基于MBSE的货运机车自动驾驶系统冗余方案权衡建模研究

极光下的猫

基于MBSE的货运机车自动驾驶系统冗余方案权衡建模研究

摘要：货运机车自动驾驶系统在与既有系统融合过程中，容易出现架构冗余和方案反复的问题。本文围绕基于模型的系统工程（MBSE）在货运机车自动驾驶系统设计中的应用展开分析，重点讨论以SysML建模语言为工具、以功能分解和方案评价为手段的冗余方案权衡方法。结合参考资料中HXD1C机车自动驾驶系统过分相场景的建模思路，梳理了从功能分解、方案对比到方案评价的完整流程，并分析了活动图、类图以及Simulink-CSM集成仿真机制在非参数指标与参数指标评价中的作用。在此基础上，讨论了层次分析法在最佳方案选择中的应用逻辑。分析表明，将MBSE方法引入货运机车自动驾驶系统设计，能够在设计早期开展方案权衡，有助于避免架构冗余、降低设计与开发成本，对机务专业相关岗位理解系统设计逻辑具有一定参考价值。

关键词：MBSE；货运机车自动驾驶系统；SysML；冗余方案权衡；层次分析法

引言

货运机车自动驾驶系统是机务专业近年来受到持续关注的技术方向。其核心目标是在既有车载设备和地面条件的基础上，实现列车运行过程中部分操纵与控制的自动化，从而减轻乘务人员劳动强度、提升运行一致性和安全性。然而，在实际推进过程中，自动驾驶系统并非从零开始独立建设，而是需要与既有的机车控制系统、信号系统以及相关车载设备进行融合。这种融合过程往往带来一个突出问题：不同功能模块之间可能存在职责交叉，方案设计容易出现冗余，甚至在设计早期就形成多种并行架构，导致后续开发反复调整，增加经济成本和时间成本。

传统的系统设计方法多依赖文档和人工经验进行方案论证，设计信息分散在各类文件之中，方案之间的关联关系不易直观呈现，权衡分析也往往滞后于架构确定。一旦在后期发现冗余或冲突，修改代价较大。基于模型的系统工程（Model-Based System Engineering，MBSE）强调以模型为核心载体，将需求、功能、结构和参数等信息统一表达，使设计人员在早期阶段就能够对方案进行可视化分析和比较。参考资料围绕货运机车自动驾驶系统与既有系统融合中的冗余方案权衡问题，提出了将MBSE方法与SysML建模语言相结合的分析思路，并以HXD1C机车自动驾驶系统过分相场景为对象，展示了从功能分解到方案评价的建模过程。

本文依据该参考资料，围绕MBSE在货运机车自动驾驶系统冗余方案权衡中的应用方法展开讨论，重点分析其建模流程、评价手段和方案选择逻辑，以期为铁路职培和技术学习人员理解自动驾驶系统设计方法提供参考。需要说明的是，本文不涉及具体设计参数的复现，也不对资料未给出的技术条件进行推断，相关分析以资料所呈现的方法框架为限。

正文

一、问题背景：货运机车自动驾驶系统融合中的冗余方案权衡需求

货运机车自动驾驶系统的建设，通常需要与既有系统协同工作。既有系统经过长期运用，已经形成了相对固定的功能划分和设备配置。自动驾驶系统在接入时，如果简单叠加功能，容易造成同一功能由多个模块重复承担，或者不同方案之间边界不清。这种冗余不仅增加设备和控制逻辑的复杂度，也会给后续的运用、检修和培训带来困扰。

参考资料指出，针对货运机车自动驾驶系统与既有系统融合过程中产生的冗余方案权衡问题，将MBSE运用于自动驾驶系统设计中，借助SysML建模语言创建系统模型，并与既有系统进行冗余方案权衡分析。这说明，冗余方案权衡并非单纯的技术选型问题，而是需要在系统设计层面建立统一的表达方式，使不同方案能够在同一框架下被比较和评价。

从机务专业角度看，这一问题的现实意义在于：自动驾驶系统最终要落到机车运用和操纵环节，设计阶段的架构冗余如果未被及时发现，可能在运用中表现为逻辑复杂、故障判断困难或维护成本上升。因此，在设计早期引入结构化建模和权衡分析，对于后续运用和培训都具有基础性作用。

二、MBSE与SysML在系统建模中的基本作用

MBSE的核心在于以模型替代或补充传统文档，使系统设计信息以结构化方式呈现。参考资料中采用SysML建模语言创建货运机车自动驾驶系统模型，并用于与既有系统的冗余方案权衡分析。SysML作为一种系统建模语言，能够通过多种图型表达系统的功能、结构和行为，适合在方案论证阶段使用。

在参考资料所述方法中，建模过程包括功能分解、方案对比和方案评价等环节。功能分解用于梳理系统需要实现的功能及其层次关系；方案对比用于将不同冗余方案置于同一模型中进行分析；方案评价则借助活动图和类图对非参数指标进行分析评价，同时通过Simulink-CSM集成仿真机制对参数指标进行分析评价。最终，通过层次分析法（The Analytic Hierarchy Process，AHP）选择最佳方案。

这一流程的价值在于，它将方案权衡从依赖个人经验的定性判断，转变为基于模型和评价方法的系统分析。对于铁路职培人员而言，理解这一流程有助于认识自动驾驶系统设计背后的逻辑，而不仅仅是记住最终方案。

三、基于HXD1C机车过分相场景的建模与评价思路

参考资料以HXD1C机车自动驾驶系统过分相场景为例，展示了MBSE方法在冗余方案权衡中的具体应用思路。过分相是机车运行中的一个典型场景，涉及列车在特定区段内的操纵和控制过程。自动驾驶系统在该场景中的功能实现，需要与既有系统进行协调，因此容易产生多种冗余方案。

在建模过程中，首先通过功能分解明确过分相场景下自动驾驶系统需要承担的功能，以及既有系统已经具备的功能。在此基础上，形成不同的冗余方案，并进行方案对比。方案评价阶段，非参数指标借助活动图和类图进行分析，参数指标则通过Simulink-CSM集成仿真机制进行分析。最后，利用层次分析法综合各类指标，选择最佳方案。

需要指出的是，参考资料仅展示了该场景的建模思路和方法框架，未提供具体的仿真数据、指标权重或方案细节。因此，本文不对该场景的具体技术参数进行讨论，仅分析方法层面的意义。对于机务专业读者而言，这一思路提示我们：自动驾驶系统在特定场景中的功能分配，需要经过结构化的比较和评价，而不能仅凭经验决定。

四、方法应用对避免架构冗余的作用

参考资料的结果表明，将基于模型的系统工程方法与货运机车自动驾驶系统的设计结合，可在早期进行方案权衡，能有效避免架构冗余，降低设计开发的经济和时间成本，防止低效重复性建设。这一结论强调了“早期”和“方案权衡”两个关键点。

从系统设计的一般逻辑看，早期方案权衡之所以重要，是因为此时变更成本相对较低，设计自由度较大。通过MBSE方法建立系统模型，可以使不同方案在同一框架下呈现，便于发现功能重叠、接口冲突或职责不清等问题。对于货运机车自动驾驶系统而言，与既有系统的融合涉及多个专业和多个设备，若缺乏统一的模型表达，冗余问题容易被掩盖到后期。

层次分析法在方案选择中的应用，则为多指标评价提供了一种结构化方法。参考资料中将其作为最终选择最佳方案的环节，说明在非参数指标和参数指标分析的基础上，还需要综合权衡以形成决策。这一方法本身不依赖具体数据，但需要评价者对各指标的重要性有清晰判断。

结论与建议

本文依据参考资料，分析了基于MBSE的货运机车自动驾驶系统冗余方案权衡建模方法。主要结论如下：第一，货运机车自动驾驶系统与既有系统融合过程中存在冗余方案权衡需求，MBSE方法可用于创建系统模型并支持权衡分析。第二，SysML建模语言在功能分解、方案对比和方案评价中具有载体作用，活动图和类图可用于非参数指标分析，Simulink-CSM集成仿真机制可用于参数指标分析。第三，层次分析法可用于综合选择最佳方案。第四，参考资料表明，将MBSE与货运机车自动驾驶系统设计结合，可在早期进行方案权衡，有助于避免架构冗余、降低成本、防止低效重复性建设。

结合机务专业培训和运用实际，提出以下建议：一是在相关技术培训中，可适当引入MBSE和SysML的基本概念，帮助运用和检修人员理解自动驾驶系统设计中的功能划分逻辑；二是在涉及自动驾驶系统与既有系统融合的讨论中，应关注功能职责是否清晰，避免简单叠加；三是对于资料中未展开的具体参数和方案细节，应以现行规章、设计文件和现场管理要求为准，不宜仅凭方法框架推断实际作业方案。

参考资料

基于MBSE的货运机车自动驾驶系统建模方法研究

引用依据：
《基于MBSE的货运机车自动驾驶系统建模方法研究》

资料使用说明：本文依据已抽取铁路专业原始文本整理，仅供学习参考。涉及规章、技术参数和作业要求时，请以现行有效文件为准。