国外基于MBSE的列车领域研究现状探析*

王保民，陈 波，张世聪

（1 兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081）

系统工程的发展经历了传统系统工程、复杂系统工程和复杂组织体系统工程3个阶段，涵盖了系统边界和范围的变化，基于模型的系统工程（MBSE）较好的回答了解决复杂系统工程的问题[1]。2007年INCOSE发布了《系统工程愿景2020》一书，INCOSE给出的“基于模型的系统工程”基本定义为[2]：MBSE是建模方法的一种形式化表达，用以支持从概念设计阶段到制造、应用和维护等阶段，需求、设计、分析、验证和确认活动。

近年来，随着MBSE的不断发展，其内容不断丰富，INCOSE在《系统工程2025年愿景》中，给出的“基于模型的系统工程”定义为：MBSE是一种标准实践，与其他建模和仿真以及数字企业功能集成在一起。MBSE方法可有效地解决基于文档方法在参数获取及技术状态管理方面面临的问题，目前在国外航空、航天、军工、医疗、船舶、汽车和铁路交通等领域均已获得应用。Bita[3]、Mary[4]、Schulze[5]、Hutchinson[6]和Joseph[7]等人分别对国外MBSE研究和应用情况进行了比较全面的分析。MBSE作为一种新的系统工程实践范式，早期在航空航天和军工领域得到了较多推广，如美国航空航天局、美国国防部和欧空局等，IBM、Atego和No Magic等公司也开展了相关研究工作，并开发了相关的软件平台，之后迅速向其他复杂系统工程领域推广。重点对国外列车领域的研发动态进行了调研分析。

1 庞巴迪运输公司研究现状

文献资料显示，庞巴迪最初在铁路应用程序开发中引入面向对象建模和设计的经验是在2002年，当时是依托于一个试点项目，采用了通用建模语言UML，同时考虑了紧急安全要求和软件的复用性[8]。当时庞巴迪总结经验认为，一般的列车应用程序采用自己开发的图形化功能块编程软件，其基于IEC 61131标准，但现有的方法和工具不满足未来需求扩展的复用[9]。庞巴迪运输公司是遍布全球的国际公司，在内部的不同子公司间存在大量不同的开发方法和工具，这种差异性也导致复用不可行。通过试点项目的实施和总结，庞巴迪认为采用UML和面向对象来进行列车应用开发是可行的。

MBSE出现于庞巴迪2015年的一份名为“MBSE AT BOMBARDIER TRANSPO-RTATION”（庞巴迪运输公司的MBSE）的报告中，可以认为是上述UML尝试的进一步衍生。图1展示了庞巴迪运输公司在系统工程中考虑功能、需求和安全等3方面所采用的软件工具及相互关系，其中用于系统建模的MagicDraw即为一款较为知名的支持SysML的建模软件。图2展示了一个“控制方向”功能的简单建模例子，从中可以看出系统模型由通用功能模块、功能结构、从DOORS自动导入的需求、功能描述等组成。

图3展示了列车控制中的一个简单逻辑—“控制方向”的建模实现，司机选择设置列车运行方向，左下为SysML的用例图，右侧为SysML的活动图。其中反映了列车方向选择功能的简单逻辑，非常直观。

而图4则是以功能块界面展示了列车方向选择功能实现，图4(a)反映的是功能接口的关系，图4(b)反映了功能与物理组件的分配关系。

图1 庞巴迪系统建模方法集成工具链

图5展示了列车方向选择功能在硬件物理层上的实现关系。虽然只是举了一个非常简单的例子，综合图1～图5可以发现，基于SysML的系统建模语言是非常丰富的，可以从不同层面展示列车的整车逻辑。

2 阿尔斯通运输公司研究现状

文献资料显示，阿尔斯通公司于2014年汇报了在铁路机车车辆领域MBSE的应用情况，报告题名为“MBSE for railway rolling stock -Alstom ASAP methodology”（针对铁路机车车辆的MBSE– 阿尔斯通“高级系统架构计划”方法）。与庞巴迪一样，阿尔斯通也是一个分支遍布全球的跨国公司，因此有着强烈地采用MBSE管理系统开发的内在需求[10]。

阿尔斯通分析了近年来铁路运营商和机车车辆本身的演变，随着铁路运营私有化，面对技术背景较弱的新生铁路运营商，机车车辆厂家需发展更为结构化的设计过程，而随着附加功能服务和各种软件及电子产品的引入，机车车辆系统越来越复杂，为了管理这种复杂性，引入了—Alstom System Engineering Process。阿尔斯通所面临的环境如图6所示，作为动车组系统集成商，一方面是与运营商业主进行需求交互，另一方面则是与子系统供应商做技术规范的交互。

图2 控制方向功能示例

图3 操作分析示例

为了减小问题的复杂性，阿尔斯通提出了图7所示的高级系统架构计划，采用MBSE理念，从运用、功能和建构3个视角对系统进行了阐释。不管从哪个视角，系统的依据均是需求运用视角解释了“为什么”问题，功能视角解释了“什么”问题，建构视角解释了“如何”问题，每个视角又有各自不同的元素。

图4 功能分析示例

图5 技术结构分析示例

图8展示了阿尔斯通MBSE工具结构，系统模型存储在2个同步数据库中，其中需求数据库用于需求的管理和开发，SysML系统架构数据库用于操作分析、功能和构造架构建模等，操作分析主要用于用户视角，而功能和构造架构建模主要用于列车和子系统架构视角。阿尔斯通所采用的SysML系统架构工具为Atego公司的Artisan Studio，是一款知名的SysML软件。

在MBSE的架构中，整车系统和功能的分解，是用户需求和最终生产出来的产品之间的关键纽带。通过基于系统和功能的分解，可以使我们在整车设计中不遗漏任何的技术细节。根据阿尔斯通的经验，SysML语言适用于按照系统分解体系SBS和功能分解体系FBS构建系统模型，如图9所示。

图6 阿尔斯通系统整合角色示意

图7 基于需求和模型的结构设计框架

图8 阿尔斯通MBSE工具结构

图10展示了采用SysML建模的一个示例，其中包含了列车运用分析、列车功能构架和子系统功能构架等视图。提取其中的用例图和活动图稍做说明，放大后的图像如图11和图12所示。图11反映的是乘客乘坐安全性，与列车长和司机之间存在乘客紧急报警和火灾防护的交互。图12反映的是其中火灾防护功能的具体逻辑实现，包括了火灾发生时的各种信息传递过程，防火装置探测到烟火后将烟火区域和报警信息传递给火警控制系统，该系统将火警信息传递给列车长、司机和乘客，其中传递给乘客区域是通过PIS系统的功能实现的，列车长和司机对火警信息进行确认。此外火警控制系统还将触发其他子系统的动作，例如关闭火警区域门防止火势蔓延、关闭HVAC、隔离牵引设备和打开主断路器等。虽然只是一个示例，但可以看出SysML建模语言可以描述控制逻辑的要求。

图9 阿尔斯通的MBSE整车设计架构

图10 阿尔斯通SysML建模示例

3 Connecta和Safe4Rail项目

Connecta项目的参与者主要是动车组系统集成商、铁路运营企业和关键子系统（制动系统）供应商。Connecta旨在为Shift2Rail的下一代具备无线功能的TCMS架构和组件以及下一代电子制动系统提供支撑[11]。

图11 SysML用例图示例

图12 SysML活动图示例

研究包括列车控制和监测的新技术概念、标准规范和架构，尤其是列车对地通信和高安全电控制动器的特定应用。旨在加强和扩展Roll2Rail项目中针对TCMS（列车控制管理系统）部分的早期工作，并启动Shift2Rail MAAP的具体活动。Connecta的主要研究内容如图13所示，包括以下6个部分：

WP1：制定下一代TCMS的通用规范，并生成一个高级系统架构，能够提供特定要求作为其他WP的不同任务的输入。

WP2：始于Roll2Rail，开发面向地铁以及干线车辆的无线TCMS和车-地通信技术解决方案（硬件和软件）。

WP3：确定新一代列车通信网络（NG-TCN），互联所有车载设备如TCMS、CCTV、PIS、ETCS-3、ATO和旅客Wi-Fi等，静态或动态以太网拓扑。

WP4：功能分布架构的目标是标准化功能和子系统的功能接口，以及为下一代TCMS定义通用的功能分布架构，任何制造商的两个或更多个编组的联挂。

WP5：开发一种电子软硬件架构，旨在根据适当的高安全等级（SIL3，SIL4）管理所有制动功能（常用、保持、紧急、安全制动及防滑保护）。

WP6：开发一个模拟框架，其可以模拟列车的所有子系统，允许远程和分布式测试，包括通过混合通信网络实现硬件在环。

图13 Connecta项目主要内容

Safe4Rail是Connecta的伴生项目[12]，为基本简化的嵌入式计算和联网TCMS平台提供基础，用于所有安全关键、时间关键和任务关键的列车功能的模块化集成和认证，包括高达SIL4的分布式硬实时控制、安全信号和功能。Safe4Rail项目的参与者主要是网络控制设备供应商，还包括其他领域如汽车行业的供应商，因为涉及到认证，所以TUV南德也参与了该项目。Safe4Rail可降低TCMS系统的生命周期和运用成本，并最大限度地缩短产品上市时间。预计还将鼓励欧洲铁路供应商的技术解决方案之间的互操作性、高效性、互连安全可靠性，提高全球竞争力并保持欧洲运输业的全球领导地位。研究如何利用无线（5G）、可互操作的车载通信以及通用集成列车控制和管理系统（TCMS）。在模拟环境中执行TCMS功能的测试，减少昂贵的现场测试。定义新的列车标准，为确定性通信以及安全和可互操作的互连铺平道路，同时提高TCMS的效率和安全性。主要研究内容如图14所示，包括以下4个部分：

WP1：在具有SIL4功能和安全线的高级集成以太网TCMS系统和架构的开发周期早期识别技术，减轻认证和市场风险。

WP2：为混合关键性嵌入式平台提供“功能分布”架构概念，通过终端系统内的虚拟总线为多个TCMS应用程序功能提供执行环境。

WP3：为铁路系统中的集成模块化架构开发分布式仿真和验证框架概念，允许SIL和HIL测试以及通过内部LAN或Internet连接的不同站点的模拟器和物理系统的耦合。

WP4：基于现有线控技术开发全新电子架构概念，主要目标将是安全电子控制开发和安全通信要求定义，后来用于被选制动功能的硬件和软件架构概念设计。

图14 Safe4Rail项目主要内容

目前Connecta和Safe4Rail已完成部分工作，正在进行的项目将延续Connecta-1和Safe4Rail-1的工作，将技术发展至TRL5并部署于2个实验室示范中，继续开发列车通信网络的无线技术，包括无线ECN、无线ETB、列车到地面通信和列车到列车通信，进一步进行功能接口（应用程序配置文件Application Profiles）的标准化，并验证非铁路标准和技术用于安全相关铁路应用的可行性。

4 结论

通过上述分析可以得出，近年来阿尔斯通和庞巴迪在列车产品研制中均逐步采用了MBSE方法，并发布了经验总结，认为MBSE的实施提升了设计质量，提高了生产效率，降低了开发风险，加强了团队沟通，增强了知识转移。两家跨国公司起初都是以试点项目的形式推广MBSE，在机车车辆产品线上，先由少量的系统工程师参与，以证明方法的可行性并细化过程，之后开始进行深入的推广。从近期开展的Connecta和Safe4Rail项目可见，MBSE已成为新一代TCMS研发的一个范式。随着我国铁路事业的快速发展，MBSE在国外的研究经验对国内的研究具有一定的借鉴意义，相关企业和高校应积极开展MBSE在列车领域的研究工作。