郭玉亮,朱東偉,張 麗,陳 煜

(中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心,河北 唐山 063035)

軌道車輛內(nèi)部子系統(tǒng)眾多,涉及機械、電氣、控制等諸多學(xué)科,且各系統(tǒng)之間交互復(fù)雜,是典型的復(fù)雜裝備產(chǎn)品。其中,車門系統(tǒng)作為重要子系統(tǒng),承擔(dān)著為司乘人員提供上下車通道的關(guān)鍵作用,是保障軌道車輛安全穩(wěn)定運行的重要組成部分。但傳統(tǒng)的設(shè)計方法多以文檔為載體,隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的不斷加深,該研發(fā)模式已逐漸暴露出設(shè)計需求不明確、設(shè)計信息表達不清晰、設(shè)計方案難以驗證、設(shè)計溝通反復(fù)、設(shè)計變更成本高等嚴重缺陷。為解決以上問題,提出了一種基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)思想的正向設(shè)計方法。

MBSE可以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)基于文檔的設(shè)計方法中暴露出的問題,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(xué)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[1]。其最顯著的優(yōu)勢在于,所有的設(shè)計信息均通過模型來進行描述,保證了設(shè)計意圖準確無誤地跨學(xué)科傳遞,設(shè)計方案可通過模型進行仿真驗證,設(shè)計變更影響部位表示清晰,能夠有效地提升產(chǎn)品設(shè)計效率。

目前,MBSE方法在國外航空、航天、軍工、醫(yī)療、船舶、汽車、鐵路交通等領(lǐng)域均已獲得廣泛應(yīng)用[2]。龐巴迪和阿爾斯通公司都通過試點項目驗證了MBSE方法在軌道車輛設(shè)計生產(chǎn)過程中的有效性。國內(nèi)對MBSE方法研究最多的則是航空、航天領(lǐng)域。例如,文獻[3]將MBSE思想融入到航空發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計方法中,實現(xiàn)了頂層需求的全覆蓋和可追溯。文獻[4]以MBSE模型代替代碼為載體來開展航空動力控制系統(tǒng)的設(shè)計過程,使軟件開發(fā)重點由編碼轉(zhuǎn)入設(shè)計,提高了軟件的可靠性。文獻[5]則詳細分析了MBSE 與國內(nèi)復(fù)雜裝備研發(fā)流程之間的對應(yīng)關(guān)系,有助于企業(yè)實現(xiàn)正向設(shè)計。

本文將MBSE 思想引入到軌道車輛車門系統(tǒng)的設(shè)計過程中,詳細分析了MBSE 的實施流程,結(jié)合軌道車輛應(yīng)用場景的特點,依托于Sys ML 建模語言,驗證了MBSE在車門系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)用的可行性,形成了適用于軌道車輛的產(chǎn)品正向設(shè)計流程。

1 MBSE實施過程分析

MBSE的實施由3個重要部分組成:建模語言、建模方法以及建模工具。三者之間的關(guān)系如圖1所示。模型依據(jù)科學(xué)的建模方法來設(shè)計,通過統(tǒng)一的建模語言來描述,應(yīng)用專業(yè)的建模工具進行管理。同時,建模方法的不斷成熟又能促進建模工具的不斷優(yōu)化,建模工具、建模方法的不斷完善又能擴大建模語言的應(yīng)用范圍。

圖1 MBSE實施基礎(chǔ)

1.1 MBSE建模語言

Sys ML語言基于統(tǒng)一建模語言UML 發(fā)展形成,是一種通用的針對復(fù)雜裝備系統(tǒng)工程應(yīng)用的建模語言,可支持硬件、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[6-7]。Sys ML 語言由9 種圖組成,如圖2所示。本文采用Sys ML語言來進行車門系統(tǒng)設(shè)計。

圖2 Sys ML圖分類

1.2 MBSE建模方法

本文采用Magic Grid方法論來進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計,該方法論包含3個階段:問題域、解決域、實現(xiàn)域,其中問題域完成利益相關(guān)者需求開發(fā)過程,解決域完成結(jié)構(gòu)定義過程,實現(xiàn)域完成設(shè)計定義過程。每個域都分別從需求、行為、結(jié)構(gòu)以及參數(shù)4個方面來定義目標系統(tǒng)。模型總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 模型總體架構(gòu)圖

1.2.1 問題域

問題域分析的目的是識別利益相關(guān)者的需求,并使用Sys ML模型元素來清晰、無歧義地定義目標系統(tǒng)必須解決的問題。問題域分為兩個階段:黑盒與白盒。黑盒重點分析目標系統(tǒng)是如何與外界環(huán)境進行交互的,側(cè)重業(yè)務(wù)分析;白盒則重點理解目標系統(tǒng)內(nèi)部是如何工作的,側(cè)重功能分析。

1.2.1.1 黑盒階段

在問題域的初始階段,目標系統(tǒng)被認為是一個黑盒,即只分析目標系統(tǒng)的輸入和輸出,不需要了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為。詳細分析目標系統(tǒng)的各種工作環(huán)境、目標系統(tǒng)與其他系統(tǒng)和用戶之間的交互情況。

1.2.1.2 白盒階段

在完成了黑盒階段對目標系統(tǒng)的操作分析,就可以進入白盒階段,詳細理解目標系統(tǒng)應(yīng)該如何運行。通過深入分析系統(tǒng)功能,識別出功能塊,即邏輯子系統(tǒng)。在確定邏輯子系統(tǒng)后,可以描述他們之間的交互,每個子系統(tǒng)都可以有自己的數(shù)值特征,即可度量指標(Measure of Effectiveness,MoE)。

1.2.2 解決域

定義目標系統(tǒng)邏輯設(shè)計的精確模型,甚至是系統(tǒng)的幾個變化方案,通過權(quán)衡分析,選擇最優(yōu)的解決方案來實現(xiàn)系統(tǒng)。解決域同樣包括所設(shè)計系統(tǒng)的需求、行為、結(jié)構(gòu)、參數(shù)。從系統(tǒng)級向下到子系統(tǒng)級,從子系統(tǒng)級向下到部件級,甚至更深入。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的精細度取決于迭代的次數(shù)。

1.2.3 實施域

在完成了整個系統(tǒng)的解決方案之后,即定義出了目標系統(tǒng)的物料需求說明書,系統(tǒng)就可以進入到詳細設(shè)計階段了。但詳細設(shè)計不是MBSE 的主要研究部分,后續(xù)可基于機械和電氣CAD 軟件來進行設(shè)計。

1.3 MBSE建模工具

CATIA Magic是基于Magic Grid方法論開發(fā)的一款著名的MBSE邏輯架構(gòu)建模工具。它采用Zachman風(fēng)格矩陣來指導(dǎo)用戶完成建模過程,并可通過修改或擴展來支持特定用戶的使用需求。目前該建模工具已在國內(nèi)外各行業(yè)的MBSE 項目中推廣應(yīng)用[8-9]。本文采用CATIA Magic來進行車門系統(tǒng)設(shè)計。

2 基于MBSE的車門系統(tǒng)設(shè)計

本文以車門系統(tǒng)為設(shè)計主體,相關(guān)流程中省略了其子系統(tǒng)的建模內(nèi)容。

2.1 車門系統(tǒng)問題域黑盒分析

2.1.1 頂層需求分析

應(yīng)用MBSE方法進行設(shè)計時,首先需要梳理車門系統(tǒng)的利益相關(guān)者需求,將模糊不清的用戶需求整理成能夠指導(dǎo)設(shè)計的語言,需求來源包括用戶需求、政府法規(guī)、政策、程序、內(nèi)部指南等[10-11]。

通過分析標準EN 15380-4:2013《鐵路設(shè)施 鐵道車輛的標識體系 第4部分:功能組》,車門系統(tǒng)的需求可以分為功能和性能兩類,功能需求包括開門、關(guān)門、隔離3種,性能需求包括隔聲、隔熱、可靠性、安全性等。圖4展示了車門系統(tǒng)的功能需求。

圖4 車門系統(tǒng)功能需求圖

2.1.2 系統(tǒng)上下文分析

通過系統(tǒng)上下文或操作環(huán)境來確定車門系統(tǒng)的外部視圖,包括車門系統(tǒng)本身、用戶、其他系統(tǒng)等,可以定義多個系統(tǒng)上下文[12]。

在Magic中的建模包括2個階段:初始階段和最終階段。在初始階段期間,定義一個或多個系統(tǒng)上下文,并識別參與每個上下文的元素。通過分析系統(tǒng)行為,確定系統(tǒng)上下文的用例和模型的用例場景。在最后階段期間,描述每個系統(tǒng)上下文的參與者之間的連接關(guān)系以及這些關(guān)系之間傳遞的介質(zhì)。

通過分析車門系統(tǒng)的使用場景,其系統(tǒng)上下文包括:司乘人員、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)。車門系統(tǒng)與其他系統(tǒng)或用戶之間的交互信息包括:開/關(guān)門指令、釋放指令、車門狀態(tài)、門開/關(guān)到位信號、DC 110 V。圖5通過內(nèi)部塊圖描述了車門系統(tǒng)的上下文。

圖5 車門系統(tǒng)上下文

2.1.3 用例分析

用例和用例場景能細化功能需求,更精確地描述客戶對車門系統(tǒng)的期望以及他們希望通過使用它來實現(xiàn)的目標。

根據(jù)車門系統(tǒng)的功能需求,在車輛運行狀態(tài)下定義了門打開、門關(guān)閉、門隔離3個用例,圖6通過用例圖描述了車門系統(tǒng)的系統(tǒng)用例。其中,針對門打開的系統(tǒng)用例創(chuàng)建了門打開的活動圖,如圖7所示,對車門系統(tǒng)打開車門的活動進行了詳細定義,更加精確地描述了系統(tǒng)需求。

圖6 車門系統(tǒng)用例

圖7 門打開活動圖

2.1.4 可度量指標定義

可度量指標(MoE)以數(shù)字化的形式來捕獲車門系統(tǒng)的特征,細化了性能需求,描述了車門系統(tǒng)在特定環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的程度。在問題域模型中,他們充當高級關(guān)鍵性能指標,可以在解決方案域模型中自動檢查。

根據(jù)車門系統(tǒng)的性能需求,定義了傳熱系數(shù)和隔聲量2個指標來衡量車門的隔熱、隔聲能力,如圖8所示。

圖8 車門系統(tǒng)可度量指標

2.2 車門系統(tǒng)問題域白盒分析

2.2.1 功能分析

通過分解黑盒階段用例圖中定義的車門系統(tǒng)的每個功能來深入分析系統(tǒng)行為。

在Magic中建模的初始階段,將車門系統(tǒng)的頂層需求分解成更詳細的系統(tǒng)行為,有助于識別這些功能的功能塊,即邏輯子系統(tǒng)。捕獲完邏輯子系統(tǒng)后,再指定哪些邏輯子系統(tǒng)負責(zé)哪些功能。在Magic建模的最終階段定義了哪些邏輯子系統(tǒng)負責(zé)執(zhí)行每個功能,即需要將功能行為分配到對應(yīng)的邏輯子系統(tǒng)中。圖9通過活動圖詳細描述了打開車門過程中各系統(tǒng)是如何動作的。

圖9 各系統(tǒng)動作過程

2.2.2 邏輯子系統(tǒng)分析

通過模型來定義邏輯子系統(tǒng),邏輯子系統(tǒng)被看作是一組相互連接、相互作用的部件,這些部件執(zhí)行目標系統(tǒng)的一個或多個功能。在建立子系統(tǒng)連接或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的過程中,也需要將其與其他系統(tǒng)交互的接口描述清楚。

通過分析,定義車門系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、隔離系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、警示系統(tǒng)、站臺補償器5個子系統(tǒng)組成,如圖10所示。車門系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的接口包括:電能、MVB、氣能。圖11用內(nèi)部塊圖描述了車門系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的接口信息、交互信息。

圖10 車門系統(tǒng)邏輯子系統(tǒng)

圖11 車門系統(tǒng)內(nèi)部接口

2.3 車門系統(tǒng)解決域分析

2.3.1 系統(tǒng)需求分解細化

設(shè)計車門系統(tǒng)架構(gòu)之前需要定義系統(tǒng)需求說明書,并在設(shè)計過程中進行遵循。從黑盒和白盒角度分析問題域得到的結(jié)果作為生成系統(tǒng)需求說明書的輸入,系統(tǒng)需求來源于車門系統(tǒng)頂層需求,同時根據(jù)問題域的模型進行了細化和豐富。

在Magic中建模的初始階段,捕獲系統(tǒng)需求,同時建立系統(tǒng)需求與利益相關(guān)者需求的追溯關(guān)系、系統(tǒng)需求問題域模型元素的追溯關(guān)系。

在系統(tǒng)需求域系統(tǒng)解決方案的元素之間建立追溯關(guān)系。在理想情況下,所有系統(tǒng)需求都由解決方案域模型中的一個或多個元素來滿足。圖12描述了車門系統(tǒng)需求與頂層需求的追溯關(guān)系。

圖12 車門系統(tǒng)需求與頂層需求的追溯關(guān)系

2.3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)需求說明書完成后,就開始構(gòu)建車門系統(tǒng)解決方案,將所有子系統(tǒng)都放在同一個層級,同時定義接口,確定各個子系統(tǒng)之間、子系統(tǒng)內(nèi)部是如何交互并整合到整體中[13]。最后將已完成子系統(tǒng)的解決方案架構(gòu)集成到一個模型中,構(gòu)建整個系統(tǒng)的集成解決方案。這樣可以驗證子系統(tǒng)之間能否正確通信。圖13是車門系統(tǒng)的物理架構(gòu)。

圖13 車門系統(tǒng)物理架構(gòu)

2.3.3 系統(tǒng)行為分析

行為模型應(yīng)該滿足功能系統(tǒng)需求,將所有子系統(tǒng)的行為模型集成到一個模型中,形成整個車門系統(tǒng)的行為模型,可以檢查這些子系統(tǒng)能否通過定義的端口來相互通信。以自動開門功能為例,圖14通過活動圖詳細描述了門打開的過程中車門系統(tǒng)內(nèi)部的動作情況。

圖14 門打開過程中車門系統(tǒng)內(nèi)部活動圖

2.4 車門系統(tǒng)實施域分析

解決域模型設(shè)計完成后,車門系統(tǒng)實際上已經(jīng)能被視為是一個真實系統(tǒng),通過分析其物理需求,進一步細化需求,為后續(xù)詳細設(shè)計階段做好鋪墊。

圖15展示了車門系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。除了物理結(jié)構(gòu),詳細設(shè)計階段還需要考慮車門安裝接口、主體結(jié)構(gòu)壽命、門扇強度以及一系列性能指標等需求。表1描述了車門系統(tǒng)的部分性能指標。

表1 車門系統(tǒng)的部分性能指標

圖15 車門系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文將MBSE 思想引入軌道交通車門系統(tǒng)的設(shè)計過程中,詳細分析了MBSE 實施過程,基于Magic Grid方法論,結(jié)合軌道車輛應(yīng)用特點,將車門系統(tǒng)從黑盒到白盒逐層分解,分析車門系統(tǒng)的需求、功能、架構(gòu),并通過Sys ML語言建立相應(yīng)模型,給出最優(yōu)設(shè)計解決方案。研究結(jié)果表明,基于MBSE 的車門系統(tǒng)設(shè)計過程驗證了MBSE 方法在軌道車輛領(lǐng)域應(yīng)用的可行性,形成了適用于軌道交通的產(chǎn)品正向設(shè)計流程。該方法能夠保證整個設(shè)計過程中需求明確、設(shè)計信息準確可追溯,能夠有效減少溝通成本,提高設(shè)計和更改效率。后續(xù)將繼續(xù)在軌道交通其他子系統(tǒng)中實踐基于MBSE的產(chǎn)品正向設(shè)計流程。