本文是一篇系统工程论文，本论文以数字化建设发展方略为背景，以“小型电子束焊机电源系统开发”项目为依托，将MBSE设计方法与小型电子束焊机电源系统设计相结合，解决传统基于文档设计方法中出现的需求理解不充分、模型追溯性不强、系统之间信息孤立以及无法进行早期仿真验证等问题，探索MBSE设计方法在电子束焊机电源设计中应用的可行性。
1 绪论
1.1 论文研究背景与意义
随着社会的迅速发展，全球制造业正朝着智能创新和多领域融合等方向发展，数字化战略已成为全球制造企业产品创新的首选策略。我国迫切需要提高技术创新能力和产品质量水平，以实现从工业大国向工业强国的转变[1-3]。电子束焊技术作为高精度的先进焊接技术，已广泛地应用在航空、航天、核工业等尖端行业中，电子束焊机的研制对于我国焊接行业至关重要[4]。电源作为电子束焊机的重要组成部分，其品质直接决定焊接的质量，随着焊接要求的不断提高，电子束焊机的复杂度也在不断增加，因此对其所配载的电源系统的要求在变得越来越高，这使得相应的开发设计变得更为复杂困难，各个相关的研发领域投入占比也在不断大。
电子束焊机电源系统涉及多个技术领域，包括电力电子技术、自动控制技术、软件编程技术以及电子元器件制造技术等，这些技术领域的交叉应用使得电子束焊机电源系统的设计与开发变得复杂和具有挑战性[5]。同时，小型电子束焊机电源对于体积和重量也提出了新的要求，需要在保证电源性能和可靠性的前提下尽可能地减小体积和重量，以便更好地适应各种使用场景和应用需求。因此，在电子束焊机电源系统的设计与开发过程中，需要综合考虑多个技术领域的要求和限制，如何采用合理的设计方法和技术手段，来满足系统的各项性能指标，是小型电子束焊机电源在设计阶段首要考虑的问题。
电子束焊机电源作为一个复杂的综合电子系统，元器件多，内部交联复杂，可靠性要求高，开发周期短等，需要采用新的设计方法和开发流程来解决传统开发模式所面临的问题和矛盾。传统的开发过程采用基于文档的模式各阶段的信息多以文本形式记录和传递，开发流程如图1.1所示，在此流程中，信息不能重复使用，协同开发困难。
1.2 电子束焊机概述
电子束焊机工作原理是通过灯丝电流加热电子枪的阴极，产生游离的电子，这些电子在高压电场的加速下，形成高能量密度的电子束[7]。电子束以接近光速的速度轰击焊件表面，动能迅速转化为热能，将焊件金属加热并熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便形成了焊缝。与普通焊接方法相比，电子束焊接的能量密度极高，能够熔化任何难熔的金属和合金。由于焊接发生在真空环境中，电子束焊接不需要填充材料，焊缝质量高，表面光洁，没有氧化缺陷。结构原理如图1.3所示。
真空电子束焊机的主要结构如下：
(1)电子枪：电子枪是电子束焊机的核心部件，根据能量级别可分为二级电子枪和三级电子枪，三级电子枪主要由阴极、阳极和栅极组成，二级电子枪没有栅极。阴极负责产生电子，阳极则加速电子，聚焦控制电子束流的密度，以便在焊接过程中实现高精度的焊接效果。在二级电子枪中，电子束流的大小通过控制阴极灯丝的电流来实现。
(2)真空焊接室：该室主要由真空室主体、电子束发射器、加热器、温度控制器、气体控制系统等组成。该空间提供适当的环境和设备来放置焊件和焊接夹具，并保证焊接过程中的环境符合要求。为了满足各种需求，真空焊接室必须经过严格的设计和构建，以满足焊接过程中的各种要求。
(3)电源系统：电源系统是电子束焊机的重要组成部分，本文电源系统主要由高压电源、灯丝电源和聚焦电源组成[8]。高压电源是电子束焊机电源系统的核心组件，用于提供高电压以加速电子束。阴极电源用于向电子枪中的阴极供电，从而产生电子束。聚焦电源用于控制电子束的聚焦程度。
2 MBSE概述与电源整体方案分析
2.1 MBSE理论概述
2.1.1 MBSE建模方法
标准化建模语言是实现MBSE的关键因素。目前，在系统工程领域常用的建模语言包括UML和SysML。相较而言，UML适用于软件工程领域建模，但并不能很好地支持层次化建模。SysML是一种专为系统工程领域设计的图形化语言，被广泛认可为系统工程界的标准建模语言[26-28]。
Arcadia是由法国Thales公司开发的一种体系结构分析设计方法，最初用于其机载系统，并在其后的Capella建模工具中得到了更好的应用。自2011年以来，Arcadia已在Thales公司领导的各个工程领域中得到了实践和反馈，这些领域包括航空电子系统、铁路系统、军事防御系统、卫星系统和通信系统等[29]。
本文使用Arcadia建模方法对小型电子束焊机电源进行功能建模。Arcadia是一种工程方法，用于定义和验证复杂系统的体系结构设计，支持系统工程定义阶段的协同工作，满足各方需求[30]。使用Arcadia可以进行迭代设计，逐步将体系结构与需求高度一致。该方法基于多个原则，包括共享模型、准确描述需求和产品、为工程领域定制架构、验证规则等。Arcadia允许在不同级别的协作工程中进行精确建模、推导、验证和集成，通过在四个不同层次上创建相关模型，将工程项目分解为不同的视角[31-33]。
Arcadia建模方法基于多个关键原则，例如采用共享模型方法、识别可靠信息来源、准确描述需求和产品、为特定工程领域定制和评估潜在架构[34]。它还涉及早期建立预期架构的验证规则以确保其正确性，并能够在不同级别的协作工程中进行精确建模、推导、验证和与其他模型的集成。图2.1说明了Arcadia建模方法如何通过在四个不同层次上创建相关模型来将完整的工程项目分解为不同的视角。
2.2 电源整体方案分析
2.2.1 需求分析方法
结合电子束焊机原理、采购合同和国标等文件，将需求分析分为4层，分别是L1层客户需求、L2层产品需求、L3层系统需求、L4层部件需求。以上4层需求分析每层都要通过需求捕获、需求分析、需求确认、需求分配、需求验证五个步骤完成[47]。其中，需求捕获是根据个人访谈、小组头脑风暴等方式对相关方期望与需要做一同意的、正确的记录；需求确认是检查、修订每个需求捕获阶段得到的同意的、一致的需求陈述，并与其他相关的信息一起，用清晰、一致的方式，记录需求元素并建立到高层需求的追溯；需求确认是确认需求捕获和需求分析阶段得到的需求是正确、一致的；需求分配是基于一组已确认的需求，评估可行性研究，以生成替代的物理架构。对于每个替代方案，将需求分配给架构的不同部分，最后，对架构的每个条目进行全面表征。需求验证是对已分配的需求进行验证，以得到内容完整无误的需求。
根据上述需求分许方法，形成如图2.3所示的需求分析图，通过客户合同以及相关标准文件，得到L1层客户需求，然后对杂糅的L1层客户需求进行转换和分解，得到L2层电源产品需求，在此需求建模层级将L2层需求进行分析，划分为功能、性能、安全、结构等不同类型的功能，以功能需求为导向，指导建立电源功能架构模型，将性能、安全、结构等功能继续转换至下一层需求L3层子系统需求以及子部件需求，通过电源性能仿真验证电源架构的合理性和正确性。需求管理工具采用Capella内嵌的需求管理方案，通过集成“需求(Requirement)”的概念，以增加需求和设计元素之间的可追溯性。
3 小型电子束焊机电源问题域分析 .......................... 18
3.1 电源系统需求 .............................. 18
3.1.1 L1 层客户需求 .......................... 18
3.1.2 L2 层产品需求 ................................ 19
4 小型电子束焊机电源系统解决方案域分析 ..................... 30
4.1 逻辑架构分析 .............................. 30
4.2 L3 层子系统需求分析 ...................... 33
5 小型电子束焊机电源系统建模与仿真 ...................... 44
5.1 基于 Capella 的模型验证 .................................. 44
5.1.1 基于功能链状图的逻辑验证 ...................... 44
5.1.2 基于模式和状态图的动态验证 ........................ 45
5 小型电子束焊机电源系统建模与仿真
5.1 基于Capella的模型验证
5.1.1 基于功能链状图的逻辑验证
“功能数据流(Functional Data Flow)”表示在Arcadia每个层级所有功能之间的依赖关系[54]，而功能链表示在此全局数据流中的一组路径，在给定情景下，可以描述系统的预期行为，因此可以用来的验证和确认模型的功能逻辑的正确性。根据第四章建立的物理架构层功能数据流图，建立物理架构层的功能链状图，如图5.1所示。
在功能链状图中，通过选择功能和功能交互，创建一条功能链，用正方形表示新模型元素，名称可自行设置，如图5.1中，共创建了6条功能链，分别为“高压主电路”、“高压控制”、“灯丝主电路”、“灯丝控制”、“聚焦主电路”以及“聚焦控制”。在功能链状图中，源功能和目标功能都用相同颜色的方框包围，在中间功能的输入和输出端口添加箭头，表示此功能链的路径方向。以“高压控制”路径为例，详细介绍功能链的实施路径，其源功能分为“输入高压参数”和“采集高压电压”两个功能，其目标功能为“降压斩波”和“逆变”，如图5.1所示，为紫色方框包围，然后在中间功能，一端从“接收高压参数输入”、“接收电源输入”到“比较输入参数和采集信号”三个中间功能的输
