基于正向设计的动车组牵引系统建模与实现

1) 需求分析阶段。利益相关方需求，即来源于用户的需求书。将需求书内容规范为条目化需求文档，导入模型建立需求表和需求图，分析利益相关方需求，识别不同运行环境下牵引系统所提供的服务以及在此过程中与牵引系统产生物质、能量、信息交互的外部系统。通过分析建立系统上下文与用例模型。

2) 功能分析阶段。在牵引系统需求和用例模型完成后，将牵引系统作为黑盒进行分析和定义，关注在各种背景环境下牵引系统如何和利益相关方系统进行交互，进行了哪些交互，侧重牵引系统业务分析。完成黑盒活动分析后进行白盒分析。即分析牵引系统内部是如何运行的，在这个阶段需要深入分析牵引系统功能，对牵引系统功能的深入分析称为功能分解。针对前文中牵引系统执行的每个功能进行分解，通过功能块对详细行为的功能进行分组，满足每个功能块均能执行一个或多个功能。在完成黑白盒功能分析模型后可通过状态机模型进行功能逻辑的仿真验证。

3) 逻辑架构分析阶段。白盒功能分析识别的功能块即为牵引系统逻辑子系统。使用块定义图描述逻辑子系统的组件和结构，使用内部块图定义子系统间的接口及交互内容，并利用追溯矩阵对利益相关方需求进行追溯。

4) 物理架构分析阶段。在之前通过对牵引系统的利益相关方需求分析及系统功能分解，确定了牵引系统逻辑子系统及交互接口与交互内容。物理架构建模部分是基于逻辑子系统模型，结合现有技术确定牵引系统物理架构。此处涉及架构权衡，可通过模型对多种物理结构方案进行权衡，依据关注度选择最优物理架构方案。

2.1 牵引系统的建模过程

2.1.1 牵引系统的需求模型

将用户需求书中与牵引系统相关的需求进行条目化整理成，并导入系统，创建需求表和需求图。需求分为功能需求、性能需求、接口需求、非功能需求以及设计约束5 类。需求模型如图2 所示。

图2 牵引系统需求((a)需求表; (b)需求图)

2.1.2 牵引系统的功能模型

图3 牵引系统正常运行用例分析

图4 牵引系统中“牵引加速”黑盒活动图

图6 “实现牵引”的功能模块

2.1.3 牵引系统的架构模型

牵引系统的架构模型创建，是将牵引系统的白盒活动通过识别基本功能分配给牵引系统的子系统。在逻辑子系统的划分过程中，并不确定具体的部件，只是根据基本功能实现子系统的概念划分，勾勒出系统的输入、输出、满足的约束和资源等4 个方面。以最清晰明了的方式呈现给设计者，使设计者能够快速准确地捕获系统框架并展示划分后的系统接口。此处的接口只明确接口间需要传递的信息而不明确接口的具体物理实现形式，系统间的数据传输和接口关系如图7 所示。

系统分析模型是在系统模型构建过程中的一个横向过程，对利益相关方需求进行预算分配型需求的分配过程中、功能模型到架构模型的转化过程中、架构模型到物理实现过程中以及在验证系统功能逻辑的过程中都会涉及到系统分析。

1) 预算分配型需求的分配过程。在牵引系统的利益相关方需求中，参数要求涉及有关系统重量和寿命以及牵引力大小等，在将利益相关方需求向系统需求传递的过程中，会设计具体的分配方案。首先在内部块图中定义可度量指标，结合逻辑架构的系统划分，将牵引系统的寿命需求直接分配给各个子系统，将重量需求按公式划分为3个子系统。在系统的设计过程中可调整各个子系统的重量，以不超过牵引系统总重量为原则，如图8 所示。

图8 牵引系统重量分配模型

2) 架构的权衡分析。在架构设计到物理实现转化过程中，会涉及基于权衡指标的多方案选择。选择关键是识别评估标准。探讨在多标准中进行多方案架构权衡的多标准决策步骤如下：

步骤1. 列出需要考虑的评估标准清单。评估标准是区分多个解决方案影响系统重要可测量性能的尺度，在改方案权衡过程中，多个解决方案分别是主辅分离车控，主辅一体架控和主辅一体轴控，影响因素是成本、重量、体积、可靠性和功率。

步骤2. 给每个标准确定一个权重Wi。表示标准i 的相对重要性，即

W_i =标准_i 的权重          (1)

步骤3. 对多个决策方案按照每个标准进行打分r_ij。表示决策方案满足标准的程度。如决策方案_j 是“主辅一体车控”，标准_i 是“功率”，即r_ij =决策方案_j 在标准 _i 下的得分

步骤4. 计算多个决策方案的最终得分S_j，即

                 (2)

步骤5. 将决策方案按照最终得分进行排序，得分最高的决策方案即为最优方案。

通过确定评估标准和分配权重来绘制效用曲线，以确定最优方案。通过计算得到的权重W=(0.3，0.2，0.2，0.15，0.15)。

基于上述量化值，可以通过效用曲线计算出“优度”分数。效用曲线可通过比较目标分析结果，并输出一个0~10 之间的标准化值以表示目标是如何被满足的，即最坏的解决方案的效用值为0；最佳解决方案的效用值为10。在(worst，0)和(best，0) 2 点之间，建立一条线性效用曲线贯穿两点。

已知两点(x1,y1)和(x2,y2)之间的线性方程为

因此效用曲线方程为

即

其中，y 为效用曲线上的MOE 值。

根据目前3 种较为成熟的架构方案，得到各标准实际值，见表1。

表1 各标准各方案实际值

根据上述方法构建每个标准的MOE 方程，即

根据上述MOE 方程，可以得到各方案的MOE分数，见表2。

根据目标函数确定各自解决方案的加权和，即

目标函数计算见表3。

表3 目标函数计算

3 种方案的最终得分分别为：主辅分离车控方案得分5.6；主辅一体架控方案得分6.055；主辅一体轴控方案得分3.98；则最终方案选择主辅一体架控方案。

2.2.2 系统功能可实现性分析

牵引系统模型构建完成后，需通过仿真来验证系统搭建的完整性和正确性，并检验建模过程设计的系统是否能满足最初的利益相关方需求。用状态机图搭建状态机模型，与活动图协同完成系统仿真。状态机图如图9 所示。仿真结果如图10 所示。

2.3 牵引系统的实现过程

通过牵引系统的建模过程和设计分析过程，可以确定牵引系统的最佳实现方案，并在图7 的基础上进行接口细化和具象化。确定接口的物理实现形式和各种信号的物理实现形式。如图11 所示。

图11 牵引系统物理接口图

本文结合MBSE 的语言、工具和方法，以动车组牵引系统为研究对象，从牵引系统的建模、设计与实现的角度进行展示。使用SysML 语言的9 种视图构建了牵引系统的需求模型、用例模型、功能模型、逻辑架构模型、物理架构模型、参数模型和仿真模型。与现有的基于文档的牵引系统设计流程对比，基于MBSE 的牵引系统的建模与实现，将抽象的需求形象化，使的牵引系统的需求、功能在评审过程中可运行、可仿真、可验证，实现了基于模型的需求追溯，并实现了基于模型的数据传输，保证了数据的一致性传递、知识的积累和重用。尽管本文通过对动车 组牵引系统进行基于MBSE的应用探索，为轨道交通列车领域的模型可复制、可扩展奠定了基础，仍存在一些不足之处，首先没有基于整车的需求进行关联，其次仅对牵引系统的正常功能进行了分析，未对故障失效下的功能展开充分分析，因此需在此基础上，进一步对模型的构建进行研究和探索。