基于SysML 的動(dòng)車組受電弓控制邏輯仿真研究*

王保民，陳 波，張世聰，袁文強(qiáng)

（1 中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京100081；3 杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，杭州310018）

基于模型的系統(tǒng)工程思想以模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的巨大轉(zhuǎn)變。它除了支持復(fù)雜產(chǎn)品的基于模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程以外，還支持基于模型的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真過程[1]。通過仿真能夠清晰地展示產(chǎn)品行為的細(xì)節(jié)過程，設(shè)計(jì)師能夠清楚地看到里面的每一個(gè)動(dòng)作，物質(zhì)的流動(dòng)、動(dòng)作的跳轉(zhuǎn)、信號(hào)的傳遞、部件之間的交互等一系列詳細(xì)信息，極大地輔助設(shè)計(jì)師加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程和提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

基于模型驅(qū)動(dòng)的思想，采用系統(tǒng)建模語言（System Modeling Language，SysML）[2]開展動(dòng)車組高壓系統(tǒng)的受電弓控制邏輯仿真研究工作。

1 仿真建模語言和工具

SysML 是一種通用的針對(duì)復(fù)雜裝備系統(tǒng)工程應(yīng)用的建模語言，它可以支持包含硬件、軟件、信息、制造等多領(lǐng)域系統(tǒng)的描述、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證等。SysML 并不是一種全新的建模語言[3]，它是建立在統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）基礎(chǔ)之上的。Sys-ML 共包含9 種圖:用例圖、序列圖、狀態(tài)機(jī)圖、包圖、需求圖、參數(shù)圖、模塊定義圖、內(nèi)部模塊圖、活動(dòng)圖。建模工具和以往的繪圖工具不同，系統(tǒng)工程師使用建模工具創(chuàng)建的是模型，當(dāng)改圖中元素時(shí)，元素本身的底層模型實(shí)現(xiàn)改變，相同元素的圖全部隨之改變。目前支持Sys-ML 的建模工具主要有 Magic Draw、Rhapsody、Integrity Modeler 和 M ? Design[4]。

2 模擬仿真構(gòu)建過程

分析的仿真具體場景包括受電弓的升弓和降弓過程，主斷路器的斷開和閉合過程[5]。如圖1～圖4 所示，依次給出了它們的簡化邏輯框圖。

圖1 升弓簡化邏輯

圖2 降弓簡化邏輯

圖3 主斷路器閉合簡化邏輯

圖4 斷開簡化邏輯

圖5 為面向本節(jié)仿真對(duì)象所構(gòu)造的動(dòng)車組結(jié)構(gòu)分解模型。其包括控制部分列車控制管理系統(tǒng)TCMS（Train Control Management System，TCMS）、高壓系統(tǒng)和司控臺(tái)。

TCMS 有兩個(gè)重要的屬性:isPantographUP 和is-CircuitClosed，兩者皆為Boolean 類型。其中，isPantographUP 是TCMS 用于記錄受電弓的狀態(tài)，如果其值為true 表示受電弓為升起狀態(tài)，否則為降落狀態(tài)。is-CircuitClosed 是TCMS 用于記錄主斷路器狀態(tài)，如果其值為true 表示主斷當(dāng)前狀態(tài)為閉合，否則為斷開狀態(tài)。

受電弓撥動(dòng)開關(guān)和主斷路器撥動(dòng)開關(guān)位于司控臺(tái)上，司機(jī)通過受電弓撥動(dòng)開關(guān)和主斷路器板撥動(dòng)開關(guān)向TCMS 發(fā)送升弓、降弓、合主斷和分主斷等指令。受電弓撥動(dòng)開關(guān)的值屬性PantoKeySwitchState 是枚舉類型，其和后續(xù)仿真UI 界面元素綁定，用于指示司機(jī)發(fā)出何種受電弓指令操作。仿真實(shí)例中，高壓系統(tǒng)包括兩個(gè)核心物理組件受電弓和主斷路器。

為了實(shí)現(xiàn)高壓系統(tǒng)受電弓系統(tǒng)仿真，在定義用到的各種組件基礎(chǔ)上，需要梳理出組件之間交互的各種信號(hào)流，并基于模型的方式對(duì)信號(hào)建模。圖6 所示為高壓系統(tǒng)仿真用到的各種信號(hào)模型。具體可以分為4 大類。

受電弓撥動(dòng)開關(guān)和主斷路器撥動(dòng)開關(guān)信號(hào)分別為:PantoKeySwitchState 和 MCBKeySwitchButtonState，均為枚舉類型。PantoKeySwitchState 有3 個(gè)取值Raise/Lower/None，分別對(duì)應(yīng)發(fā)送升起/降落受電弓指令及開關(guān)歸零位置。MCBKeySwitchButtonState 有3 個(gè)取值Close/Open/None，分別對(duì)應(yīng)發(fā)送閉合/斷開主斷路器指令以及開關(guān)歸零位置。

受電弓相關(guān)的控制信號(hào)有4 個(gè):RequestRaisePanto和RequestLowerPanto 用于模擬受電弓撥動(dòng)開關(guān)向TCMS 發(fā)送的司機(jī)請(qǐng)求升弓或者降弓指令；PantographUP和PantographDOWN 用于模擬TCMS 經(jīng)邏輯處理后向受電弓發(fā)送的受電弓升起或者降落指令。

圖5 針對(duì)高壓系統(tǒng)仿真的動(dòng)車組結(jié)構(gòu)分解圖

圖6 高壓系統(tǒng)用到信號(hào)

主斷路器相關(guān)的控制信號(hào)4 個(gè):RequestOpenMCB和RequestCloseMCB 用于模擬主斷路器撥動(dòng)開關(guān)向TCMS 發(fā)送的司機(jī)請(qǐng)求斷開或閉合主斷指令；MCBClose 和MCBOpen 用于模擬TCMS 經(jīng)邏輯處理后向主斷路器發(fā)送的閉合或斷開主斷指令。Terminate 信號(hào)用于終止整個(gè)高壓系統(tǒng)的仿真過程。

在定義了高壓系統(tǒng)仿真組件及其相關(guān)信號(hào)后，把每個(gè)組件當(dāng)做一個(gè)小黑盒，需要明確各個(gè)組件之間的信號(hào)流動(dòng)。如圖7 所示，受電弓撥動(dòng)開關(guān)通過兩個(gè)端口向TCMS 發(fā)送信號(hào):發(fā)送請(qǐng)求升弓信號(hào)端口和發(fā)送請(qǐng)求降弓信號(hào)端口。主斷路器撥動(dòng)開關(guān)也通過兩個(gè)端口向TCMS 發(fā)送信號(hào):發(fā)送斷開主斷路器信號(hào)端口和發(fā)送閉合主斷路器信號(hào)端口。TCMS 通過兩個(gè)端口向受電弓發(fā)送信號(hào):給受電弓發(fā)送升弓信號(hào)端口和給受電弓發(fā)送降弓信號(hào)端口；通過兩個(gè)端口向主斷路器發(fā)送信號(hào):給主斷路器發(fā)送斷開信號(hào)端口和給主斷路器發(fā)送閉合信號(hào)端口。

高壓系統(tǒng)仿真開始時(shí)，呈現(xiàn)給使用者是一個(gè)交互界面。如圖8 所示，左邊為受電弓撥動(dòng)開關(guān)面板，右邊為主斷路器撥動(dòng)開關(guān)面板。使用者可以通過點(diǎn)擊按鈕向系統(tǒng)發(fā)送不同的指令，系統(tǒng)將會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖7 各部件內(nèi)部信號(hào)交互

圖8 受電弓（左）和主斷路器（右）UI 界面

高壓系統(tǒng)仿真中，受控對(duì)象為受電弓和主斷路器，所用到的狀態(tài)圖標(biāo)如圖9 所示。從左往右依次為受電弓降落和升起，主斷路器閉合和斷開。

圖9 受電弓和主斷路器狀態(tài)圖標(biāo)

如圖10 為受電弓撥動(dòng)開關(guān)狀態(tài)，包括3 個(gè)狀態(tài):歸零位置、升弓位置和降弓位置。在初始時(shí)，受電弓撥動(dòng)開關(guān)處于歸零位置狀態(tài)，當(dāng)其state 屬性值為Raise 時(shí)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換為升弓位置。在進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)，將執(zhí)行請(qǐng)求升弓活動(dòng)。當(dāng)state 屬性值為Lower 時(shí)，將轉(zhuǎn)換到降弓位置狀態(tài)，進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行請(qǐng)求降弓動(dòng)作。當(dāng)state為None 時(shí)，將轉(zhuǎn)換到歸零位置狀態(tài)。

如圖11 展示了主斷路器撥動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。包括3 個(gè)狀態(tài)位:歸零位置、閉合主斷和斷開主斷。當(dāng)mainSwitchButtonState 為Close 時(shí)，狀態(tài)躍遷為閉合主斷，在進(jìn)入此狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行請(qǐng)求閉合主斷活動(dòng)。當(dāng)main-SwitchButtonState 為Open 時(shí)，狀態(tài)躍遷為斷開主斷，當(dāng)mainSwitchButtonState 為 None 時(shí)，狀態(tài)躍遷為歸零位置。

圖10 受電弓撥動(dòng)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

圖11 主斷路器撥動(dòng)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

TCMS 在全程運(yùn)行中，一直處于運(yùn)行狀態(tài)，期間接收來自受電弓撥動(dòng)開關(guān)和主斷路器撥動(dòng)開關(guān)的指令，并經(jīng)邏輯處理后向受電弓和主斷路器發(fā)送執(zhí)行信號(hào)指令。圖 12 展示了TCMS 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，接收的信號(hào)有RequestRaisePanto、RequestLowerPanto、RequestCloseMCB 和RequestOpenMCB?！疤幚碚?qǐng)求升弓”動(dòng)作活動(dòng)如圖 13 所示。

圖12 TCMS 狀態(tài)轉(zhuǎn)換

如圖14 為受電弓狀態(tài)，其包括兩個(gè)狀態(tài)DOWN 和UP，當(dāng)受電弓收到Pantograph UP 信號(hào)時(shí)，躍遷為UP狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的受電弓圖標(biāo)為升起的形狀。當(dāng)收到Pantograph DOWN 信號(hào)時(shí)，則躍遷為 DOWN 狀態(tài)，此時(shí)受電弓圖標(biāo)為降落的形狀。

圖13 處理請(qǐng)求升弓活動(dòng)

如圖 15 為主斷路器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。 包括OPENED 和CLOSED 兩個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換事件為分別收到MCBOpen 和MCBClose 信號(hào)。

圖14 受電弓狀態(tài)轉(zhuǎn)換

圖15 主斷路器狀態(tài)轉(zhuǎn)換

如圖16 為高壓系統(tǒng)仿真配置面板，右上展示了通過構(gòu)建2 個(gè)ImageSwitcher 分別表示受電弓和主斷路器狀態(tài)的切換，受電弓狀態(tài)定義了UP 和DOWN 2 個(gè)狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。右下展示了主斷路器定義的OPENED 和CLOSED 兩個(gè)狀態(tài)及其對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。左邊展示了高壓系統(tǒng)仿真配置，UI 包括受電弓狀態(tài)和主斷路器狀態(tài)兩個(gè)界面，executionTarget 設(shè)置為動(dòng)車組實(shí)例。

3 模擬仿真運(yùn)行過程

通過以上的配置，運(yùn)行當(dāng)前的高壓系統(tǒng)仿真配置文件，初始時(shí)得到如圖17 所示的界面。區(qū)域1 為受電弓撥動(dòng)開關(guān)交互界面，區(qū)域2 為受電弓當(dāng)前狀態(tài)顯示界面，區(qū)域3 為主斷路器當(dāng)前狀態(tài)顯示界面，區(qū)域4 為主斷路器撥動(dòng)開關(guān)交互界面，區(qū)域5 為變量顯示區(qū)域，此處關(guān)心的是 TCMS 實(shí)例的isPantographUP 和isCircuit-Closed 2 個(gè)布爾變量，可以看到其初始值均為false，表明受電弓初始為降弓狀態(tài)且主斷路器為斷開狀態(tài)。

圖16 高壓系統(tǒng)仿真配置面板

圖17 高壓系統(tǒng)仿真運(yùn)行初始界面

當(dāng)點(diǎn)擊受電弓撥動(dòng)開關(guān)上的Raise 按鈕后，發(fā)出升弓指令，此時(shí)受電弓撥動(dòng)開關(guān)的狀態(tài)由歸零位置躍遷到升弓位置，同時(shí)將執(zhí)行請(qǐng)求升弓活動(dòng)，如圖18 所示。當(dāng)執(zhí)行請(qǐng)求升弓活動(dòng)后，司控臺(tái)將通過“發(fā)送請(qǐng)求升弓信號(hào)端口”向 TCMS 發(fā)送 RequestRaisePanto 信號(hào)，如圖19 所示。TCMS 在收到司控臺(tái)發(fā)來的請(qǐng)求升弓信號(hào)后，將會(huì)處理該信號(hào)，執(zhí)行處理請(qǐng)求升弓信號(hào)活動(dòng)，執(zhí)行一系列動(dòng)作，如圖20 所示。

TCMS 在處理完請(qǐng)求升弓信號(hào)活動(dòng)后，將通過“給受電弓發(fā)送升弓信號(hào)端口”向受電弓發(fā)送Pantograph-UP 信號(hào)，如圖 21 所示，黃色的線表示前一條剛剛執(zhí)行完的單元。受電弓在收到Pantograph UP 信號(hào)后，躍遷為 UP 狀態(tài)，如圖 22 所示。

圖18 受電弓撥動(dòng)按鈕進(jìn)入升弓位置

圖19 司控臺(tái)向TCMS 發(fā)送RequestRaisePanto 信號(hào)

圖20 TCMS 執(zhí)行處理請(qǐng)求升弓信號(hào)活動(dòng)

在區(qū)域2 受電弓顯示狀態(tài)變?yōu)樯螤畹耐瑫r(shí)，將會(huì)在區(qū)域1 控制臺(tái)提示“升起受電弓”，在區(qū)域3 變量區(qū)域 isPantograph UP 值 為 true，如圖 23 所示。TCMS 在完成處理升弓請(qǐng)求后，將回到初始狀態(tài)，繼續(xù)等待接收來自其他系統(tǒng)的請(qǐng)求指令，如圖24 所示。

圖21 TCMS 向受電弓發(fā)送PantographUP 信號(hào)

圖22 受電弓收到PantographUP 信號(hào)后躍遷為UP 狀態(tài)

圖23 受電弓升起后仿真模型發(fā)生的變化

圖24 TCMS 回到初始狀態(tài)

4 結(jié) 論

基于模型驅(qū)動(dòng)的思想，創(chuàng)建了TCMS、司控臺(tái)和高壓系統(tǒng)的架構(gòu)模型和行為模型（包括狀態(tài)模型、活動(dòng)模型、信息交互模型等），并基于這些模型，結(jié)合動(dòng)車組受電弓的控制邏輯流程，搭建了清晰的邏輯仿真模型，動(dòng)畫式地呈現(xiàn)了動(dòng)車組受電弓的控制過程。通過仿真研究，有助于早期驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性、減少系統(tǒng)中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，方便企業(yè)與客戶之間的溝通和系統(tǒng)級(jí)語言的對(duì)接。