基于MBSE的車門系統設計研究

郭玉亮,朱東偉,張 麗,陳 煜

(中車唐山機車車輛有限公司 產品研發中心,河北 唐山 063035)

軌道車輛內部子系統眾多,涉及機械、電氣、控制等諸多學科,且各系統之間交互復雜,是典型的復雜裝備產品。其中,車門系統作為重要子系統,承擔著為司乘人員提供上下車通道的關鍵作用,是保障軌道車輛安全穩定運行的重要組成部分。但傳統的設計方法多以文檔為載體,隨著產品復雜程度的不斷加深,該研發模式已逐漸暴露出設計需求不明確、設計信息表達不清晰、設計方案難以驗證、設計溝通反復、設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工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)思想的正向設計方法。

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,是為了解決傳統基于文檔的設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模型為橋梁和框架,實現跨領域、跨學科模型的可追溯、可驗證和動態關聯性,從而推動貫穿于從系統設計概念方案和產品研制、到后期維護和報廢的人工系統全生命期內的系統工程過程和活動[1]。其最顯著的優勢在于,所有的設計信息均通過模型來進行描述,保證了設計意圖準確無誤地跨學科傳遞,設計方案可通過模型進行仿真驗證,設計變更影響部位表示清晰,能夠有效地提升產品設計效率。

目前,MBSE方法在國外航空、航天、軍工、醫療、船舶、汽車、鐵路交通等領域均已獲得廣泛應用[2]。龐巴迪和阿爾斯通公司都通過試點項目驗證了MBSE方法在軌道車輛設計生產過程中的有效性。國內對MBSE方法研究最多的則是航空、航天領域。例如,文獻[3]將MBSE思想融入到航空發動機控制系統設計方法中,實現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的設計過程,使軟件開發重點由編碼轉入設計,提高了軟件的可靠性。文獻[5]則詳細分析了MBSE 與國內復雜裝備研發流程之間的對應關系,有助于企業實現正向設計。

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

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。三者之間的關系如圖1所示。模型依據科學的建模方法來設計,通過統一的建模語言來描述,應用專業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化,建模工具、建模方法的不斷完善又能擴大建模語言的應用范圍。

圖1 MBSE實施基礎

1.1 MBSE建模語言

Sys ML語言基于統一建模語言UML 發展形成,是一種通用的針對復雜裝備系統工程應用的建模語言,可支持硬件、軟件、信息、制造等多領域系統的描述、設計、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設計。

圖2 Sys ML圖分類

1.2 MBSE建模方法

本文采用Magic Grid方法論來進行系統架構設計,該方法論包含3個階段:問題域、解決域、實現域,其中問題域完成利益相關者需求開發過程,解決域完成結構定義過程,實現域完成設計定義過程。每個域都分別從需求、行為、結構以及參數4個方面來定義目標系統。模型總體架構如圖3所示。

圖3 模型總體架構圖

1.2.1 問題域

問題域分析的目的是識別利益相關者的需求,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是如何與外界環境進行交互的,側重業務分析;白盒則重點理解目標系統內部是如何工作的,側重功能分析。

1.2.1.1 黑盒階段

在問題域的初始階段,目標系統被認為是一個黑盒,即只分析目標系統的輸入和輸出,不需要了解其內部結構和行為。詳細分析目標系統的各種工作環境、目標系統與其他系統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的操作分析,就可以進入白盒階段,詳細理解目標系統應該如何運行。通過深入分析系統功能,識別出功能塊,即邏輯子系統。在確定邏輯子系統后,可以描述他們之間的交互,每個子系統都可以有自己的數值特征,即可度量指標(Measure of Effectiveness,MoE)。

1.2.2 解決域

定義目標系統邏輯設計的精確模型,甚至是系統的幾個變化方案,通過權衡分析,選擇最優的解決方案來實現系統。解決域同樣包括所設計系統的需求、行為、結構、參數。從系統級向下到子系統級,從子系統級向下到部件級,甚至更深入。系統結構模型的精細度取決于迭代的次數。

1.2.3 實施域

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

1.3 MBSE建模工具

CATIA Magic是基于Magic Grid方法論開發的一款著名的MBSE邏輯架構建模工具。它采用Zachman風格矩陣來指導用戶完成建模過程,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外各行業的MBSE 項目中推廣應用[8-9]。本文采用CATIA Magic來進行車門系統設計。

2 基于MBSE的車門系統設計

本文以車門系統為設計主體,相關流程中省略了其子系統的建模內容。

2.1 車門系統問題域黑盒分析

2.1.1 頂層需求分析

應用MBSE方法進行設計時,首先需要梳理車門系統的利益相關者需求,將模糊不清的用戶需求整理成能夠指導設計的語言,需求來源包括用戶需求、政府法規、政策、程序、內部指南等[10-11]。

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

圖4 車門系統功能需求圖

2.1.2 系統上下文分析

通過系統上下文或操作環境來確定車門系統的外部視圖,包括車門系統本身、用戶、其他系統等,可以定義多個系統上下文[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上下文,并識別參與每個上下文的元素。通過分析系統行為,確定系統上下文的用例和模型的用例場景。在最后階段期間,描述每個系統上下文的參與者之間的連接關系以及這些關系之間傳遞的介質。

通過分析車門系統的使用場景,其系統上下文包括:司乘人員、網絡系統、牽引系統、車體系統、內裝系統、輔助供電系統。車門系統與其他系統或用戶之間的交互信息包括:開/關門指令、釋放指令、車門狀態、門開/關到位信號、DC 110 V。圖5通過內部塊圖描述了車門系統的上下文。

圖5 車門系統上下文

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的期望以及他們希望通過使用它來實現的目標。

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

圖6 車門系統用例

圖7 門打開活動圖

2.1.4 可度量指標定義

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

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

圖8 車門系統可度量指標

2.2 車門系統問題域白盒分析

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的每個功能來深入分析系統行為。

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

圖9 各系統動作過程

2.2.2 邏輯子系統分析

通過模型來定義邏輯子系統,邏輯子系統被看作是一組相互連接、相互作用的部件,這些部件執行目標系統的一個或多個功能。在建立子系統連接或實現系統功能的過程中,也需要將其與其他系統交互的接口描述清楚。

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

圖10 車門系統邏輯子系統

圖11 車門系統內部接口

2.3 車門系統解決域分析

2.3.1 系統需求分解細化

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

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

在系統需求域系統解決方案的元素之間建立追溯關系。在理想情況下,所有系統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描述了車門系統需求與頂層需求的追溯關系。

圖12 車門系統需求與頂層需求的追溯關系

2.3.2 系統架構設計

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

圖13 車門系統物理架構

2.3.3 系統行為分析

行為模型應該滿足功能系統需求,將所有子系統的行為模型集成到一個模型中,形成整個車門系統的行為模型,可以檢查這些子系統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內部的動作情況。

圖14 門打開過程中車門系統內部活動圖

2.4 車門系統實施域分析

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

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

表1 車門系統的部分性能指標

圖15 車門系統物理結構

3 結論

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