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基于MBSE的高速铁路系统集成方法研究

刘旭麒, 张可新, 谢泽

刘旭麒, 张可新, 谢泽. 基于MBSE的高速铁路系统集成方法研究[J]. 铁路计算机应用, 2025, 34(6): 70-77. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2025.06.11
引用本文: 刘旭麒, 张可新, 谢泽. 基于MBSE的高速铁路系统集成方法研究[J]. 铁路计算机应用, 2025, 34(6): 70-77. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2025.06.11
LIU Xuqi, ZHANG Kexin, XIE Ze. Integration method of high-speed railway system based on MBSE[J]. Railway Computer Application, 2025, 34(6): 70-77. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2025.06.11
Citation: LIU Xuqi, ZHANG Kexin, XIE Ze. Integration method of high-speed railway system based on MBSE[J]. Railway Computer Application, 2025, 34(6): 70-77. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2025.06.11

基于MBSE的高速铁路系统集成方法研究

基金项目: 

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2023YJ253)

详细信息
    作者简介:

    刘旭麒,研究实习员

    张可新,研究员

  • 中图分类号: U238 : TP39

Integration method of high-speed railway system based on MBSE

  • 摘要:

    针对传统的高速铁路系统设计采用文本化的设计方式,存在设计信息不匹配、接口关系混乱、可读性差等问题,提出了一种基于模型的系统工程(MBSE,Model-Based Systems Engineering)的高速铁路系统集成方法,以系统工程思想为核心,实现了设计方式由“基于文本”到“基于模型”的转变。以高速铁路客运运输场景设计为例,通过构建体系结构模型的方式进行了适用性分析。结果表明,采用该方法可开展高速铁路系统的需求分析、系统架构设计、接口关系描述及指标参数计算等工作,建立的体系结构模型直观展现了复杂高速铁路系统的各类设计信息,同时,由于体系结构模型及接口的唯一性和关联性,该方法实现了设计过程的可追溯,为高速铁路系统集成及正向设计提供了支撑。

    Abstract:

    In response to the problems of mismatched design information, chaotic interface relationships, and poor readability in traditional high-speed railway system design using textual design methods, this paper proposed an integration method of high-speed railway system based on Model-Based Systems Engineering (MBSE). With the system engineering concept as the core, the paper implemented the transformation of design methods from "text-based" to "model-based", and took the design of high-speed railway passenger transportation scenarios as an example, conducted applicability analysis by constructing a system architecture model. The results show that this method can be used for requirement analysis, system architecture design, interface relationship description, and indicator parameter calculation of high-speed railway system. The established architecture model intuitively displays various design information of complex high-speed railway systems. At the same time, due to the uniqueness and correlation of the architecture model and interfaces, this method achieves traceability of the design process, provides support for the integration and forward design of high-speed railway systems.

  • 传统的高速铁路系统设计一般采用文本化的形式进行交互,根据国家、行业、中国国家铁路集团有限公司(简称:国铁集团)等标准性技术文件进行模块化选取,最终形成高速铁路各专业系统设计方案。由于高速铁路系统各专业指标参数零散、要素关联关系复杂,存在各专业需求不匹配、接口关系不清晰、可读性不强等问题,因此设计过程需要进行反复迭代,增加了高速铁路系统设计的工作内容。

    系统集成是将建设与运营中的多个系统有机结合,从整体视角对系统架构进行设计,实现各模块的有机统一。基于模型的系统工程(MBSE,Model-Based Systems Engineering)[1]是由Wymore于1993年提出的,覆盖了系统从概念设计到运营维护的全生命周期阶段。通过构建系统模型的方式,MBSE实现了跨领域和跨学科模型之间的动态关联,保证了系统设计的一致性和可追溯性,弥补了传统的基于文本设计方法的不足,实现了设计方式由“基于文本”到“基于模型”的转变。目前,MBSE已被广泛应用于航空航天领域的飞机设计[2-3]、核电领域的产品设计[4-5]

    近些年,铁路领域也在开展MBSE的相关研究,王海芳等人[6]采用了基于系统建模语言(SysML)构建了包含架构模型和状态机模型的牵引系统功能模型,实现牵引系统功能逻辑仿真;郭玉亮等人[7]基于MagicGrid方法论设计了车门系统;滕泽旭等人[8]将基于模型的系统工程引入货运机车自动驾驶系统的设计中,创建了货运机车自动驾驶系统与既有系统进行冗余方案权衡分析的方法;何旭等人[9]提出了结合需求−功能−逻辑−物理的高速列车转向架系统建模分析流程,并以高速列车转向架制动系统为例进行MBSE建模分析。上述研究主要针对MBSE在各专业系统零部件或子系统功能结构的设计中的应用,但针对MBSE在铁路系统总体设计方面的应用较少,尚未形成适用于高速铁路系统集成及正向设计的方法及流程。

    结合上述分析,本文以系统工程思想为核心,面向高速铁路系统总体设计,提出了一种基于MBSE的高速铁路系统集成方法,实现了设计方式由“基于文本”到“基于模型”的转变。以某高速铁路客运运输场景设计为例,通过构建体系结构模型的方式详细阐述了所提出方法的实施过程,验证了该方法的有效性。

    高速铁路是一个涉及多专业、多领域的复杂巨系统,各系统之间相互配合、相互制约。高速铁路系统集成根据高速铁路运营需求,整合各系统之间的关系,形成高度一体化、智能化的综合运输系统。

    参考系统工程MagicGrid方法论[10],本文提出的基于MBSE的高速铁路系统集成方法,不同于传统文本形式的交互方式,该方法以系统工程为核心,以体系结构模型为纽带将各专业系统及其子系统有机结合起来。该方法面向高速铁路系统总体设计,自顶而下开展设计、验证及优化。基于MBSE的高速铁路系统集成方法示意如图1所示。

    图  1  基于MBSE的高速铁路系统集成方法示意

    基于MBSE的高速铁路系统集成方法横向包括需求(R)、行为(B)、结构(S)、参数(P)及追溯(T)等内容;纵向包括任务定义与需求分析层(M层)、铁路系统架构设计层(S-L1层)、专业系统架构设计层(S-L2层)、专业分系统架构设计层(S-L3层)等层级。同一层级及不同层级的各内容之间存在一定的迭代及追溯关系,以保证设计过程的完备性;各层级关系及主要开展的工作内容如下。

    M层的目标是将各方不清晰的期望和需求等转换成需要解决的具体问题,是开展高速铁路系统集成及设计的首要步骤。不同于传统文本化的分析方法,M层是在开展资料收集、调研分析等的基础上,将各类需求文本整合成规范化、条目化的需求模型,通过辨识利益攸关方、分析各类任务场景等活动,得到铁路系统任务指标体系,即铁路系统应满足的要求。其具体包括使命任务定义-任务边界构成及交互分析−任务场景分析−任务指标体系分析,其中,任务边界构成及交互分析包括利益攸关者分析[11]和任务需求分析2部分。

    M层将输入的使命任务转化为任务指标体系,进而明确铁路系统具体的顶层需求,同时将任务指标体系向下作为S-L1层的输入,用以开展铁路系统的功能结构设计。

    系统在初步设计阶段的一个重要任务是确定所需要设计的功能和结构以满足系统需求。S-L1层根据M层输入的铁路系统任务指标体系,通过开展系统的功能、结构设计,得到铁路系统能力指标体系。其具体工作内容包括铁路系统能力需求分析−铁路系统功能结构分析-铁路系统配置及接口分析−铁路系统能力指标体系分析。

    S-L1层采用自顶向下、用例驱动的建模方式,通过构建各类SysML行为图的方式(如:用例图、活动图、状态机图、模块定义图等),将铁路系统进行白盒化[12]处理。其根据铁路系统能力需求分析识别出铁路系统应具备的各项功能,采用分配泳道的方式将铁路系统功能分配到各专业系统中并分析各专业系统的行为和交互关系,同时通过接口关系图进一步描述专业系统间的物质、信息等接口以确定系统架构。基于确定的系统架构,进一步明确铁路系统对各专业系统的要求(铁路系统能力指标体系),并将其向下作为S-L2层的输入,用以开展专业系统的功能结构设计。

    S-L2层是以S-L1层的铁路系统能力指标体系为输入,向下开展专业系统(如动车组系统、通信系统、信号系统等)的功能结构设计。与S-L1层的结构相似,S-L2层工作内容包括专业系统能力需求分析−专业系统功能结构分析−专业系统配置及接口分析−专业系统能力指标体系分析,最终将得到的专业系统能力指标体系向下作为S-L3层的输入。

    S-L3层以S-L2层的专业系统能力指标体系为输入,开展各专业分系统的设计(如开展动车组系统中制动系统的设计),输出部件级系统能力指标体系,用以向下继续指导部件级系统的设计。

    在开展高速铁路系统集成及设计的过程中,系统工程师的主要任务是进行系统顶层需求的分析与分配,明确铁路系统顶层架构,并为各专业系统的设计提供输入和支撑。一般而言,铁路系统总体设计只须完成专业系统或专业分系统的架构设计,部件级等系统层级的设计工作则由专业部门开展,最后将各层级模型进行整合和集成以实现高速铁路系统整体正向设计。上述各层级结构如表1所示。

    表  1  各层级结构
    层级 输入 分析方法 输出
    M层 各类需求报告、可研文件等 通过资料调研、头脑风暴、
    专家研讨等构建需求模型
    任务指标体系
    S-L1层 任务指标体系 构建功能结构模型 专业系统能力指标体系
    S-L2层 专业系统能力指标体系 构建功能结构模型 专业分系统能力指标体系
    S-L3层 专业分系统能力指标体系 构建功能结构模型 部件级系统能力指标体系
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    以某高速铁路系统客运运输场景设计为例,通过构建高速铁路系统体系结构模型的方式,详细阐述所提出的基于MBSE的高速铁路系统集成方法的实施过程,验证该方法的有效性。

    使命任务是系统顶层设计的重要输入,指铁路系统在一定历史阶段内所需承担的职责,主要来自于国家、社会、经济发展等的需求报告、可行性研究批复文件等。在梳理分析各类需求报告的基础上,采用编号ID和文本描述的方式构建规范化的使命任务模型。使命任务条目如表2所示。

    表  2  使命任务条目
    编号 条目内容
    MR-1 缩短时空距离
    MR-2 完善运输网络布局
    MR-3 促进民生改善
    MR-4 完善运输网络布局
    MR-5 促进对外开放
    MR-6 促进区域协调发展
    MR-7 舒适度要求
    MR-8 提升运输服务
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    任务边界构成及交互分析包括任务利益攸关者分析和任务需求分析两部分,用以辨识高速铁路系统涉及的利益攸关者并形成任务需求清单(利益攸关者需求),明确铁路系统与外部环境之间的交互关系。

    (1)利益攸关者分析

    利益攸关者是指任何对高速铁路系统需求有着直接或间接影响的个人、群体或组织,通过专家咨询、问卷调查、市场调查、文献调研等方式对各相关方进行穷举、筛选及综合分析得到。

    通过对利益攸关者分析,将高速铁路系统的利益攸关者分为内部利益攸关者和外部利益攸关者。内部利益攸关者指的是国铁集团内部与高速铁路系统直接相关的利益攸关者;外部利益攸关者则指的是国铁集团外部与高速铁路系统建设、运营等相关的个人或团体。利益攸关者分析模型如图2所示。

    图  2  利益攸关者分析模型

    (2)任务需求分析

    任务需求分析是用来确定利益攸关者所需要完成的任务(任务需求),辅助开展高速铁路系统顶层需求的分析。采用内部模块图构建任务需求分析模型,使用“精化”关系明确不同利益攸关者提出的任务需求,包括扩大干线网络、提高运输收入和地方经济发展等内容,任务需求分析模型如图3所示。

    图  3  任务需求分析模型

    任务场景分析用于描述高速铁路系统的运用场景以及高速铁路系统与利益攸关方之间的交互关系。高速铁路系统任务场景分析以任务需求为输入,分析系统所需执行的活动场景并进一步明确各利益攸关方在不同任务场景下扮演的角色,指导高速铁路系统设计。

    为了满足利益攸关方提出的任务需求,分析并明确的高速铁路系统任务场景包括执行客运任务、执行应急救援任务及执行养护维修任务。以执行客运任务场景为例开展分析,通过描述各利益攸关方和高速铁路系统在客运场景中的行为及交互关系,明确不同活动主体应具备的功能,客运场景分析模型如图4所示。从图4中可以看出,在执行客运任务场景下高速铁路系统应具备客运功能,其余功能由各利益攸关方承担。

    图  4  客运场景分析展开模型

    任务指标体系分析将宏观的使命任务量化为高速铁路系统所需要满足的具体顶层需求。在构建任务指标体系的过程中,应从承担的多维使命任务出发,以安全、可靠、便捷、高效、绿色和经济等为目标,将其展开为多维指标并进行参数化表征。

    以执行客运任务场景为例,对高速铁路系统客运功能开展正向设计。梳理高速铁路系统执行客运功能需要满足的任务指标体系,包括运输参数指标(速度、密度、重量等)、乘坐舒适性、环境适应性,以及可靠性(R)、可用性(A)、可维修性(M)和安全性(S)等指标,并将其进行参数化表征。高速铁路系统任务指标体系如图5所示。

    图  5  高速铁路系统任务指标体系

    高速铁路系统能力需求分析以M层的任务指标体系为输入,采用编号ID+文本描述或参数约束的方式构建高速铁路系统能力需求模型,并补充条目类型等属性,高速铁路系统能力需求模型如图6所示。能力需求条目包括直接条目和间接条目两类,其中间接条目需要进行计算,包括追踪间隔时间、旅行速度指标等。

    图  6  高速铁路系统能力需求分析模型

    基于高速铁路系统能力需求,对其功能结构分析,包含功能模型和结构模型2部分。功能模型通过业务流程活动梳理得到,用于描述高速铁路系统各组成部分的功能;结构模型采用从整体到局部逐级分解的方式捕捉高速铁路系统的层次关系,用于描述高速铁路系统的整体结构和组成部分。

    (1)功能模型

    高速铁路系统功能模型采用用例图进行构建,通过用例图的每个用例描述了高速铁路系统的1个交互动作,即高速铁路系统具备的功能。高速铁路系统客运功能模型如图7所示,其描述了高速铁路系统客运功能的层次结构。从图7中可以看出,客运功能由各子功能进行实现。

    图  7  高速铁路系统客运功能模型

    (2)结构模型

    高速铁路系统结构模型是用于描述实现上述系统功能所需要的系统组成结构。采用模块定义图构建高速铁路系统结构模型,如图8所示。从图8中可以看出,客运场景下高速铁路系统结构包括9个专业系统,其中,人员包括司机、乘务员、调度员等开展相关活动所需要的工作人员。

    图  8  高速铁路系统结构模型

    基于构建的高速铁路系统功能、结构模型,采用活动图对高速铁路系统的动态行为进行建模,通过分配泳道的方式将高速铁路系统功能分配到各专业系统中并分析专业系统的行为和交互过程,对高速铁路系统架构进行设计。

    以列车控车功能为例,对专业系统之间的行为和交互过程开展分析,列车控车功能系统活动模型如图9所示。列车控车功能涉及牵引供电、高速列车、人员和工务工程等专业系统,通过系统活动模型可以明确在执行列车控车功能时不同系统的动作及系统间的交互关系(如信号系统应具有测速测距、发送临时限速指令等功能),同时为生成系统接口关系图及接口交互清单提供了支撑。

    图  9  列车控车功能系统活动模型

    高速铁路系统配置及接口分析旨在描述各专业系统之间的电气连接、物理连接、物质及信息等的传输关系。基于建立的各类功能结构模型,采用内部模块图生成系统接口关系模型,直观展现了各专业系统之间的接口及其交互关系。高速铁路系统接口关系模型如图10所示。

    图  10  高速铁路系统接口关系模型

    相较于接口关系图,接口交互清单采用条目化的文本描述了系统之间的交互关系,更有助于开展系统设计。

    基于确定的系统架构,明确高速铁路系统对各专业系统的需求,得到的高速铁路系统能力指标体系如图11所示。

    图  11  高速铁路系统能力指标体系

    采用编号ID+文本或参数的方式构建高速铁路系统能力指标体系模型,包含定量指标和定性指标,其中,定性指标需要进行求解。根据分析,高速列车牵引功率、高速列车紧急制动距离、牵引供电单供电臂供电容量、牵引供电网压、通信信号闭塞分区长度、通信信号测速测距误差等参数需要进行定量求解。

    为了能够定量求解指标参数,采用参数图构建了成套的指标参数计算模型。本文以高速列车牵引功率指标计算为例,阐述参数图的构建过程。高速列车牵引功率参数计算模型如图12所示,相关计算公式参照文献[13]。

    图  12  动车组牵引功率参数计算模型

    图12中可以看出,通过输入不同车型参数以及线路条件,可以实现高速列车牵引功率等指标的自动检算。同时,高速铁路系统能力指标体系向下作为专业系统架构设计层(S-L2层)的输入,为开展各专业系统设计提供支撑。

    在完成铁路系统架构设计后,可根据提出的系统集成方法,继续向下开展专业系统、专业分系统及部件级系统等的架构设计,也可在模型中预留相关接口,交由各专业部门或机构进行专业系统的设计,最后统一进行模型的整合和集成,实现高速铁路系统正向设计。

    本文提出的基于MBSE的高速铁路系统集成方法,以系统工程思想为核心,改变了传统文本化的设计形式。以高速铁路客运运输场景设计为例,采用该方法构建了高速铁路系统体系结构模型,分析了系统的需求、功能、结构及接口关系,直观地展现了复杂高速铁路系统的设计信息及需求,保证了设计过程的可追溯,实现了设计方式由“基于文本”到“基于模型”的转变。由于模型可以被重复使用,该方法有利于技术资料及专业知识的积累,为开展高速铁路系统集成及正向设计提供了支撑。

  • 图  1   基于MBSE的高速铁路系统集成方法示意

    图  2   利益攸关者分析模型

    图  3   任务需求分析模型

    图  4   客运场景分析展开模型

    图  5   高速铁路系统任务指标体系

    图  6   高速铁路系统能力需求分析模型

    图  7   高速铁路系统客运功能模型

    图  8   高速铁路系统结构模型

    图  9   列车控车功能系统活动模型

    图  10   高速铁路系统接口关系模型

    图  11   高速铁路系统能力指标体系

    图  12   动车组牵引功率参数计算模型

    表  1   各层级结构

    层级 输入 分析方法 输出
    M层 各类需求报告、可研文件等 通过资料调研、头脑风暴、
    专家研讨等构建需求模型
    任务指标体系
    S-L1层 任务指标体系 构建功能结构模型 专业系统能力指标体系
    S-L2层 专业系统能力指标体系 构建功能结构模型 专业分系统能力指标体系
    S-L3层 专业分系统能力指标体系 构建功能结构模型 部件级系统能力指标体系
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    表  2   使命任务条目

    编号 条目内容
    MR-1 缩短时空距离
    MR-2 完善运输网络布局
    MR-3 促进民生改善
    MR-4 完善运输网络布局
    MR-5 促进对外开放
    MR-6 促进区域协调发展
    MR-7 舒适度要求
    MR-8 提升运输服务
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图(12)  /  表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-17
  • 网络出版日期:  2025-06-25
  • 刊出日期:  2025-06-24

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