MBSE方法在AGV設計中的應用實例

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

系統工程是一種用于設計復雜產品或系統的方法論，AGV系統作為一個集機械、電器、光學、軟件等技術為一體的復雜系統，是十分適合使用系統工程思維來設計和制造生產的。傳統的系統工程存在一些不足之處：首先，沒有考慮項目經驗的復用，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，相較于復雜的非線性系統，存在較多弊端；最后，它不能代替系統構建所需要的具體技術本身2]。因此，為了更好地對復雜、非線性系統進行分析，基于模型的系統工程（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點，在軍事、航天、汽車、高鐵等行業得到了廣泛應用3]。但由于AGV行業的發展時間相對較短、系統復雜程度相對較低、系統的開發設計多依賴經驗，因此使用MBSE方法進行設計的AGV產品鮮見報道。但MBSE方法從分析用戶需求、挖掘用戶潛在需求著手，聚焦于系統整體而非局部，能夠更好地設計出滿足用戶需求的AGV，且能提高設計和生產效率，使AGV行業得到更好的發展。

因此，本文將以系統較為復雜、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設計。

1子母升降式停車AGV模型體系與設計流程

1.1子母升降式停車AGV的MBSE模型體系

自動導引車（AGV）從20世紀90年代真正進人市場開始，至今已有30余年的發展歷史。隨著AGV行業的進一步發展，國內技術逐漸成熟，加之2012年“制造強國”戰略的提出，更多的行業開始廣泛使用AGV，如汽車、金融、食品、物流等[。由于各行業對AGV的需求呈現爆炸式的增長，單一AGV系統的設計已經難以滿足各行業不同的需求，對定制化的AGV要求也隨之提高。傳統的設計思路多以現有的經驗為主導來設計，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致的返工、反復修改、拆東墻補西墻的局面。

MBSE與傳統系統工程相比，它聚焦于整體而不是進行局部的設計和應用。但兩者最主要的區別是貫穿于全生命周期的形式化建模，MBSE是“模型驅動”的系統工程方法，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設計過程中需要的內容，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作為融合了機械設計、電氣設計、軟件設計、土建規劃等多種專業知識的系統，其作為整體所產生的能力是各組成部分相互作用的結果，最理想的狀態是實現 1+1gt;2 的效果。基于MBSE建模的諸多優點，如：少歧義性、信息直觀性、信息全面性以及可動態驗證性[46，能夠在子母升降式停車AGV的設計初期更好地展現系統的“全貌”，在需求分析時，能夠及時提供更為安全、成熟的技術方案，來解決各方利益（如承建商與停車用戶）的沖突，避免在設計后期的返工與重復協調。這種“模型驅動”式的系統工程方法在設計子母升降式停車AGV時，能夠更好地權衡各利益方的需求，也能更好地平衡各相關專業對項目的貢獻度，實現高效、低成本的優化設計。

在利用MBSE方法對子母升降式停車AGV進行研制的設計過程中，需要建立完整的設計模型體系，包括運行分析（需求）、系統分析（功能）、邏輯架構（AGV系統框架搭建）和物理架構（生產制造方案）這四個主要的模塊。每個模型層級需要完成的任務、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產品設計流程

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

本次基于MBSE的子母升降式停車AGV的設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聯與響應。通過需求分析提出各種解決方案，其本質是將需求與能力相結合，需求與能力的契合度越高（至少高于 80% ），設計工作的開展才越有可行性。由于用戶的需求和關注點在于立體停車庫是否能正常運行、存取車響應是否快等，對AGV的要求沒有直接體現，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，在系統分析層級，需要構建一個可以全面反映AGV系統主要功能和操作的系統架構，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的實現路徑。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。

在邏輯架構階段，應該進一步細化AGV系統，同時應該根據系統功能的具體實現方案來進行模塊劃分，每個模塊的職責和邊界應該足夠清晰，從而形成一個清晰、完整、可靠的設計框架，在后續類似的項目中，可以直接調用本次的邏輯架構模型，從而實現快速設計和知識傳承的目的。物理架構的搭建，主要是為了輔助設計師進行硬件設計，完成系統的開發與構建，同時也可以幫助財務更快地進行成本預算，因此在這一階段會涉及到具體硬件設施的選型，功能也需要和具體硬件設施匹配，與頂層需求匹配的產品結構參數和設計約束的關聯性也需要在架構圖中得到體現。

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，在構建各個模型層級時，都需要構建場景圖、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圖，便于及時發現問題并糾錯，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計構建起來的清晰、直觀、準確的產品物理架構。

2基于MBSE的子母升降式停車AGV系統建模

本文的設計目標是開發一款具有雙層泊車功能的子母升降式停車AGV。其主要研發內容是研究利用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，實現可多層車輛存取的自動泊車技術。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

要有效實現需求的捕獲和理解，首先要識別關鍵的利益攸關方，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。得到了相應的利益攸關方：子母升降式停車AGV、調度系統、出入口、停車架、庫管系統、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的用戶需求。如對使用立體停車庫的汽車規格的限制、立體停車庫的存取車效率、車庫應該具備自動管理和調度的能力、需要有供電系統、特殊情況下應該在一定時間內完成清庫動作等。

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方，如調度系統、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、導航方式和通訊方式等需求。

2.2子母升降式停車AGV系統分析建模

得到子母升降式停車AGV應滿足的需求后，在系統分析階段便可將分析聚焦到子母升降式停車AGV上，根據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應滿足的需求汽車規格 外觀尺寸質量≤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度系統供能方式供電 需要具備動充電功能，且續充電柱供電功率導航方式清庫功能 定位軍車定的準確性，避免響應速度=100輛/120min通訊方式故障處理amp;維修保養 可及時與調度系統通信

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功能，方便后續搭建邏輯架構和物理架構，可以在系統分析階段對功能進行黑盒分析。圖3為AGV系統的大致運行過程、運行環境，以及與所在運行環境的大致交互。

結合子母升降式停車AGV的運行環境以及用戶需求，構建具體的AGV活動流程圖和場景圖。圖4和圖5分別為AGV系統走行活動的活動流程圖和場景圖。根據對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系統與運行環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，是否將系統功能分解到位。

除走行活動外，AGV為實現“搬運車輛”這一頂層功能、實現用戶需求，還應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內部各功能之間的交互關系。

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的系統分析過程中，發現用戶的需求與設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系統需要沿著固定軌跡進行運動，需要車庫地面提供相應的設備，如磁帶、磁釘等。在這些點上需要與用戶溝通協商，達成一致。

2.3子母升降式停車AGV架構分析

在完成了需求的理解和捕獲之后，便可進入架構分析階段，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，要構建邏輯架構和物理架構，功能還需要進一步細化。同時，在架構階段還需要對系統內部進行子系統的劃分，搭建完整的架構模型。根據前兩個階段得到的需求分析和功能分析的結果，可以先對AGV內部子系統進行大致劃分，這個階段子系統又被稱為邏輯組件。根據AGV系統目前的組成模塊和知識的耦合性將系統分為機械和電氣兩個大的組件，后續又根據用戶需求和系統功能的分解，將邏輯組件進行進一步的劃分，具體的劃分結果見圖6。

完成組件劃分后，系統功能也需要得到相應細化。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，分析要具體實現這一活動，需要細化出何種架構功能。

將AGV系統走行活動流程圖根據邏輯架構需求更新后得到圖7，從圖中可以看出，功能的細化主要在AGV系統內部，其中系統分析階段的“循跡運動”和“AGV控制”以及“安全檢測”等功能根據實際實現情況和邏輯組件的分類情況得到了細分。“安全檢測”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系統都必須具備的功能。“循跡運動”功能被細分為直行驅動以及轉向驅動功能，通過這兩種運動來實現AGV系統在車庫內部沿軌跡運動的功能。“AGV控制”功能則被細分為各個活動單元的控制模塊，這一點結合圖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，使邏輯架構更加完善。

物理架構與邏輯架構類似，區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點物理組件兩種，AGV系統的組件劃分見圖8。節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。在物理架構階段，需要將此三者結合來分配功能，如邏輯架構階段細分出來的直行驅動和轉向驅動功能，在物理架構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，形成經過驗證確認以及權衡評價后的物理架構模型。

3結論

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，通過系統分析和邏輯架構階段的進一步細分，到物理架構階段結束，子母升降式停車AGV應該具備的功能組件、采用何種零部件、使用何種通訊協議都得到了分析設計，實現了AGV從“黑盒”到“白盒”的設計過程。經過研究分析，發現MBSE方法能夠提升需求驅動的正向設計能力，設計思路和設計流程的顯性化、規范化能夠減少歧義，持續驗證，有利于技術迭代。相比于傳統設計方法，MBSE設計方法可以發現一些傳統方法不易發現的問題或很晚才發現的問題；對AGV系統的設計和新產品開發都具有積極意義。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AGV系統設計和新產品研發過程中，MBSE方法應被重視并合理規劃使用。

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