基于模型的設(shè)計(jì) （MBD） 通過仿真測(cè)試執(zhí)行驗(yàn)證和確認(rèn)。盡管許多組織使用某種形式的建模，但太多的組織以不利用潛在驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)的特殊方式應(yīng)用模擬（參見圖 1）。

圖 1：整個(gè)開發(fā)階段的故障傳播成本說明了一些組織如何沒有利用仿真的驗(yàn)證優(yōu)勢(shì)。

為了最大限度地發(fā)揮 MBD 的優(yōu)勢(shì)，成功的組織實(shí)施了四種有助于完成早期驗(yàn)證的關(guān)鍵實(shí)踐：

· 在規(guī)范階段創(chuàng)建和模擬高級(jí)系統(tǒng)模型。在 MBD 中，系統(tǒng)模型用作可執(zhí)行規(guī)范。該模型的早期模擬突出了不完整和不一致的要求和規(guī)范。

· 從第一天開始就使用多域模擬進(jìn)行測(cè)試。通過開發(fā)多域模型和執(zhí)行閉環(huán)仿真，工程師可以在產(chǎn)品創(chuàng)意成型的同時(shí)開始測(cè)試。這些仿真使工程師能夠研究系統(tǒng)的所有方面，包括算法、組件、工廠模型和環(huán)境。

· 創(chuàng)建對(duì)系統(tǒng)施加壓力的虛擬測(cè)試套件。仿真使工程師能夠進(jìn)行一系列難以或不可能在嵌入式系統(tǒng)本身上執(zhí)行的測(cè)試。像所有測(cè)試一樣，這些測(cè)試應(yīng)該盡早運(yùn)行。

· 在整個(gè)開發(fā)過程中使用模型和測(cè)試套件作為參考設(shè)計(jì)。構(gòu)建良好的模型可以在整個(gè)開發(fā)過程中使用，然后再用于未來的增強(qiáng)和衍生設(shè)計(jì)。

這些實(shí)踐應(yīng)作為四個(gè)維度并行使用，以成功使用 MBD 進(jìn)行早期驗(yàn)證。

創(chuàng)建和模擬高級(jí)系統(tǒng)模型

作為可執(zhí)行規(guī)范，高級(jí)系統(tǒng)模型必須反映系統(tǒng)的抽象行為。該模型可能不包括完整的接口定義，但它必須指定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。在需求規(guī)范階段模擬系統(tǒng)行為有助于確保團(tuán)隊(duì)對(duì)系統(tǒng)需要做什么有一個(gè)完整和共享的理解。

使用 MBD，工程師首先使用子系統(tǒng)或離散狀態(tài)組裝架構(gòu)。這些子系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)力學(xué)最初應(yīng)使用最簡單的方法進(jìn)行建模。在此活動(dòng)的同時(shí)，其他工程師可以創(chuàng)建場景或形式化需求，為盡早測(cè)試動(dòng)態(tài)做準(zhǔn)備。

運(yùn)行第一次測(cè)試時(shí)，建模功能行為的工程師將更多地了解系統(tǒng)和需求的真正含義。同樣，創(chuàng)建測(cè)試場景或形式化需求的工程師將了解需求是否一致和完整。每一組應(yīng)將他們的發(fā)現(xiàn)傳達(dá)給另一組，以確保沒有誤解。

從第一天開始使用多域模擬進(jìn)行測(cè)試

系統(tǒng)行為不僅由嵌入式控制軟件定義，還由電子和機(jī)械組件定義，包括連接的傳感器和執(zhí)行器。執(zhí)行架構(gòu)的早期模擬在使用工廠或環(huán)境模型在閉環(huán)中執(zhí)行時(shí)提供了更多的洞察力。

與開環(huán)仿真或在實(shí)際工廠硬件上進(jìn)行測(cè)試相比，帶有工廠模型的閉環(huán)仿真具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是模型比金屬、電線和 C 代碼更容易更改。帶有工廠和環(huán)境模型的閉環(huán)仿真降低了多個(gè)開發(fā)階段的成本。與由鋼、電線、電路和其他硬件構(gòu)建的機(jī)械和電氣設(shè)備相比，模型更容易重新配置和復(fù)制。工程師可以在物理模型的版本之間快速切換，而不會(huì)產(chǎn)生制造成本。通過簡單地更改桿的長度或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的最大扭矩等參數(shù)，團(tuán)隊(duì)可以評(píng)估權(quán)衡并針對(duì)成本、速度、功率和其他要求優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化需要多域仿真。通過一次調(diào)整一個(gè)參數(shù)來優(yōu)化當(dāng)今復(fù)雜的系統(tǒng)是不可能的。為了以最低的材料成本提供最高的能源效率和最高的性能，工程師必須優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，而不僅僅是嵌入式軟件。

工廠模型提供了系統(tǒng)的另一個(gè)視角。對(duì)系統(tǒng)的非軟件部分進(jìn)行建?？梢宰尮こ處煆牧硪粋€(gè)角度了解系統(tǒng)行為。工程師通?？梢酝ㄟ^仿真而不是從真實(shí)系統(tǒng)中了解更多關(guān)于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的信息，因?yàn)榉抡嫣峁┝肆?、扭矩?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流和其他在實(shí)際硬件上難以或不可能測(cè)量的值的詳細(xì)信息。

創(chuàng)建工廠模型需要工程努力，但這種努力往往被高估，而工廠建模提供的價(jià)值卻被低估了。在開發(fā)工廠模型時(shí)，最佳實(shí)踐是從高級(jí)抽象開始并根據(jù)需要添加細(xì)節(jié)。選擇一個(gè)足夠詳細(xì)以產(chǎn)生所需結(jié)果的抽象級(jí)別可以節(jié)省建模工作和仿真時(shí)間（參見圖 2）。

圖 2：作為基于模型的設(shè)計(jì)一部分的早期驗(yàn)證通過建模、仿真和自動(dòng)代碼生成簡化了嵌入式控制設(shè)計(jì)。

創(chuàng)建對(duì)系統(tǒng)施加壓力的虛擬測(cè)試套件

高效的測(cè)試需要關(guān)注點(diǎn)分離。組織應(yīng)該在不同的開發(fā)階段測(cè)試軟件實(shí)施的不同方面。在測(cè)試算法之前測(cè)試通信和硬件效果會(huì)導(dǎo)致難以隔離和識(shí)別設(shè)計(jì)中的缺陷來源。

在最合適的地點(diǎn)和時(shí)間應(yīng)用測(cè)試，使團(tuán)隊(duì)能夠在每個(gè)開發(fā)階段的正確級(jí)別上評(píng)估設(shè)計(jì)。在每個(gè)階段，測(cè)試結(jié)果都應(yīng)立即反饋給開發(fā)人員，以使設(shè)計(jì)能夠持續(xù)改進(jìn)。

功能測(cè)試涉及使用多域環(huán)境模型模擬控制器模型。功能測(cè)試中使用的測(cè)試向量基于形式化要求或記錄的駕駛操作等場景。這些測(cè)試向量可以重復(fù)用于回歸測(cè)試和完整的模型覆蓋測(cè)試。

快速控制原型 （RCP） 為測(cè)試方案增加了實(shí)時(shí)驗(yàn)證和用戶體驗(yàn)。RCP 可幫助工程師快速部署算法并在車輛中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以確定功能是否正確。在目標(biāo)快速原型設(shè)計(jì)和功能快速原型設(shè)計(jì)平臺(tái)的支持下，RCP 可以成為設(shè)計(jì)理念的豐富來源，但不應(yīng)作為驗(yàn)證功能的主要方法。

穩(wěn)健性測(cè)試旨在評(píng)估系統(tǒng)在軟件參數(shù)變化、制造過程差異、機(jī)械和電氣硬件在系統(tǒng)生命周期內(nèi)退化以及類似影響的情況下的穩(wěn)健性。最佳實(shí)踐是在虛擬系統(tǒng)（包括控制器和環(huán)境）上運(yùn)行參數(shù)掃描。隨著對(duì)系統(tǒng)在邊界條件下的性能有了更透徹的了解，工程師可以選擇縮小硬件供應(yīng)商的規(guī)格范圍，或者得出結(jié)論認(rèn)為具有稍高差異的較便宜的部件可以滿足他們的設(shè)計(jì)需求。

硬件在環(huán) （HIL） 測(cè)試使工程師能夠在實(shí)驗(yàn)室而不是在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試真實(shí)的控制器或控制器網(wǎng)絡(luò)。HIL 測(cè)試可用于測(cè)試穩(wěn)健性（例如，通過插入故障）或診斷大型控制器網(wǎng)絡(luò)中的控制器間通信。它涵蓋了無法輕松建模的硬件和通信效果。

與 RCP 一樣，HIL 測(cè)試是系統(tǒng)驗(yàn)證所必需的，但不應(yīng)將其用作功能測(cè)試的主要手段。這是因?yàn)?HIL 測(cè)試是在非常低的抽象級(jí)別上進(jìn)行的——接近真實(shí)系統(tǒng)——因此結(jié)合了許多不同的影響，阻礙了有效的功能測(cè)試。

HIL 測(cè)試需要對(duì)硬件進(jìn)行投資，范圍從帶有專用數(shù)據(jù)卡的標(biāo)準(zhǔn) PC 到高端硬件機(jī)架。在這樣的系統(tǒng)上執(zhí)行的測(cè)試比在純軟件中執(zhí)行的測(cè)試更少，因?yàn)檐浖y(cè)試可以更容易地在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上復(fù)制。這是確保在 HIL 測(cè)試之前驗(yàn)證功能的另一個(gè)原因。如果工程師在 HIL 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)算法缺陷，那么上游驗(yàn)證過程可能是不夠的。

使用模型和測(cè)試套件作為參考設(shè)計(jì)

在 MBD 中，所有關(guān)鍵開發(fā)任務(wù)都在模型級(jí)別執(zhí)行。這意味著對(duì)生成的代碼所做的任何修改也必須在模型中進(jìn)行。在整個(gè)開發(fā)過程中使用模型和測(cè)試套件作為單一的事實(shí)來源，可以促進(jìn)模型和測(cè)試的清晰溝通和有效重用，不僅適用于當(dāng)前項(xiàng)目，而且適用于未來的增強(qiáng)和衍生設(shè)計(jì)。

將所有工件置于配置管理之下

軟件工程師認(rèn)識(shí)到配置管理系統(tǒng) （CMS） 中版本控制代碼的價(jià)值。MBD 中的關(guān)鍵工件——模型、測(cè)試和模擬結(jié)果——也應(yīng)該在 CMS 中維護(hù)。在 CMS 中管理工件使團(tuán)隊(duì)可以輕松地重新運(yùn)行虛擬測(cè)試并將當(dāng)前測(cè)試工具與以前的模型狀態(tài)或以前的測(cè)試向量進(jìn)行比較。

當(dāng)模型結(jié)構(gòu)是模塊化的而不是單一的時(shí)，版本控制模型效果最好。模塊化模型結(jié)構(gòu)還可以通過允許多個(gè)工程師并行處理同一系統(tǒng)的不同部分并啟用并行代碼生成來加速開發(fā)。

執(zhí)行回歸測(cè)試

軟件工程師使用夜間構(gòu)建來編譯和測(cè)試源代碼的最新版本。這種方法也應(yīng)該應(yīng)用于建模和仿真。一旦工程師定義了一個(gè)新的測(cè)試來驗(yàn)證特定的模型行為，該測(cè)試應(yīng)該集成到夜間構(gòu)建中，以確保特定行為在所有后續(xù)建模迭代中仍然有效。如果測(cè)試在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)失敗，則要么已識(shí)別出缺陷，要么功能已從根本上改變，并且測(cè)試不再適用。

盡早并經(jīng)常驗(yàn)證

本文中概述的最佳實(shí)踐使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)早期驗(yàn)證，減少在開發(fā)周期結(jié)束時(shí)花費(fèi)的時(shí)間測(cè)試和調(diào)試他們的設(shè)計(jì)。此過程的關(guān)鍵是 MBD，它可以將驗(yàn)證用作在整個(gè)開發(fā)過程中發(fā)生的并行活動(dòng)。在開發(fā)過程的每個(gè)步驟中執(zhí)行測(cè)試和驗(yàn)證意味著在引入錯(cuò)誤時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。與傳統(tǒng)流程相比，可以更快地重復(fù)、修復(fù)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

作者：Guido Sandmann，Joachim Schlosser，Brett Murphy

審核編輯：郭婷