2020年10月10日 | MBSE 如何实现先进的 E/E 架构设计

今天，汽车技术的自动化程度和连接能力正日渐增强，这样的发展趋势向汽车、航空航天和重型非公路应用行业的原始设备制造商 (OEM) 提出了一个共同挑战： OEM 希望能够借助于先进技术改进乘用车、飞机以及农用设备和其他重型设备的安全性、生产力和功能；但随之而来的，就是需要面对越来越复杂的电气、电子和机电系统。

持续的行业打磨与累积为我们带来了一些数据层面的观察：2020 年，普通车辆的软件代码行数 (SLOC) 已经达到 1.5 亿行，网络信号数达到 20,000 个甚至是以上。除了更复杂的车辆外，OEM 还必须管理所有软件、网络和电气元器件以及其他车辆系统和零部件的生命周期，在这种情况下，OEM 需要协调开发周期来支持主导项目的启动，同时还要兼顾其他项目的需求。

在管理软件和元器件的生产生命周期时，OEM 要首先确保这些元器件在每种车型的生产和服务中都得以适当使用，并根据不同车辆的规格对其进行配置，这一过程往往会涉及不同部门多个团队的合作问题，要管理这种复杂性并保障整个开发过程的可追溯性，对于及时、有效地向市场推出先进、互联且自动化的车辆来说至关重要。

基于模型的系统工程流程中的 E/E 架构设计

传统策略过于依赖人工操作，工程领域又被划分为多个孤岛，这就要求未来的策略必须依靠自动化，通过强大的数据完整性和集成的解决方案支持协作。基于模型的系统工程 (MBSE) 提供了先进的集成工程软件解决方案组合，能够为日益复杂的 E/E 架构开发提供所需的关键能力。

强大的数据模型对实现 MBSE 流程来说极其关键，在这一流程中，数据从定义到制造再到服务的过程中会保持连续性。这种连续性使电气分配系统 (EDS)、网络和软件开发各个阶段的工作数据为能够为下一步的流程服务（图 2）。这样贯穿开发流程的数字主线提高了工程师管理和变更的能力。由于每个领域都在同一数字主线中运作，工程师们可以在进行设计变更之前先充分了解其可能产生的全部影响，变更一旦通过验证，就能在相关的领域和设计中迅速执行。

此外，数据的连续性还提供了从功能模型到车辆软件、网络和 EDS 中的功能实现及文档的可追溯性。这种可追溯性确保了工程师快速识别车辆架构中任何一个元器件的功能来源，或者反向找到与特定 ECU、网络信号或与功能实现有关的管脚。

MBSE 使工程师能够利用现有的功能模型和各种环境下的工程数据来创建车辆架构和更详细的系统设计。通过在上游流程数据的基础上不断构建，MBSE 可以确保可追溯性并简化变更管理和实现。然而，合并模型、创建架构和维护可追溯性所涉及的许多流程仍然要依靠手动完成。现代 E/E 系统工程解决方案能够通过手动任务的自动化来改善这些流程，同时可以提供统一的数据库，确保整个 E/E 架构和系统设计中的数据连续性。

为 E/E 架构设计增强 MBSE

将功能模型整合到单一的车辆平台目前需要投入大量时间和精力。功能模型存在于各种不同的系统工程工具中，每种模型都有自己的车辆功能抽象方法。要在传统的系统工程工具中完善一种功能模型，并尽量将其呈现在车辆平台中，就需要投入大量的人力。定义车辆平台的模型通常有数百个或数千个，将这一工作量百倍或千倍地增加，任务的繁重可想而知。

如今，E/E 系统工程解决方案可以将大部分工作自动化。先进 E/E 系统工程软件可以导入功能设计抽象，而无需在系统工程环境中添加所需的领域详细信息。这使工程师可以在平台级别使用软件、硬件、网络和 EDS 的领域详细信息来完善这一抽象。之后，软件将使用基于规则的综合并采用后续领域工程流程中所需的粒度在车辆平台中部署功能。

这些专业 E/E 工程解决方案还拥有逻辑和物理 KPI 的内置指标，包括成本、带宽利用率等。这些指标有助于早期优化，而且与基于规则的综合相结合，能够推动 E/E 架构的快速迭代。之后，设计规则检查可以识别物理设计抽象中的违规或问题，诸如超额带宽或 ECU 利用率等。

以原先使用 Excel 构建的软件组件功能设计为例。E/E 工程解决方案可以导入这一设计以及车辆所需的数百个或数千个其他设计，并部署创建车辆平台所需的功能。功能部署后，内置指标可以显示架构中每个 ECU 使用了多少 RAM，使工程师能够分析各种配置。此外，工程师可以快速查看当前的功能分配将在架构的每个 ECU 中创建多少 CPU 负载，从而在必要时调整分配。调整之后，工程师可以综合更新后的架构，并通过这一方式继续完善。

先进的 E/E 工程解决方案在此基础上更进一步。与 Teamcenter 和 Polarion 等产品和应用程序生命周期管理解决方案 (PLM/ALM) 集成，让数字主线能够一直回溯到产品配置、需求和约束（图 3）。这种全面的可追溯性确保工程师能够了解架构中的每个组件或功能及其实现方式，也能追溯到它们存在的缘由。因此，车辆 OEM 可以自动生成详细且准确的合规性文档，而无需寻找信息。

此外，使用嵌入式软件开发解决方案可以使软件工程师直接与架构设计进行协作和同步，从而在系统定义的环境中开发嵌入式软件应用程序需求。工程师可以根据这些需求协调软件模型和控制算法，并在实现代码之前验证功能。之后，软件工程师可以利用自动化和基于契约的软件设计将高层架构完善为软件组件，或者导入现有代码，在新的车辆平台中复用。与此同时，ALM 框架跟踪软件开发、提供可追溯性、协调验证和确认，以及跟踪应用程序的配置和交付。

MBSE 支持未来的 E/E 架构

由于需要额外的电子硬件、软件应用程序、网络和其他架构组件来支持更多高级功能，这些技术的集成也导致了车辆架构规模和复杂性的迅速增加。这些现代 E/E 架构的复杂性使许多制造商很难利用现有传统的劳动密集型程序进行设计和验证。此外，通过每种车辆抽象来保持车辆需求、功能和实现的可追溯性更是难上加难。

为了应对汽车、航空航天和商用车辆未来日益增加的复杂性，OEM 必须改进现有的架构设计流程，以充分利用 MBSE 和数字主线的能力。当前的 E/E 系统工程解决方案通过提供强大的数据连续性和先进的自动化功能来实现 MBSE。借助于这些解决方案，工程师可以使用现有的功能模型来生成车辆架构和更详细的系统设计，并在上游流程数据的基础上不断构建，确保从功能到实现以及实际元器件或系统的可追溯性。这些解决方案还同时提供了架构和系统设计的闭环验证和优化，以提高车辆在架构层级的性能。

随着车辆自动化程度越来越高，MBSE 流程与先进 E/E 工程工具所提供的可追溯性就会变得越来越重要，作为证明车辆平台合规性和安全性的重要手段，两者的结合将助力 OEM 获得更加优越的制造能力。