中圖分類號：F50；TP273 文獻標志碼：A DOI： 10.13714/j.cnki.1002-3100.2025.12.009

Abstract：Atpresent，duetothelackofholisticdesignthinking，AGVsystemdesignreliesonexperience，whichcaneasily leadtothefolowingsituations：thedesignfailstofullymeettheneesoftheuser，andthedesignschemeismodifiedback andforth，resultingineducedeficiencyanddecreasedcompetitivenessofAGVproducts.Inresponsetotisseriesofissues， thisarticlewillintroducemodel-basedsystemsenginering（MBSE）intothedesignofAGVsystems.Takingtheliftparking AGVasanexample，themodelisanalyzedfromfourdimensionsaccording toArcadia ModelingMethod，nmelyoperationanalysis， systemanalysis，logicalarchitecture，andphysicalarchitecture.TheresultsindicatethattheMBSEmethodissuitableforGV systemdesign.Itcanthoroughlyanalyzecustomerneedsandpotentialproblemsintheearlystages，proposecorrespondingsolutions， andreduce decisionrisks.TheestablishedMBSE modelcan also provide templatesforrapiddesignof similar AGVsystems， achieve rapid design of AGV products，and improve the competitiveness of AGV products.

Keywords： MBSE;systems engineering;methodology;application examples

0引言

系統(tǒng)工程是一種用于設(shè)計復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)的方法論，AGV系統(tǒng)作為一個集機械、電器、光學(xué)、軟件等技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，是十分適合使用系統(tǒng)工程思維來設(shè)計和制造生產(chǎn)的。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程存在一些不足之處：首先，沒有考慮項目經(jīng)驗的復(fù)用，因此多采用文本文檔的存儲和說明方式；其次，基本遵循先分解，再集成的還原論思想，缺少全局觀，相較于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，存在較多弊端；最后，它不能代替系統(tǒng)構(gòu)建所需要的具體技術(shù)本身2]。因此，為了更好地對復(fù)雜、非線性系統(tǒng)進行分析，基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）隨之被提出。MBSE方法因其精確性、完整性、直觀性、一致性以及可追溯性等優(yōu)點，在軍事、航天、汽車、高鐵等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用3]。但由于AGV行業(yè)的發(fā)展時間相對較短、系統(tǒng)復(fù)雜程度相對較低、系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計多依賴經(jīng)驗，因此使用MBSE方法進行設(shè)計的AGV產(chǎn)品鮮見報道。但MBSE方法從分析用戶需求、挖掘用戶潛在需求著手，聚焦于系統(tǒng)整體而非局部，能夠更好地設(shè)計出滿足用戶需求的AGV，且能提高設(shè)計和生產(chǎn)效率，使AGV行業(yè)得到更好的發(fā)展。

因此，本文將以系統(tǒng)較為復(fù)雜、但理解較為簡單的子母升降式停車AGV為研究對象，利用Arcadia建模方法，對其進行完整的MBSE分析，并得出滿足需求的架構(gòu)設(shè)計。

1子母升降式停車AGV模型體系與設(shè)計流程

1.1子母升降式停車AGV的MBSE模型體系

自動導(dǎo)引車（AGV）從20世紀90年代真正進人市場開始，至今已有30余年的發(fā)展歷史。隨著AGV行業(yè)的進一步發(fā)展，國內(nèi)技術(shù)逐漸成熟，加之2012年“制造強國”戰(zhàn)略的提出，更多的行業(yè)開始廣泛使用AGV，如汽車、金融、食品、物流等[。由于各行業(yè)對AGV的需求呈現(xiàn)爆炸式的增長，單一AGV系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)難以滿足各行業(yè)不同的需求，對定制化的AGV要求也隨之提高。傳統(tǒng)的設(shè)計思路多以現(xiàn)有的經(jīng)驗為主導(dǎo)來設(shè)計，加之文檔的管理方式具有的可追溯性較低，往往使項目面臨因為分析用戶需求不到位而導(dǎo)致的返工、反復(fù)修改、拆東墻補西墻的局面。

MBSE與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程相比，它聚焦于整體而不是進行局部的設(shè)計和應(yīng)用。但兩者最主要的區(qū)別是貫穿于全生命周期的形式化建模，MBSE是“模型驅(qū)動”的系統(tǒng)工程方法，但MBSE方法的重點在于形式化，而不是模型本身4]。即建立模型是為了更好地表達系統(tǒng)設(shè)計過程中需要的內(nèi)容，建模過程的重要性大于模型本身，不能為了建模而建模4。而子母升降式停車AGV作為融合了機械設(shè)計、電氣設(shè)計、軟件設(shè)計、土建規(guī)劃等多種專業(yè)知識的系統(tǒng)，其作為整體所產(chǎn)生的能力是各組成部分相互作用的結(jié)果，最理想的狀態(tài)是實現(xiàn) 1+1gt;2 的效果。基于MBSE建模的諸多優(yōu)點，如：少歧義性、信息直觀性、信息全面性以及可動態(tài)驗證性[46，能夠在子母升降式停車AGV的設(shè)計初期更好地展現(xiàn)系統(tǒng)的“全貌”，在需求分析時，能夠及時提供更為安全、成熟的技術(shù)方案，來解決各方利益（如承建商與停車用戶）的沖突，避免在設(shè)計后期的返工與重復(fù)協(xié)調(diào)。這種“模型驅(qū)動”式的系統(tǒng)工程方法在設(shè)計子母升降式停車AGV時，能夠更好地權(quán)衡各利益方的需求，也能更好地平衡各相關(guān)專業(yè)對項目的貢獻度，實現(xiàn)高效、低成本的優(yōu)化設(shè)計。

在利用MBSE方法對子母升降式停車AGV進行研制的設(shè)計過程中，需要建立完整的設(shè)計模型體系，包括運行分析（需求）、系統(tǒng)分析（功能）、邏輯架構(gòu)（AGV系統(tǒng)框架搭建）和物理架構(gòu)（生產(chǎn)制造方案）這四個主要的模塊。每個模型層級需要完成的任務(wù)、需要達到的目標如表1所示。

1.2基于MBSE的子母升降式停車AGV產(chǎn)品設(shè)計流程

MBSE方法的建模思路分為兩個大的階段，“理解需要”和“解決方案架構(gòu)設(shè)計”。在“理解需要”階段需要完成運行分析和系統(tǒng)分析，實現(xiàn)需求的捕獲和理解，并分析項目的可行性；在“解決方案架構(gòu)設(shè)計”階段需要完成邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計工作。

本次基于MBSE的子母升降式停車AGV的設(shè)計流程從運行分析階段開始，在這一個層級需要剖析用戶需求，即頂層需求，隨后在每一個模型層級都對頂層需求進行關(guān)聯(lián)與響應(yīng)。通過需求分析提出各種解決方案，其本質(zhì)是將需求與能力相結(jié)合，需求與能力的契合度越高（至少高于 80% ），設(shè)計工作的開展才越有可行性。由于用戶的需求和關(guān)注點在于立體停車庫是否能正常運行、存取車響應(yīng)是否快等，對AGV的要求沒有直接體現(xiàn)，因此為了能夠更完整地挖掘AGV在自動化立體停車庫中運行時所需要完成的活動，應(yīng)從車庫層面展開運行分析。通過運行分析階段，用戶的頂層需求將在AGV的功能中得到映射。因此，在系統(tǒng)分析層級，需要構(gòu)建一個可以全面反映AGV系統(tǒng)主要功能和操作的系統(tǒng)架構(gòu)，并追溯用戶的頂層需求與AGV的功能。在這一過程中，需要為每一項需求都定義相應(yīng)的實現(xiàn)路徑。此分析過程可以使抽象的需求更加條理化，從而識別不合理需求以及高風險需求，確保滿足所有合理需求。

在邏輯架構(gòu)階段，應(yīng)該進一步細化AGV系統(tǒng)，同時應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)功能的具體實現(xiàn)方案來進行模塊劃分，每個模塊的職責和邊界應(yīng)該足夠清晰，從而形成一個清晰、完整、可靠的設(shè)計框架，在后續(xù)類似的項目中，可以直接調(diào)用本次的邏輯架構(gòu)模型，從而實現(xiàn)快速設(shè)計和知識傳承的目的。物理架構(gòu)的搭建，主要是為了輔助設(shè)計師進行硬件設(shè)計，完成系統(tǒng)的開發(fā)與構(gòu)建，同時也可以幫助財務(wù)更快地進行成本預(yù)算，因此在這一階段會涉及到具體硬件設(shè)施的選型，功能也需要和具體硬件設(shè)施匹配，與頂層需求匹配的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計約束的關(guān)聯(lián)性也需要在架構(gòu)圖中得到體現(xiàn)。

在整個MBSE的建模過程中，除了對功能進行逐步細化、對需求和功能進行追溯以外，在構(gòu)建各個模型層級時，都需要構(gòu)建場景圖、時序圖等來進一步明確不同模塊間的信息交互機制，通過這樣的迭代來逐步完善每一個層級的架構(gòu)圖，便于及時發(fā)現(xiàn)問題并糾錯，直至最終形成一個功能與需求匹配的、通過逐層傳遞和逐層設(shè)計構(gòu)建起來的清晰、直觀、準確的產(chǎn)品物理架構(gòu)。

2基于MBSE的子母升降式停車AGV系統(tǒng)建模

本文的設(shè)計目標是開發(fā)一款具有雙層泊車功能的子母升降式停車AGV。其主要研發(fā)內(nèi)容是研究利用AGV作為母車搬運，汽車搬運器作為子車移載，組成子母升降式停車AGV在多層立體停車庫中進行車輛的存取，實現(xiàn)可多層車輛存取的自動泊車技術(shù)。多層立體停車庫的工作流程見圖1。

2.1子母升降式停車AGV運行分析建模

要有效實現(xiàn)需求的捕獲和理解，首先要識別關(guān)鍵的利益攸關(guān)方，且識別得越完整，需求分析就越準確。在對子母升降式停車AGV進行運行分析建模的過程中，為了實現(xiàn)這一目標，將子母升降式停車AGV運行的車庫暫定為分析對象。得到了相應(yīng)的利益攸關(guān)方：子母升降式停車AGV、調(diào)度系統(tǒng)、出入口、停車架、庫管系統(tǒng)、司機、維保人員、充電樁等，通過場景分析、時序分析、運行能力定義等迭代分析，可以得到車庫要實現(xiàn)的用戶需求。如對使用立體停車庫的汽車規(guī)格的限制、立體停車庫的存取車效率、車庫應(yīng)該具備自動管理和調(diào)度的能力、需要有供電系統(tǒng)、特殊情況下應(yīng)該在一定時間內(nèi)完成清庫動作等。

在立體停車庫的需求活動中，AGV的頂層功能是“搬運汽車”，這也是用戶對AGV的頂層需求。但進一步通過分析與子母升降式停車AGV有直接交互的利益攸關(guān)方，如調(diào)度系統(tǒng)、出入口、停車架、充電樁，還可以進一步剝離出子母升降式停車AGV在立體停車庫運行時，需要實現(xiàn)的需求，并匯總得到圖2。通過分析得到對AGV外觀尺寸、承載能力、運行能力、供電方式、導(dǎo)航方式和通訊方式等需求。

2.2子母升降式停車AGV系統(tǒng)分析建模

得到子母升降式停車AGV應(yīng)滿足的需求后，在系統(tǒng)分析階段便可將分析聚焦到子母升降式停車AGV上，根據(jù)運行分析階段得到的用戶需求，對AGV的頂層功能“搬運汽車”進行進一步分解。在這一過程中，不僅要通過例子來對AGV的具體功能進行黑盒分析，更是要進行技術(shù)的決策，判斷需求與能力之間的差距大小，要適時舍棄滿足一些需求。

用戶需求 AGV應(yīng)滿足的需求汽車規(guī)格 外觀尺寸質(zhì)量≤3t 可以容納允許進入立體停車庫外形尺寸≤5m×2m×1.5m 的汽車軸距2.2＼～2.3m承載能力存取車能力 可以容納允許進入立體停車庫最大存取車周期 =120s （2 的汽車平均存取車周期=90s能力要求車庫管理 可以滿足存取車的最大周期，滿庫拒停功能 可以通過一定的坡度放重疊功能自動調(diào)度系統(tǒng)供能方式供電 需要具備動充電功能，且續(xù)充電柱供電功率導(dǎo)航方式清庫功能 定位軍車定的準確性，避免響應(yīng)速度=100輛/120min通訊方式故障處理amp;維修保養(yǎng) 可及時與調(diào)度系統(tǒng)通信

圖2所示的通過運行分析得到的頂層需求都相對抽象，沒有具體的功能性描述或者功能性指標，為了得到相對具體的系統(tǒng)功能，方便后續(xù)搭建邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)，可以在系統(tǒng)分析階段對功能進行黑盒分析。圖3為AGV系統(tǒng)的大致運行過程、運行環(huán)境，以及與所在運行環(huán)境的大致交互。

結(jié)合子母升降式停車AGV的運行環(huán)境以及用戶需求，構(gòu)建具體的AGV活動流程圖和場景圖。圖4和圖5分別為AGV系統(tǒng)走行活動的活動流程圖和場景圖。根據(jù)對AGV走行活動的流程分析，可得到AGV要正常運行需要具備的系統(tǒng)子功能，如定位功能、AGV控制功能、檢測功能、循跡運動功能等。同時還可以得到AGV系統(tǒng)與運行環(huán)境間的具體信息交互。走行活動的場景圖的建立，則是為了梳理各個功能之間的時序邏輯關(guān)系，更加完整地分析走行活動，并在此過程中查漏補缺，是否將系統(tǒng)功能分解到位。

除走行活動外，AGV為實現(xiàn)“搬運車輛”這一頂層功能、實現(xiàn)用戶需求，還應(yīng)該完成如汽車存取活動、充電活動、故障檢測活動等，通過對這些活動進行一系列流程圖和場景圖的搭建，可以逐步細分AGV系統(tǒng)的頂層功能，如循跡運動、定位、水平移動、垂直升降、車輛固定、自身檢測、汽車檢測、安全檢測，同時也能得到AGV內(nèi)部各功能之間的交互關(guān)系。

在分析過程中，用戶的需求也逐步清晰，抽象程度降低，在本次對子母升降式停車AGV的系統(tǒng)分析過程中，發(fā)現(xiàn)用戶的需求與設(shè)計和制造能力基本是相匹配的。所識別出的尺寸要求、承載能力和運行速度等，都屬于合理需求的范圍，但要滿足這些條件，AGV的自重會相對較大，對車庫的地面要求較高；而車庫要求的防重疊功能，則需要使用價格較貴的超聲波檢測或者紅外檢測設(shè)備，可能會增加成本；此外如循跡運動功能的識別，說明AGV系統(tǒng)需要沿著固定軌跡進行運動，需要車庫地面提供相應(yīng)的設(shè)備，如磁帶、磁釘?shù)取Ｔ谶@些點上需要與用戶溝通協(xié)商，達成一致。

2.3子母升降式停車AGV架構(gòu)分析

在完成了需求的理解和捕獲之后，便可進入架構(gòu)分析階段，從前述分析可知“理解需求”階段分析得到的功能并不具體，只是對功能的大概描述，要構(gòu)建邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)，功能還需要進一步細化。同時，在架構(gòu)階段還需要對系統(tǒng)內(nèi)部進行子系統(tǒng)的劃分，搭建完整的架構(gòu)模型。根據(jù)前兩個階段得到的需求分析和功能分析的結(jié)果，可以先對AGV內(nèi)部子系統(tǒng)進行大致劃分，這個階段子系統(tǒng)又被稱為邏輯組件。根據(jù)AGV系統(tǒng)目前的組成模塊和知識的耦合性將系統(tǒng)分為機械和電氣兩個大的組件，后續(xù)又根據(jù)用戶需求和系統(tǒng)功能的分解，將邏輯組件進行進一步的劃分，具體的劃分結(jié)果見圖6。

完成組件劃分后，系統(tǒng)功能也需要得到相應(yīng)細化。在需求不變的情況下，子母升降式停車AGV所要完成的活動是相同的，因此仍然以走行活動為例，分析要具體實現(xiàn)這一活動，需要細化出何種架構(gòu)功能。

將AGV系統(tǒng)走行活動流程圖根據(jù)邏輯架構(gòu)需求更新后得到圖7，從圖中可以看出，功能的細化主要在AGV系統(tǒng)內(nèi)部，其中系統(tǒng)分析階段的“循跡運動”和“AGV控制”以及“安全檢測”等功能根據(jù)實際實現(xiàn)情況和邏輯組件的分類情況得到了細分?！鞍踩珯z測”功能被細分為防撞條防撞檢測以及激光障礙物檢測功能，這兩個功能是所有AGV系統(tǒng)都必須具備的功能?！把E運動”功能被細分為直行驅(qū)動以及轉(zhuǎn)向驅(qū)動功能，通過這兩種運動來實現(xiàn)AGV系統(tǒng)在車庫內(nèi)部沿軌跡運動的功能?！癆GV控制”功能則被細分為各個活動單元的控制模塊，這一點結(jié)合圖6和圖7就可看出。在此階段也需要對走行活動進行場景圖的建立，對走行活動進行查漏補缺，使邏輯架構(gòu)更加完善。

物理架構(gòu)與邏輯架構(gòu)類似，區(qū)別在于功能需要細化至實際使用的硬件功能，組件也被分為行為物理組件和節(jié)點物理組件兩種，AGV系統(tǒng)的組件劃分見圖8。節(jié)點物理組件即為使用的硬件本身，如電機、舵輪、充電靴等，行為物理組件即為節(jié)點物理組件抽象出來的行為，或者其中搭載的程序、軟件。在物理架構(gòu)階段，需要將此三者結(jié)合來分配功能，如邏輯架構(gòu)階段細分出來的直行驅(qū)動和轉(zhuǎn)向驅(qū)動功能，在物理架構(gòu)階段確定購買帶電機的舵輪，舵輪包含了此兩種功能，可直接將這兩種功能劃分到舵輪組件中。

對于其他AGV活動，也是采用相同的方法對其進行活動梳理、場景圖搭建來完成功能的細分。在這個相互迭代的過程得到完善后，還需要對組件間的交互進行補充，明確各組件之間的端口以及交互方式，如圖9為節(jié)點物理組件間的交互。行為物理組件也需要同樣的流程分析，通過各類圖樣模塊的搭建與迭代，直至所有功能與需求都獲得滿足，形成經(jīng)過驗證確認以及權(quán)衡評價后的物理架構(gòu)模型。

3結(jié)論

本文以子母升降式停車AGV為例，采用Arcadia的建模方法和Capella建模工具，對其進行了全過程的設(shè)計分析。從運行分析階段分析用戶對AGV的潛在需求和要求開始，通過系統(tǒng)分析和邏輯架構(gòu)階段的進一步細分，到物理架構(gòu)階段結(jié)束，子母升降式停車AGV應(yīng)該具備的功能組件、采用何種零部件、使用何種通訊協(xié)議都得到了分析設(shè)計，實現(xiàn)了AGV從“黑盒”到“白盒”的設(shè)計過程。經(jīng)過研究分析，發(fā)現(xiàn)MBSE方法能夠提升需求驅(qū)動的正向設(shè)計能力，設(shè)計思路和設(shè)計流程的顯性化、規(guī)范化能夠減少歧義，持續(xù)驗證，有利于技術(shù)迭代。相比于傳統(tǒng)設(shè)計方法，MBSE設(shè)計方法可以發(fā)現(xiàn)一些傳統(tǒng)方法不易發(fā)現(xiàn)的問題或很晚才發(fā)現(xiàn)的問題；對AGV系統(tǒng)的設(shè)計和新產(chǎn)品開發(fā)都具有積極意義。由于MBSE方法的建模分析方法前期需要耗費較大精力，對于軟件操作人員的要求較高，在后續(xù)AGV系統(tǒng)設(shè)計和新產(chǎn)品研發(fā)過程中，MBSE方法應(yīng)被重視并合理規(guī)劃使用。

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