(tǒng)和子系統(tǒng)中定義鐵路車輛的方法，其提出的通用結(jié)構可由各利益相關者使用，例如監(jiān)管機構、運營商、維護者、集成商和供應商等。SBS 可用于根據(jù)EN 15380-4 將功能鏈接到主系統(tǒng)和子系統(tǒng)，亦可用于將子系統(tǒng)與產(chǎn)品相關聯(lián)，EN 15380-2 給出了產(chǎn)品或產(chǎn)品組的示例。此外，SBS提供了一種用于優(yōu)化列車架構的通用穩(wěn)定結(jié)構“黑盒方法”。

SBS、FBS 和PBS 的關系取決于鐵路車輛的架構設計，根據(jù)架構設計的不同，將有不同的功能分配到子系統(tǒng)，或者有不用的產(chǎn)品關聯(lián)到子系統(tǒng)。

EN 15380-5 的 SBS 與 EN 15380-4 的 FBS 和EN 15380-2 的PBS 是相輔相成關系，從不同視角描述了機車車輛產(chǎn)品，可在產(chǎn)品生命周期的不同階段使用。EN 15380-1 的附錄C 中給出了產(chǎn)品生命周期不同階段中FBS 和PBS 兩種結(jié)構的重要性差異，EN 15380-5 的附錄B 中給出了SBS、FBS 和PBS 三者關聯(lián)的示例。

1.2 IEC/ISO 81346

在EN 15380 系列標準中，IEC/ISO 81346 及其前身IEC 61346 是重要的規(guī)范性引用文件。IEC/ISO 81346 系列標準“工業(yè)系統(tǒng)、裝置與設備以及工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構原則和參照代號”由IEC TC 3 和ISO TC 10 聯(lián)合制定，現(xiàn)行發(fā)布的部分見表2，目前仍在不斷發(fā)展中。

在系統(tǒng)設計中，需要識別系統(tǒng)及其要素，這可以通過命名系統(tǒng)來實現(xiàn)。但隨著復雜性的增加，需要系統(tǒng)及其元素的特定標識符，該標識可確保利益相關者和IT系統(tǒng)能夠在各種模型和文檔中識別相關系統(tǒng)的要素。IEC/ISO 81346 也稱為參考標識系統(tǒng)（Reference Designation System， RDS）標準，其為確立系統(tǒng)及其子系統(tǒng)和/或部件的標識符提供了規(guī)則和準則，據(jù)此可建立易于識別和人類可理解的標識符來支持設計工作。因此，IEC/ISO 81346 受到各種IT 軟件的廣泛支持，早期源于電氣和機械制圖應用，但如今采用的領域更為廣泛。

表2 IEC/ISO 81346 系列標準

IEC/ISO 81346 的歷史淵源較為復雜，1971 年的IEC60113-2 定義了RDS 的基礎，隨后歷經(jīng)了IEC 60750：1983 和 IEC 61346-1：1996，綜合考慮進 ISO TS 16952-1 的內(nèi)容，最終修訂形成了IEC/ISO 81346-1：2009。隨著標準的發(fā)展，其應用領域也逐年擴大，如圖2 所 示[11]。

圖2 參考標識系統(tǒng)標準的發(fā)展與應用范圍

中國國內(nèi)也等同采用IEC 61346 或IEC/ISO 81346標準制定了GB/T 5094 標準，相關標準的演進關系如圖3 所示。2002～2005 年首批GB/T 5094 標準同等采用 IEC 61346 標準，共 4 部分，其中 IEC 61346 的第 3、4部分為技術報告（TR），第3 部分后轉(zhuǎn)化為ISO TS 81346-3：2012，后均被廢止。隨著 IEC 61346：1996 第 1、2 部分更新為 IEC/ISO 81346：2009，GB/T 5094 第 1、2部分也更新為2018 版，為等同采用國際標準。目前，IEC/ISO 81346 第 2 部 分 已 更 新 為 2019 版 ，第 1 部 分 的修訂更新工作正在進行中。

“只有復雜性才能降低復雜性”是已故著名系統(tǒng)思想家尼克拉斯·盧曼（1927?1998）提出的一個系統(tǒng)理論規(guī)則，能夠降低（任何技術）復雜性的必要復雜性是系統(tǒng)思維，也是IEC/ISO 81346 標準的思想源頭，其包含兩層含義[12]:

圖3 GB/T 5094 采標情況

（1）一切都可以看作是一個系統(tǒng)；

（2）系統(tǒng)要素的關聯(lián)有3 種關系:部分關系、類型關系和語用關系（參考ISO 704）。

部分關系用于將任何系統(tǒng)細分為部分，并識別為系統(tǒng)元素，其允許對復雜系統(tǒng)進行無限細分，即是IEC/ISO 81346?1 中的內(nèi)容。

類型關系用于創(chuàng)建系統(tǒng)類，其用于識別系統(tǒng)，并防止信息“野蠻增長”，對應IEC/ISO 81346-2 中的類。

1.3 ISO/IEC/IEEE 15288

ISO/IEC 15288《系統(tǒng)和軟件工程系統(tǒng)生命周期過程》是國際標準化組織第一個用于處理全壽命周期過程中硬件、軟件以及人員之間交互的國際標準，由國際標準化組織與國際電工委員會技術聯(lián)合會信息技術分委員會（ISO/IEC-JTC1-SC7）管理，該委員會負責開發(fā)ISO/IEC 在系統(tǒng)和軟件工程領域的標準[13?14]。

在系統(tǒng)工程的發(fā)展過程中，曾經(jīng)形成的流程標準和模 型 主 要 有 :MIL-STD-499、ANSI/EIA 632、IEEE 1220、ISO/IEC 15288、CMMI，其 演 變 關 系 如 圖 4所示。

系統(tǒng)工程標準的發(fā)展是由ISO/IEC JTC1/SC7、IEEE-CS、INCOSE、EIA、ISO/IEC JTC1 SC27、ISO TC 184 和CMMI 等標準化組織和技術協(xié)會共同發(fā)展起來的，如圖5 所示。

第 1 版 ISO/IEC 15288 發(fā) 布 于 2002 年 ，2004 年IEEE 采用形成 IEEE Std 15288:2004，實現(xiàn) 3 大標準組織在系統(tǒng)工程標準上的統(tǒng)一。2008 年，ISO/IEC 15288首次修訂，重點解決ISO/IEC 15288：2002 和 ISO/IEC 12207：1995 之間的不協(xié)調(diào)，例如術語與定義的不同或沖突（如過程名稱），技術內(nèi)容重疊，過程組（集）和過程構架不相同等，同時吸收了系統(tǒng)工程最新研究與應用成果[15]。

圖4 系統(tǒng)工程和軟件工程標準的演變關系

圖5 系統(tǒng)工程標準的貢獻組織

ISO/IEC/IEEE 15288 規(guī)定了人造系統(tǒng)在生命周期內(nèi)的一組通用過程以及相關術語（概念），核心技術內(nèi)容主要包括兩部分:系統(tǒng)的生命周期模型和生命周期的階段；系統(tǒng)在生命周期內(nèi)的通用過程。

2008 年我國等同采用ISO/IEC 15288:2002 發(fā)布了GB/T22032—2008《系統(tǒng)工程 系統(tǒng)生存周期過程》，目前ISO/IEC/IEEE 15288 最新為2015 版，國標與其有較大版本差異。

1.4 標準相關性分析

隨著系統(tǒng)工程和軟件工程的發(fā)展，ISO/IEC/IEEE/EIA/INCOSE 等標準化組織或技術協(xié)會做了大量的標準制定和協(xié)調(diào)工作，在ISO 網(wǎng)站上以“SYSTEMS AND SOFTWARE ENGINEERING”為關鍵詞檢索到的現(xiàn)行標準/技術規(guī)范/技術報告數(shù)量有近百個。

標準往往不是一個孤立的存在，而是配套使用的，這對系統(tǒng)工程而言尤其如此。丹麥的Systems Engineering A/S 公司提出了一種系統(tǒng)工程概念（Systems Engineering Concept， SEC），可供項目所有參與者使用，從而節(jié)省時間并提高質(zhì)量。該概念基于ISO/IEC/IEEE 15288、ISO/IEC/IEEE 42010、IEC/ISO 81346、IEC 61355 和IEC 62023 等標準，通過對成功方法進行逆向工程總結(jié)而來[16?17]，如圖 6 所示。

INCOSE 俄羅斯分會正在努力使OMG Essence 語言中的系統(tǒng)思維與ISO/IEC/IEEE 15288、ISO/IEC/IEEE 42010、IEC/ISO 81346 和 ISO 15926 等標準共同使用[18]。Essence 標準于2014 年由軟件工程方法和理論（SEMAT）和對象管理組織（OMG）創(chuàng)建，為定義所有軟件工程通用的方法和實踐提供通用語言。INCOSE俄羅斯分會當前的工作將使Essence 延伸至系統(tǒng)工程領域，如同基于軟件工程的UML 發(fā)展出系統(tǒng)工程的Sys-ML 一樣。

不難發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)工程應用中，IEC/ISO 81346 和ISO/IEC/IEEE 15288 有著密切的聯(lián)系。IEC/ISO 81346 中定義的RDS 識別出了系統(tǒng)及其元素，參考標識作為RDS 的輸出，可以是一個TAG 編號，充當系統(tǒng)和系統(tǒng)元素的標簽，用于即時和明確的識別不同類型的文檔、有形產(chǎn)品及無形產(chǎn)品（如軟件工具中的不同模型）的標簽。RDS 是一項國際“命名公約”，專為系統(tǒng)及其元素而設計，是支持不同學科之間共同理解的實用技術。在IEC/ISO 81346 的形成歷史中，參考標識逐步被意識到是可以用作信息管理的強大工具，并貫穿于整個生命周期，而系統(tǒng)思維亦成為標準的組成部分。因為RDS是基于系統(tǒng)思維模式的，因此應用RDS 的決策自動導向系統(tǒng)意識，從而為應用系統(tǒng)工程打開了大門[11]。

圖6 Systems Engineering A/S 公司的系統(tǒng)工程概念

EN 15380 可以認為是IEC/ISO 81346（前身IEC 61346）在軌道交通領域的具體應用，對IEC 61355 亦有引用。IEC/ISO 81346-1 認為，在幾乎所有項目（工廠、系統(tǒng)、設備等）的生命周期中功能、產(chǎn)品和位置等方面均是必要并適用的，因此結(jié)構化中將三者考慮為主要方面和初始應用，并建立了相應的結(jié)構原則。EN 15380 系列標準的設置中，第2、3、4 部分即分別代表了鐵路機車車輛的產(chǎn)品、位置和功能方面，如表3 所示。

表3 EN 15380 與IEC/ISO 81346-1 結(jié)構方面的關系

在EN 15380 的第4 和5 部分中，分別描述了FBS、PBS 和SBS 3 種分解結(jié)構間的交互關系。通常，建立EN 15380-4 兼容結(jié)構（FBS）的規(guī)范會概述于需求文檔中，該文檔列出了指定系統(tǒng)所需的功能，并說明了功能需求未被滿足時允許的后果。使用這種方法可以創(chuàng)建車輛的功能結(jié)構，而無需說明其技術實現(xiàn)，F(xiàn)BS 可以用于進行初步的（與功能相關的）可靠性和安全性分析等。

在工程過程的設計階段結(jié)束時，根據(jù)EN 15380?2中的產(chǎn)品結(jié)構視圖，將FBS 的指定功能分配給特定的組件。需要注意的是，可以將多個功能分配給單個組件，而單個功能也可以通過幾個不同的組件共同實現(xiàn)。因此，如果觀察系統(tǒng)的視角（功能方面或產(chǎn)品方面）發(fā)生了變化，那么考慮所有相關的相互關系就顯得尤為重要。

由于EN 15380-4 中規(guī)定的結(jié)構允許為功能分配屬性，因此通過適當?shù)木幊?，用戶將可進行非常具體的分析（例如熱負荷分析、針對特定乘客群體的分析等）。

EN 15380-5 中對“系統(tǒng)”符號的設置依據(jù)EN 81346-1（IEC 81346-1）中的規(guī)則 16:“若需要補充系統(tǒng)同一面內(nèi)附加視圖時，則這些視圖內(nèi)的參照代號由雙倍（或三倍等）前綴符號組成。這些補充視圖的含義和應用應在支持文件中解釋。”

從表 2 中 EN 15380-4 和 EN 15380-5 對參照代號的定義（FBS 前綴符號為“=”，SBS 前綴符號為“==”）可知，SBS 是FBS 的附加視圖補充，本質(zhì)上還是從功能方面對目標系統(tǒng)的分解。

EN 15380-5 中給出了關聯(lián) FBS、PBS 和 SBS 的兩個簡化示例，具體項目中的關聯(lián)關系取決于用戶的定義。若EN 15380-2 和EN 15380-5 同時使用，應采用EN 15380-5 的兩個級別，而如果需要發(fā)展出第三級乃至更多級別，則應使用EN 15380-2 的元素。

EN 15380-4 提供的FBS 在編寫需求規(guī)范時是一個有用的檢查表，雖然該列表并非詳盡無遺，但卻是鐵路工業(yè)對于機車車輛基本功能要求的知識經(jīng)驗總結(jié)，有助于提醒需求規(guī)范的編寫者:

（1）其指出了子功能與主功能間的關系。

（2）其對相關的其他主要功能和系統(tǒng)進行了突出顯示，由于這些主要功能和系統(tǒng)不在正開發(fā)系統(tǒng)的范圍之內(nèi)，在開發(fā)的早期階段需將其作為假設進行管理。

為了避免在分解結(jié)構中出現(xiàn)大量重復元素，EN 15380-4 和EN 15380-5 分別定義了所謂“橫向功能”和“橫向系統(tǒng)”。橫向功能可能同時影響FBS 的多個2 級或3 級功能，橫向系統(tǒng)是屬于或連接到多個主要系統(tǒng)或子系統(tǒng)的子系統(tǒng)。

在電力系統(tǒng)自動化領域，IEC 61850 是基于通用網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準，實現(xiàn)了智能變電站的工程運作標準化。不論是哪個系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過系統(tǒng)配置文件（SCD）了解整個變電站的結(jié)構和布局，對于智能化變電站發(fā)展具有不可替代的作用，這離不開背后大量的標準化工作。對于如何為智能電子設備（IED）中的對象命名，IEC 61850 有多種選項，而產(chǎn)品相關命名和功能相關命名是主要的兩種。但IEC 61850 沒有直接對如何命名電壓等級、托架或IED 進行定義，而是直接引用了IEC 81346，用于命名變電站內(nèi)的不同等級和對象[19?20]。因此，IEC 61850 是IEC 81346 在具體工業(yè)領域中應用的一個成功案例。

2 基于模型的系統(tǒng)工程

在INCOSE 在2007 年發(fā)布的《系統(tǒng)工程愿景2020》中，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）被定義為:MBSE 是建模方法的一種形式化表達，用以支持從概念設計階段到制造、應用、維護等階段，需求、設計、分析、驗證和確認活動[21]。在2014 年發(fā)布的《系統(tǒng)工程2025 年愿景》中，MBSE 的定義發(fā)展為:MBSE 是一種標準實踐，與其他建模和仿真以及數(shù)字企業(yè)功能集成在一起[22]。從中可以看出，經(jīng)過多年的發(fā)展，MBSE 已經(jīng)成為工業(yè)界特別是復雜產(chǎn)品制造工業(yè)界的共識，并向著“標準化”發(fā)展。

簡要的說，MBSE 主要將產(chǎn)品視為一個復雜的系統(tǒng)，并幫助設計人員和制造商管理整個產(chǎn)品生命周期開發(fā)。MBSE 允許對系統(tǒng)的復雜性進行分解，并確保系統(tǒng)需求至功能、功能至子系統(tǒng)和組件、子系統(tǒng)至構造部件（按部件號分類）的完整可追溯性[23]。

使用MBSE 方法，系統(tǒng)工程師會與采用傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法（基于文本）一樣，執(zhí)行同樣的生命周期活動，但采用MBSE 方法后這些活動輸出的主要產(chǎn)物是一份集成、清晰并且一致的系統(tǒng)模型，原來的文本成為了補充，甚至可以從系統(tǒng)模型中導出。MBSE 的實施需要3大支柱:一種建模語言、一種建模方法以及一種建模工具[24]。

2.1 MBSE 3 大支柱

MBSE 實踐者通常會使用系統(tǒng)建模語言（SysML）來創(chuàng)建系統(tǒng)結(jié)構、行為、需求和約束的模型[24]。SysML是一種通用圖形建模語言，由對象管理組織（OMG）制定和維護，用于表示可能包括硬件和設備、軟件、數(shù)據(jù)、人員、設施和自然對象組合的系統(tǒng)。SysML 支持MBSE 的實踐，用于開發(fā)系統(tǒng)解決方案，以應對復雜且往往技術具有挑戰(zhàn)性的問題[25]。雖然SysML 已被接受為國際標準ISO/IEC 19514?2017，但SysML 并非是唯一的建模語言，其他設計領域的工程師和分析師（例如系統(tǒng)之系統(tǒng)、軟件、硬件、性能、業(yè)務過程等）都有可用的且更適合其設計系統(tǒng)類型的建模語言，其中很多如Sys-ML 一樣是圖形建模語言如UML、UPDM、BPMN、MARTE、SoaML 和 IDEFx 等，也有文本建模語言如Verilog 和Modelica 等。事實上SysML 正是基于UML而制定，SysML 的9 種圖及與UML 的關系如圖7所示。

圖 7 SysML 的 9 種 圖

建模語言是MBSE 實施的第1 個支柱，其語法規(guī)則的定義決定了特定模型的形式是否良好。而建模方法類似于路線圖，作為MBSE 的第2 個支柱，是建模團隊創(chuàng)建系統(tǒng)模型要執(zhí)行的一系列設計任務的文檔。文獻已經(jīng)記載了多種建模方法如INCOSE 面向?qū)ο笙到y(tǒng)工程方法（OOSEM）、Weilkiens 系統(tǒng)（SYSMOD）建模方法、IBM Telelogic Harmony?SE 等，但這些建模方法并不是普適的，用戶一般需要針對自己的項目進行建模方法的裁剪。

熟練掌握建模工具是MBSE 的第3 個支柱，建模工具是一類特殊的工具，遵守一種或多種建模語言的規(guī)則，以被使用創(chuàng)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 流程與EN 15380

MBSE 方法包括初步選擇合適的產(chǎn)品生命周期模型，例如眾所周知的“V 模型”。但是，MBSE 的一個重要特點是它應用了一些可重用的、數(shù)字化的模型，包括系統(tǒng)行為、架構和操作的定性描述（功能建模）及定量描述（物理建模乃至數(shù)值建模），其基于數(shù)值和數(shù)學結(jié)構。利用數(shù)值建模來描述系統(tǒng)幾何結(jié)構，以預測其性能，通常借助異構仿真來進行配置的權衡分析，其中包括功能模型和物理模型。對需求的驗證和對產(chǎn)品的確認甚至也依靠這些模型，以分別檢查產(chǎn)品和模型、產(chǎn)品和客戶需要之間的對應關系。

在MBSE 過程中，用戶需執(zhí)行需求分析，然后按順序進行操作、功能、邏輯和物理分析，以達到設計綜合。

如圖8 所示，兩種共同活動如權衡分析、需求驗證及系統(tǒng)確認（V&V）的部署依托于3 種典型分析即系統(tǒng)需求分析、功能（和操作）或功能失調(diào)分析以及物理分析。近年來，對工業(yè)產(chǎn)品而不僅僅是軟件產(chǎn)品的應用，建議將功能分析分為功能和操作的初步識別以及后續(xù)的系統(tǒng)架構執(zhí)行的邏輯活動，因此在設計活動中增加了邏輯分析作為中間步驟[23，26]。

圖8 MBSE 方法應用于產(chǎn)品開發(fā)的主要功能概述

在功能分析之后，定義了系統(tǒng)的功能架構，表現(xiàn)為FBS。在此級別尚未指定該架構的實際實現(xiàn)，因為分析僅通過獨立于解決方案的方法執(zhí)行，即系統(tǒng)元素由它們必須提供的功能描述，但實際組件尚未包括在內(nèi)。

邏輯分析的目的是提出一個支持功能行為的初步系統(tǒng)架構。這是一個特定的設計階段，主要關注功能架構在一個或多個系統(tǒng)備選上的分配，通過設計參數(shù)的選擇，使系統(tǒng)備選符合功能需求，并且彼此相當。

當評估非功能需求并測量系統(tǒng)的實際性能時，邏輯分析是一個介于純功能分析和物理分析之間的中間步驟，定義了系統(tǒng)的邏輯架構，表現(xiàn)為邏輯分解結(jié)構（Logical Breakdown Structure， LBS）。

邏輯分析設想是允許識別適當?shù)脑睾徒M件，具有最終產(chǎn)品在高級別的一些通用特征，這將在PBS 中進一步描述。

在PBS 形成過程中，可能會涉及具體的物理分析過程。物理分析是工程中經(jīng)常進行的一項主要活動，它與性能評價、動力學與結(jié)構仿真、有限元分析、CAD 建模等相關。它包含了各領域中與數(shù)值建模相關的所有可能的任務，旨在用數(shù)值模型代替真實組件，以降低在真實組件和系統(tǒng)上測試相關的花費。數(shù)值仿真用于定義最適合用于構成PBS 的商業(yè)組件的標簽數(shù)據(jù)。

在MBSE 實踐中，以SysML 為代表的系統(tǒng)建模語言為客戶、制造商和供應商之間的交互提供了一個標準，以圖的形式。一般采用需求圖描述系統(tǒng)的需求，采用活動圖、順序圖、狀態(tài)機圖和用例圖描述系統(tǒng)的行為，采用塊定義圖、內(nèi)部塊圖和包圖描述系統(tǒng)的架構。FBS、LBS 和PBS 3 種分解結(jié)構被創(chuàng)建，其允許將系統(tǒng)功能與邏輯組件區(qū)分開來，描述它們的操作，而不是關聯(lián)的商業(yè)產(chǎn)品；亦可將系統(tǒng)功能與產(chǎn)品組件區(qū)分開來，產(chǎn)品組件隨后在市場上實際可用的組件中選取。設計綜合帶來完整產(chǎn)品集成的定義，適應認證（可預期時）或產(chǎn)品責任和RAMS 的需要。

不難發(fā)現(xiàn)，EN 15380 系列標準中定義的動車組FBS、SBS 和 PBS 與 MBSE 流程中的 FBS、LBS 和 PBS是分別對應的，適用于系統(tǒng)設計的不同階段。EN 15380-5 中定義的SBS 本質(zhì)上是功能方面的附加視圖，屬于FBS 和PBS 間的過渡，與LBS 的定位是一致的。因此，EN 15380 正是為在動車組設計中采用MBSE 方法而生，具有重要的應用價值。

3 EN 15380 應用案例

EN 15380 系列標準在歐洲的應用與SE 乃至MBSE 在歐洲軌道交通行業(yè)的推廣有密切的聯(lián)系，涉及的主要利益相關者包括鐵路運營商、制造商和子系統(tǒng)供應商等，采用EN 15380 的組織或項目有EuroSpec、國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和 Shift2Rail 計劃的 CONNECTA 等。國內(nèi)基于EN 15380 的前3 部分制定了TB/T 3416《動車組編碼標識系統(tǒng)》，但采用響應并不明顯。

3.1 EuroSpec

EuroSpec 不是一個官方的標準化組織，而是一個從歐洲鐵路運營商的角度為車輛系統(tǒng)和部件提供通用的、功能的以及協(xié)調(diào)的規(guī)范的組織。在歐洲標準化過程中，從用戶角度進行協(xié)調(diào)對于最終行業(yè)標準的成功至關重要。EuroSpec 填補了在自愿領域中缺少協(xié)調(diào)規(guī)范的空白，其在歐洲標準體系中的定位如圖9 所示。

圖 9 EuroSpec 的定位

EuroSpec 基于幾個列車運營公司的運營經(jīng)驗和現(xiàn)有需求，其活躍成員目前包括6 個歐洲鐵路運營公司:荷蘭鐵路（NS）、德國鐵路（DB）、法國國營鐵路公司（SNCF）、奧地利聯(lián)邦鐵路（?BB）、瑞士聯(lián)邦鐵路（SBB）和鐵路運送集團（RDG）。這些需求是協(xié)調(diào)一致的，可用于招標并取代個別公司的特定需求。

EuroSpec 描述了機車車輛的功能及其驗證，對公司、制造商和產(chǎn)品來說是中立的，因此不會觸及列車運營商的任何競爭領域，也不會妨礙創(chuàng)新。EuroSpec 是分發(fā)式的，并與系統(tǒng)和部件制造商進行了討論，以提高車輛的質(zhì)量和可靠性。EuroSpec 幫助避免僅僅根據(jù)個別列車運營公司的需求來重建已證明可靠的產(chǎn)品，從而支持歐洲鐵路行業(yè)基于車輛平臺的機車車輛標準化和制造。

EuroSpec 是對歐洲鐵路和基礎設施公司共同體（CER）、國際鐵路運輸委員會（CIT）、歐洲鐵路基礎設施管理者協(xié)會（EIM）和國際鐵路聯(lián)盟（UIC）聯(lián)合發(fā)布的“數(shù)字化鐵路路線圖”的響應[27]，致力于用戶需求的標準化。為了促使需求的標準化和數(shù)字化，EuroSpec 定義的需求屬性中包含了對EN 15380-2 產(chǎn)品元素和EN 15380-4 功能元素的關聯(lián)，同時對需求的管理要求符合ISO/IEC/IEEE 15288 和 ISO/IEC/IEEE 29148 等標準。

3.2 UIC 需求數(shù)據(jù)庫(EUTREQ)

作為全球最大的國際性鐵路組織，自UIC 成立起，標準化工作便是UIC 的主要任務之一，至今已形成了數(shù)量巨大的以活頁（Leaflet）形式發(fā)布的UIC 標準。2012 年底，UIC 啟動了新的標準化平臺，旨在提升UIC活頁的價值并向新的體系國際鐵路標準/解決方案（International Railway Standards/Solutions， IRS）演 進[28]，IRS 與其他機構的交互關系如圖10 所示，圖中EuroSpec 也 屬 于 IRS 的 范 疇 。

圖10 IRS 與其它標準機構

EUTREQ 是在一個高度結(jié)構化的框架內(nèi)管理鐵路系統(tǒng)的性能、基本功能和需求，并將其組織成鐵路標準的過程。因此，EUTREQ 所載的資料代表了鐵路部門有關標準的專門知識[29]。

EUTREQ 的核心工具是一個簡單但高度接口的需求數(shù)據(jù)庫，通過基本的質(zhì)量和認證程序執(zhí)行數(shù)據(jù)庫的訪問、維護和更新。需求數(shù)據(jù)庫保證了需求編制的一致性，并支持追溯和接口管理，提高了相關鐵路過程的效率。EUTREQ 為所選功能提供可用的需求（包括需求的來源），發(fā)現(xiàn)已發(fā)布規(guī)范中缺少的功能需求并增加。此外，還可以引入系統(tǒng)或產(chǎn)品需求，從而使不同利益相關者能夠利用系統(tǒng)。

未來，EUTREQ 的數(shù)據(jù)庫將不斷發(fā)展，并將引入新文件以追蹤需求描述的演變。EUTREQ 可以帶來如下收益:1、降低IRS 或Leaflets 編寫、更新、產(chǎn)出和開發(fā)的成本；2、通過認證的需求，使鐵路成分的招標文件易于修訂；3、鐵路組成部件符合性的詳細分析（功能和技術需求）；4、提供鐵路組成部分參考數(shù)據(jù)庫；5、資源的更有效管理；6、標準的相干性和一致性提高。

EUTREQ 的基本特性提供了標準內(nèi)容的系統(tǒng)視角、明確有用的需求定義、工作的追蹤日志、易修訂性、最終和進行中文檔的持續(xù)可用性以及對專家組的一貫支持。UIC 建議所有IRS 和Leaflets 都應納入EUTREQ 進行管理。

EUTREQ 為標準工作組提供了基于Excel 的交互文件，配合一定的語法規(guī)則和管理流程，實現(xiàn)標準（本質(zhì)上是條目化的需求）的新建、更新等。因為EUTREQ本身就是為鐵路標準數(shù)字化而建立，其數(shù)據(jù)庫字段中也包含了對EN 15380?4 功能元素和EN 15380?5 系統(tǒng)元素的關聯(lián)。

3.3 歐盟CONNECTA 項目[30]

CONNECTA 是歐盟Shift2Rail 計劃項目，旨在為下一代具備無線功能的TCMS 架構和組件以及下一代電子制動系統(tǒng)提供支撐。研究包括列車控制和監(jiān)測的新技術概念、標準規(guī)范和架構，尤其是列車對地通信和高安全電控制動器的特定應用。Safe4Rail 是CONNECTA 的互補項目，為基本簡化的嵌入式計算和聯(lián)網(wǎng)TCMS 平臺提供基礎，用于所有安全關鍵、時間關鍵和任務關鍵的列車功能的模塊化集成和認證，包括高達SIL4 的分布式硬實時控制、安全信號和功能，可降低TCMS 系統(tǒng)的生命周期和運用成本，并最大限度地縮短產(chǎn)品上市時間。

CONNECTA 項目的參與者主要是鐵路運營商、整車制造商、制動子系統(tǒng)供應商等，Safe4Rail 項目的參與者主要是網(wǎng)絡控制設備供應商、科研院校等。

CONNECTA 和Safe4Rail 項目的實施深度采用了MBSE 方法，在CONNECTA 項目的組織結(jié)構中，德國鐵路（DB）牽頭了 WP1?“TCMS 總體技術規(guī)范”的制定，作為 WP2～WP5 的輸入，WP2“無線與車地通信”由西門子負責，WP3“數(shù)據(jù)驅(qū)動”由龐巴迪負責，WP4“功能分布架構”由阿爾斯通負責，如圖11 所示。

圖11 CONNECTA 項目的組織結(jié)構

需求管理需遵循一定的過程，以確保系統(tǒng)以準確的方式進行分析和描述。WP1 中定義了EPIC—用戶故事—用例—功能需求—技術需求的需求層次結(jié)構，如圖12 所示。其中EPIC 是在非常高抽象級別上對需求的描述，可以進一步分解為若干用戶故事（User Story）乃至用例（Use Case），用例關注如何用系統(tǒng)實現(xiàn)用戶的特定目標。

圖12 WP1 中定義的需求層次結(jié)構

在用例階段，TCMS 還是個“黑盒”模型，在從“黑盒”向“白盒”模型轉(zhuǎn)化的過程中，EN 15380-4 的功能分解結(jié)構提供了重要的參考和輸入。FBS 描述了列車具備的所有功能，被用于建立功能需求、功能結(jié)構以及相關用例的聯(lián)系，EN 15380-4 中的功能列表有助于功能需求和用例的結(jié)構化。圖13 中展示了TCMS 的功能分解，諸如提供乘客信息功能和制動控制功能等。

圖 13 TCMS“黑盒”向“白盒”轉(zhuǎn)化

因此，CONNECTA 項目設計的新一代TCMS 是面向功能的，功能是提供給用戶的基本抽象，整車的控制通過分布式功能實現(xiàn)。架構設計是從面向功能開始，而不是直接參考技術實現(xiàn)，這種設計保證了功能間的獨立性，并賦予功能不同SIL 等級，某一功能的變更對其他功能的影響是可控的，且功能獨立于通信技術或硬件。

以WP1 為輸入，WP4 進行了功能分布架構的建立，通過應用配置（Application Profile，AP）為列車的每個子系統(tǒng)定義標準化接口，通過功能分布框架（Functional Distribution Framework， FDF）從執(zhí)行設備和通信技術中抽象出應用程序，以基于標準化框架和分布式計算的新架構概念為目標，允許在車輛上分布的高性能終端設備上執(zhí)行任何功能，具有不同的安全性和統(tǒng)一性要求。通過功能開放連接（Functional Open Coupling，F(xiàn)OC）使得由任何制造商提供的兩個或更多個編組（可具有不同列車功能）的聯(lián)掛成為可能。

FOC、AP、FDF 由 SysML 進行描述，在 AP 中利用?trace?關系設置了用例與EN 15380 元素的關聯(lián)。從Connecta 和 Safe4Rail 項 目 可 見 ，MBSE 已 成 為 新 一 代TCMS 研發(fā)的一個范式。

4 總 結(jié)

從系統(tǒng)工程角度對EN 15380、IEC/ISO 81346 和ISO/IEC/IEEE 15288 等標準的基本內(nèi)容和演進歷程進行了梳理，并分析了標準的相關性和配合關系。ISO/IEC/IEEE 15288 規(guī)定了系統(tǒng)的生命周期模型和階段，以及系統(tǒng)在生命周期內(nèi)的通用過程。IEC/ISO 81346 中定義的RDS 基于系統(tǒng)思維模式，自然導向系統(tǒng)意識。EN 15380 可以認為是IEC/ISO 81346 在軌道交通領域的具體應用，體現(xiàn)了歐洲鐵路機車車輛運用和設計經(jīng)驗。

MBSE 的3 大支柱為建模語言、建模方法和建模工具，通過需求分析、功能分析、邏輯分析和物理分析等逐步形成系統(tǒng) FBS、LBS 和 PBS，與 EN 15380 系列標準中定義的動車組FBS、SBS 和PBS 分別對應。

以 EuroSpec、EUTREQ 和 CONNECTA 等項目為例介紹了EN 15380 標準在歐洲的應用情況，MBSE 已被歐洲鐵路工業(yè)廣泛接受和應用。

圖14 列出了工業(yè)4.0 的9 項使能技術:先進制造解決方案、增材制造、增強現(xiàn)實、仿真、橫向和縱向一體化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云、網(wǎng)絡安全和大數(shù)據(jù)與分析，分為3 大類:機電一體化、MBSE 與 SE、IT 與 ICT[23]。其中，MBSE 的重要地位與INCOSE《系統(tǒng)工程2025 年愿景》中是一致的。

圖14 工業(yè)4.0 的使能技術

我國在動車組管理信息系統(tǒng)（EMIS）的建設中也借鑒了EN 15380 的內(nèi)容，并根據(jù)我國多平臺車型混跑等實際運用檢修情況，提出了以功能模塊分解結(jié)構為主，建立與各車型平臺部件分解結(jié)構映射關系的整體數(shù)據(jù)架構方案[31]。近年來，在復興號動車組產(chǎn)品研制中，我國也逐步形成了功能、系統(tǒng)和產(chǎn)品的分類方法，后續(xù)應考慮與國際標準接軌，重視系統(tǒng)性思維和MBSE 的運用，緊跟工業(yè)數(shù)字化時代的步伐。