汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體解決方案 - 全文

　　摘要

　　本文介紹了一種使用標(biāo)準(zhǔn)化的、分等級的功能作為一個(gè)單一的層級來描述電氣、電子和軟件內(nèi)容的車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。然后在一個(gè)合成過程中生成特定域的執(zhí)行層級，并使用適當(dāng)指標(biāo)進(jìn)行評估。重點(diǎn)是快速的迭代優(yōu)化和對跨域架構(gòu)的評估和驗(yàn)證。

　　基于功能的系統(tǒng)工程

　　用功能性方法來介紹和開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)通常是基于如EAST-ADL或SysML等UML （統(tǒng)一建模語言）衍生的特定域的語言。同時(shí)， 用各種形式和抽象層級（例如功能、活動、序列和/或狀態(tài)圖）來介紹將要被開發(fā)的系統(tǒng)的技術(shù)內(nèi)容（組件），然后為了執(zhí)行進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠成洹?/p>

　　SysML圖類型（分類法）， 來自維基百科。

　　使用這種方法需要做大量的工作，不太適用于架構(gòu)評估，更適用于詳細(xì)的歸檔。事實(shí)上，為了能夠?qū)φw系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行有意義的技術(shù)和財(cái)務(wù)評估， 必須非常詳細(xì)地明確每個(gè)單個(gè)層級直到到達(dá)足夠程度的細(xì)節(jié)。在隨后的映射中，工作量會按細(xì)節(jié)程度的平方數(shù)增加：例如，在單個(gè)層級中的工件數(shù)量。

　　如果計(jì)算相應(yīng)的指標(biāo)不夠敏捷，就無法及時(shí)地對功能分配的變化進(jìn)行評價(jià)，也就無法為每個(gè)單個(gè)的將要被評價(jià)的選擇提供真正有意義的結(jié)果，例如一個(gè)具體控制單元的軟件組件。

　　總體而言，這極大地影響了架構(gòu)的研究。在某些情況下提供必要的數(shù)據(jù)和計(jì)算想要的指標(biāo)所需要的時(shí)間可能比整個(gè)項(xiàng)目原計(jì)劃的時(shí)間還要多！

　　功能模型

　　本文介紹的另一種方法使用了在一個(gè)單一層級上結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)化的、分等級的功能模型來描述系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)內(nèi)容。在本文中，標(biāo)準(zhǔn)化的功能模型指可從它們最終作為硬件、驅(qū)動器和軟件組件執(zhí)行中分離出來的單個(gè)功能。不再在多個(gè)（在某些情況下是多余的）層級上分發(fā)模型，取而代之的是單個(gè)的特定域的描述可以與一個(gè)單個(gè)的功能抽象結(jié)合，從而消除了冗長的映射過程。通過可以被標(biāo)準(zhǔn)化（變成軟件、電氣或總線信號）的信號實(shí)現(xiàn)單個(gè)功能間的通信。所有的工件都可以與一組來自詳細(xì)的選項(xiàng)/變型模型的規(guī)則有關(guān)。硬件、軟件和電子&網(wǎng)絡(luò)通信的組件模型可以因此而集成在一起，并且使用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）來同時(shí)檢查和驗(yàn)證他們的語義依賴關(guān)系。

　　通過這種方式可以早在功能抽象層級捕獲下游執(zhí)行域（硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)和電氣）的技術(shù)、變型推動的內(nèi)容，并在所有變型中驗(yàn)證該內(nèi)容。

　　特定域流程和上游功能架構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　功能設(shè)計(jì)。

　　為了說明這種方法，圖3展示了許多功能塊。軟件功能（SW）、驅(qū)動器組件（D），傳感器（S）和執(zhí)行器 （A）在一個(gè)單個(gè)的抽象層級被描述和顯示。功能間的信號根據(jù)它們需要執(zhí)行的顏色顯示：紅色（SW）、綠色（PCB上的電子信號）、橙色（線束上的電子信號）和藍(lán)色（網(wǎng)絡(luò)上的信號）。

　　標(biāo)出各種功能、選項(xiàng)分配和外部功能塊或信號參考的功能圖。

　　在圖4中，單個(gè)類型的分配與下游平臺的執(zhí)行要求一致。如果一個(gè)功能是屬于軟件類的，這意味著該功能在平臺上在下游分配中被視為SW組件：它應(yīng)被分配到控制單元，而不是一個(gè)單純的電氣組件。注意，一些功能和信息是可選的，與選項(xiàng)/變型模型呼應(yīng)。

　　關(guān)于不同軟件類功能的圖。

　　功能可以按等級組織，功能信號既可以參考它們的原始功能（如果從外部功能設(shè)計(jì)開始），也可以通過一個(gè)信號庫進(jìn)行跨平臺和項(xiàng)目使用。

　　邏輯平臺

　　如果功能設(shè)計(jì)被如上所述所捕捉，那么就可以自動創(chuàng)建下游執(zhí)行（硬件和軟件、串行總線系統(tǒng)和電氣分布），并且總是會尊重選項(xiàng)/變型的關(guān)系。

　　要做到這一點(diǎn)，首先定義一個(gè)邏輯平臺。這可以由一個(gè)3D模型以物理拓?fù)涞男问降玫?，但是也可以從一個(gè)抽象的邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟_始。通過向一個(gè)選項(xiàng)/變型模型分配單個(gè)功能組件，邏輯平臺可以包括（以汽車工程為例）一輛單個(gè)的車、一系列的車或一個(gè)汽車平臺所有可能存在的衍生物，包括軟件、電氣系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和硬件的變化形式。同樣的原則也適用于卡車、越野車車輛、飛機(jī)和復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，如工業(yè)打印機(jī)和醫(yī)療設(shè)備。甚至，一個(gè)像防空系統(tǒng)這類經(jīng)過擴(kuò)展的系統(tǒng)也可以用這種方式建模。

　　擁有標(biāo)準(zhǔn)化功能容器（資源）和連接通路（載體）的平臺架構(gòu)。

　　平臺的單個(gè)節(jié)點(diǎn)作為資源被標(biāo)準(zhǔn)化：電子控制單元（ECU）或線路可更換單元（LRU）、電氣總成、電力或接地導(dǎo)體。它們可以通過電氣或總線系統(tǒng)（CAN、LIN、Flexray、Ethernet（以太網(wǎng)）、ARINC 429等），或通過光學(xué)或電波連接耦合。這些通信通路被稱為載體

　　合成

　　功能隨后被分配到邏輯平臺中。這可以手動或利用規(guī)則自動完成。執(zhí)行的過程中將按功能的類型詢問功能。例如，從SW類型中創(chuàng)建一個(gè)軟件組件，然后被分配到控制單元。功能之間傳遞的信號將在邏輯平臺上分為軟件、電氣或網(wǎng)絡(luò)信號向載體分配。

　　分配功能的規(guī)則。

　　分配功能和信號的規(guī)則。

　　由此產(chǎn)生的合成是集成地執(zhí)行功能描述的四類域（硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)通信和電氣）。利用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、任何必要警告或生成的錯誤消息來實(shí)時(shí)分析語義的一致性。

　　指標(biāo)

　　技術(shù)評估指標(biāo)早在合成過程中就可以計(jì)算?？梢酝ㄟ^設(shè)定讓這些指標(biāo)顯示各種信息。例如，對于多路傳輸網(wǎng)絡(luò)而言有意義的指標(biāo)包括負(fù)荷、容錯和開銷。電氣域的指標(biāo)包括電線、焊接點(diǎn)和連接器數(shù)量、電線長度、線束直徑?？刂茊卧闹笜?biāo)包括設(shè)備重量、CPU負(fù)荷、RAM、ROM、FLASH/EEPROM的要求、印刷電路板（PCB）面積和單位體積功率，和熱耗散。按與功能、資源和載體有關(guān)的參數(shù)計(jì)算指標(biāo)：往往可以從先前的執(zhí)行中詳細(xì)了解這些參數(shù)。

　　如果一個(gè)值大于一個(gè)特定的水平，例如，如果預(yù)測內(nèi)存的要求超出微處理器提出的預(yù)算，這一情況將通過設(shè)計(jì)規(guī)則檢查發(fā)送警報(bào)或直接發(fā)布到平臺架構(gòu)師的圖形顯示器上。這幫助工程師保證設(shè)計(jì)的可行性。

　　而且可以計(jì)算的不僅僅是技術(shù)指標(biāo)。通過擴(kuò)展計(jì)算，還可以計(jì)算成本、重量、富余、可靠性或再利用等這類項(xiàng)目目標(biāo)。

　　指標(biāo)樣例：目標(biāo)數(shù)量、CPU利用率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和任務(wù)調(diào)度。 評價(jià)和優(yōu)化

　　因?yàn)槭褂眠@些指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)是實(shí)時(shí)完成的，即當(dāng)做出設(shè)計(jì)決定或改變時(shí)，這一過程與評估替代執(zhí)行（架構(gòu)）或者實(shí)際修改功能內(nèi)容非常匹配。指標(biāo)立即反映出這些變化，并且隨后可以進(jìn)行替代策略的研究。

　　按對象計(jì)數(shù)、技術(shù)評估、CPU和網(wǎng)絡(luò)流量測量值比較不同的擴(kuò)展和優(yōu)化階段。

　　因此可以迭代和交互地解決優(yōu)化功能分區(qū)、電氣優(yōu)化、成本和運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化問題。

　　經(jīng)過最后的評價(jià)，邏輯平臺合成的結(jié)果以每個(gè)特定域的形式（如ARXML、FIBEX或 KBL）被輸送到下游詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程中。架構(gòu)研究階段的結(jié)果可以被重新用作未來平臺的執(zhí)行建議。在一個(gè)集成設(shè)計(jì)環(huán)境中，數(shù)據(jù)當(dāng)然可以直接被傳遞給相應(yīng)的應(yīng)用程序。

　　總結(jié)

　　本文介紹的方法在一個(gè)單一層級上使用了功能抽象來整合不同的電子/電氣域。這反過來允許對執(zhí)行其它方案進(jìn)行快速評估，同時(shí)為詳細(xì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

　　因?yàn)閷夹g(shù)工作和知識的要求較高，現(xiàn)有基于UML或類似SysML元模型的方法對于這樣的架構(gòu)評估與驗(yàn)證不太適用。相關(guān)的復(fù)雜性導(dǎo)致在可用的時(shí)間內(nèi)幾乎沒有可能提供綜合評價(jià)所需的充分或必要的細(xì)節(jié)。

　　符合本文描述的原則的商業(yè)軟件可在Mentor Automotive Capital?產(chǎn)品套件中找到。

　　功能架構(gòu)設(shè)計(jì)和評估，及下游設(shè)計(jì)流的后續(xù)執(zhí)行方案。

　　相比之下，所描述的方法使用了一個(gè)功能抽象，其中執(zhí)行相關(guān)的數(shù)據(jù)和工件整合入了標(biāo)準(zhǔn)化的功能模型中，而不是將它們分布到不同的（多數(shù)情況下是多余的）級層上。

　　早在自動向邏輯平臺分配時(shí)，該模型可以被反復(fù)地驗(yàn)證執(zhí)行可行性和得到相應(yīng)的技術(shù)和商業(yè)指標(biāo)的維護(hù)。架構(gòu)過程的結(jié)果也是對軟件、網(wǎng)絡(luò)、電氣系統(tǒng)和硬件的下游開發(fā)過程的執(zhí)行建議。