4. 需求图实战
在SysML中，需求图（Requirement Diagram）是唯一以“需求”本身作为核心模型元素的图型。它不描述系统如何工作，而是回答三个问题：客户到底要什么、系统必须达到什么指标、哪些法规和标准不可违反。对于工业装备这类高约束、高安全要求的系统，需求图的价值尤为突出——它把散落在合同、技术协议、行业标准中的文字条款，转化为可追溯、可验证、可管理的模型元素。
一、需求图的三类核心元素
SysML需求图的基本元素包括：需求（Requirement）、需求关系（Requirement Relationship）和外部引用。需求本身由id和text两个属性定义，id是唯一标识，text是需求正文。工业装备项目中，需求通常分为三个层次：
- 客户需求：来自用户或采购方，描述使用场景、功能期望和交付条件，例如“设备应能在-20℃至50℃环境下连续运行”。
- 性能指标：将客户需求量化，形成可测量的技术参数，例如“定位精度≤0.05mm”“循环节拍≤12s/件”。
- 法规约束：来自国家标准、行业规范或安全指令，例如GB 5226.1机械电气安全、ISO 13849功能安全、CE认证相关指令。
三类需求在模型中并非孤立存在，而是通过派生（derive）、满足（satisfy）、验证（verify）、细化（refine）和追溯（trace）五种关系连接。其中，派生关系用于从客户需求推导性能指标，满足关系用于将需求分配给具体的设计元素，验证关系用于关联测试用例，追溯关系用于建立跨层级或跨文档的关联。
二、从客户需求到性能指标的派生过程
需求图实战的第一步，是把客户语言翻译成工程语言。以某数控加工单元为例，客户在技术协议中提出：“设备应适应车间环境，保证加工精度，减少停机时间。”这句话包含三个模糊期望，需要逐条拆解。
“适应车间环境”可派生为REQ-P01：防护等级不低于IP54，电气柜内温度控制在5℃~40℃，防腐涂层满足C3中等腐蚀环境。这里的关键是把定性描述转化为可测量的边界条件。IP54对应防尘和防溅水，C3对应ISO 12944腐蚀等级，温度范围则来自车间夏季实测最高温和设备发热量估算。
“保证加工精度”可派生为REQ-P02：X/Y/Z轴定位精度≤0.05mm，重复定位精度≤0.02mm，主轴径向跳动≤0.01mm。这些指标不是随意设定的，而是根据客户工件公差反推：若工件关键尺寸公差为±0.1mm，按1/3~1/5原则分配，设备精度应控制在0.02~0.033mm以内，再考虑刀具磨损和热变形余量，最终取0.05mm作为定位精度上限。
“减少停机时间”可派生为REQ-P03：平均无故障时间MTBF≥2000h，平均修复时间MTTR≤2h，并支持远程诊断。MTBF的估算可参考同类设备历史数据，例如某型号加工中心过去12个月累计运行24000h，发生8次非计划停机，则MTBF≈3000h，据此设定2000h为最低门槛是合理的。
三、法规约束的建模方式
工业装备的法规约束通常不直接“满足”于某个零件，而是作为约束需求贯穿整个系统。在SysML中，建议将法规条款单独建包，通过«trace»关系关联到具体设计元素或验证用例。例如：
- GB 5226.1-2018 机械电气安全：要求急停回路采用冗余设计，安全继电器达到PLd等级。该需求追溯到电气原理图中的急停回路和PLC安全程序。
- ISO 13849-1 功能安全：要求安全相关控制系统的性能等级。该需求追溯到安全PLC的选型和安全回路架构。
- CE认证：涉及EMC指令和机械指令，追溯到EMC滤波器和防护罩联锁开关。
法规约束的验证方式通常是审查+测试：审查安全回路图纸和元器件认证证书，测试急停响应时间和安全门联锁功能。在需求图中，这些验证用例通过«verify»关系与法规需求连接，形成完整的合规证据链。
四、建立需求追溯矩阵
需求追溯矩阵（Requirements Traceability Matrix, RTM）是需求图实战的核心交付物。它用表格形式记录每条需求的来源、派生关系、满足元素、验证方法和当前状态。以下是一个可直接使用的RTM示例：
| 需求ID | 需求描述 | 来源 | 派生自 | 满足元素 | 验证方法 | 状态 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| REQ-C01 | 环境适应性-20℃~50℃ | 客户技术协议 | — | — | — | 已确认 |
| REQ-P01 | 防护等级IP54，C3防腐 | 派生 | REQ-C01 | 密封机柜与温控模块 | TC-01高低温循环 | 已分配 |
| REQ-P02 | 定位精度≤0.05mm | 派生 | REQ-C02 | 直线导轨与伺服驱动 | TC-02激光干涉仪 | 已分配 |
| REQ-P03 | MTBF≥2000h，节拍≤12s | 派生 | REQ-C03 | PLC与远程诊断单元 | TC-03连续运行72h | 已分配 |
| REQ-R01 | 急停回路PLd等级 | GB 5226.1 | — | 安全继电器与急停回路 | 审查+响应时间测试 | 待验证 |
| REQ-R02 | EMC辐射限值 | CE EMC指令 | — | EMC滤波器与屏蔽线缆 | 第三方EMC测试 | 待验证 |
填写RTM时需要注意几个实操要点。第一，每条需求必须有唯一ID，建议采用“REQ-类型-序号”格式，如REQ-C01表示客户需求，REQ-P01表示性能需求，REQ-R01表示法规需求。第二，派生关系要形成链，客户需求不直接对应设计元素，而是通过性能指标中转，这样当客户需求变更时，可以快速定位受影响的设计和测试。第三，验证方法要具体到可执行，写“测试”不如写“激光干涉仪按ISO 230-2标准测量”，写“审查”不如写“核对安全继电器认证证书和回路图”。
五、常见问题与判断依据
需求图实战中容易出现的错误有三类。第一类是需求粒度不当：把“设备应可靠”这种无法验证的表述直接放入模型，导致后续无法分配和验证。判断依据是：每条需求是否能用“是/否”或具体数值判定通过。第二类是派生关系缺失：性能指标没有标注来源，当客户提出变更时无法评估影响范围。第三类是法规约束遗漏：只关注客户明示需求，忽略了目标市场的强制性标准。判断方法是：对照产品认证清单，逐项检查是否已建模。
需求追溯矩阵的完成标准是：每条客户需求至少派生出一条性能指标，每条性能指标至少满足于一个设计元素，每条法规需求至少关联一个验证用例，且所有验证用例都有明确的执行状态。当矩阵中不存在“孤立需求”和“无需求覆盖的设计元素”时，需求模型即可进入评审阶段。