汽車(chē)系統設計的整體解決方案
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基于功能的系統工程
用功能性方法來(lái)介紹和開(kāi)發(fā)系統架構通常是基于如EAST-ADL或SysML等UML （統一建模語(yǔ)言）衍生的特定域的語(yǔ)言。同時(shí), 用各種形式和抽象層級(例如功能、活動(dòng)、序列和/或狀態(tài)圖)來(lái)介紹將要被開(kāi)發(fā)的系統的技術(shù)內容(組件)，然后為了執行進(jìn)行適當的映射。
圖1:SysML圖類(lèi)型(分類(lèi)法), 來(lái)自維基百科。
使用這種方法需要做大量的工作，不太適用于架構評估，更適用于詳細的歸檔。事實(shí)上，為了能夠對整體系統架構進(jìn)行有意義的技術(shù)和財務(wù)評估, 必須非常詳細地明確每個(gè)單個(gè)層級直到到達足夠程度的細節。在隨后的映射中,工作量會(huì )按細節程度的平方數增加：例如,在單個(gè)層級中的工件數量。
如果計算相應的指標不夠敏捷，就無(wú)法及時(shí)地對功能分配的變化進(jìn)行評價(jià)，也就無(wú)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的研究。在某些情況下提供必要的數據和計算想要的指標所需要的時(shí)間可能比整個(gè)項目原計劃的時(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)單一層級上結合了標準化的、分等級的功能模型來(lái)描述系統架構的技術(shù)內容。在本文中，標準化的功能模型指可從它們最終作為硬件、驅動(dòng)器和軟件組件執行中分離出來(lái)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)的功能抽象結合，從而消除了冗長(cháng)的映射過(guò)程。通過(guò)可以被標準化（變成軟件、電氣或總線(xiàn)信號）的信號實(shí)現單個(gè)功能間的通信。所有的工件都可以與一組來(lái)自詳細的選項/變型模型的規則有關(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，并且使用設計規則檢查（DRC）來(lái)同時(shí)檢查和驗證他們的語(yǔ)義依賴(lài)關(guān)系。
通過(guò)這種方式可以早在功能抽象層級捕獲下游執行域(硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò )和電氣)的技術(shù)、變型推動(dòng)的內容，并在所有變型中驗證該內容。
圖2：特定域流程和上游功能架構設計。
圖3：功能設計。
為了說(shuō)明這種方法，圖3展示了許多功能塊。軟件功能(SW)、驅動(dòng)器組件(D)，傳感器(S)和執行器 (A)在一個(gè)單個(gè)的抽象層級被描述和顯示。功能間的信號根據它們需要執行的顏色顯示：紅色(SW)、綠色(PCB上的電子信號)、橙色（線(xiàn)束上的電子信號）和藍色(網(wǎng)絡(luò )上的信號)。
圖4：標出各種功能、選項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(lèi)型的分配與下游平臺的執行要求一致。如果一個(gè)功能是屬于軟件類(lèi)的，這意味著(zhù)該功能在平臺上在下游分配中被視為SW組件：它應被分配到控制單元，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/變型模型呼應。
圖5：關(guān)于不同軟件類(lèi)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(如果從外部功能設計開(kāi)始)，也可以通過(guò)一個(gè)信號庫進(jìn)行跨平臺和項目使用。
邏輯平臺
如果功能設計被如上所述所捕捉，那么就可以自動(dòng)創(chuàng )建下游執行(硬件和軟件、串行總線(xiàn)系統和電氣分布)，并且總是會(huì )尊重選項/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模型以物理拓撲的形式得到，但是也可以從一個(gè)抽象的邏輯網(wǎng)絡(luò )拓撲開(kāi)始。通過(guò)向一個(gè)選項/變型模型分配單個(gè)功能組件，邏輯平臺可以包括（以汽車(chē)工程為例）一輛單個(gè)的車(chē)、一系列的車(chē)或一個(gè)汽車(chē)平臺所有可能存在的衍生物，包括軟件、電氣系統、網(wǎng)絡(luò )和硬件的變化形式。同樣的原則也適用于卡車(chē)、越野車(chē)車(chē)輛、飛機和復雜的機電設備，如工業(yè)打印機和醫療設備。甚至,一個(gè)像防空系統這類(lèi)經(jīng)過(guò)擴展的系統也可以用這種方式建模。
圖 6：擁有標準化功能容器（資源）和連接通路（載體）的平臺架構。
平臺的單個(gè)節點(diǎn)作為資源被標準化：電子控制單元(ECU)或線(xiàn)路可更換單元(LRU)、電氣總成、電力或接地導體。它們可以通過(guò)電氣或總線(xiàn)系統（CAN、LIN、Flexray、Ethernet（以太網(wǎng)）、ARINC 429等），或通過(guò)光學(xué)或電波連接耦合。這些通信通路被稱(chēng)為載體
合成
功能隨后被分配到邏輯平臺中。這可以手動(dòng)或利用規則自動(dòng)完成。執行的過(guò)程中將按功能的類(lèi)型詢(xún)問(wèn)功能。例如，從SW類(lèi)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。
圖 7：分配功能的規則.
圖 8：分配功能和信號的規則。
圖9：執行合成的樣例圖。
由此產(chǎn)生的合成是集成地執行功能描述的四類(lèi)域（硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò )通信和電氣）。利用設計規則檢查、任何必要警告或生成的錯誤消息來(lái)實(shí)時(shí)分析語(yǔ)義的一致性。
指標
技術(shù)評估指標早在合成過(guò)程中就可以計算?？梢酝ㄟ^(guò)設定讓這些指標顯示各種信息。例如，對于多路傳輸網(wǎng)絡(luò )而言有意義的指標包括負荷、容錯和開(kāi)銷(xiāo)。電氣域的指標包括電線(xiàn)、焊接點(diǎn)和連接器數量、電線(xiàn)長(cháng)度、線(xiàn)束直徑?？刂茊卧闹笜税ㄔO備重量、CPU負荷、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)的參數計算指標：往往可以從先前的執行中詳細了解這些參數。
如果一個(gè)值大于一個(gè)特定的水平，例如，如果預測內存的要求超出微處理器提出的預算，這一情況將通過(guò)設計規則檢查發(fā)送警報或直接發(fā)布到平臺架構師的圖形顯示器上。這幫助工程師保證設計的可行性。
而且可以計算的不僅僅是技術(shù)指標。通過(guò)擴展計算，還可以計算成本、重量、富余、可靠性或再利用等這類(lèi)項目目標。
圖10：指標樣例：目標數量、CPU利用率、網(wǎng)絡(luò )負荷和任務(wù)調度。 評價(jià)和優(yōu)化
因為使用這些指標進(jìn)行評價(jià)是實(shí)時(shí)完成的，即當做出設計決定或改變時(shí)，這一過(guò)程與評估替代執行（架構）或者實(shí)際修改功能內容非常匹配。指標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。
圖11：按對象計數、技術(shù)評估、CPU和網(wǎng)絡(luò )流量測量值比較不同的擴展和優(yōu)化階段。
因此可以迭代和交互地解決優(yōu)化功能分區、電氣優(yōu)化、成本和運行時(shí)間優(yōu)化問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)最后的評價(jià)，邏輯平臺合成的結果以每個(gè)特定域的形式（如ARXML、FIBEX或 KBL）被輸送到下游詳細的設計過(guò)程中。架構研究階段的結果可以被重新用作未來(lái)平臺的執行建議。在一個(gè)集成設計環(huán)境中，數據當然可以直接被傳遞給相應的應用程序。
總結
本文介紹的方法在一個(gè)單一層級上使用了功能抽象來(lái)整合不同的電子/電氣域。這反過(guò)來(lái)允許對執行其它方案進(jìn)行快速評估，同時(shí)為詳細設計準備數據。
因為對技術(shù)工作和知識的要求較高，現有基于UML或類(lèi)似SysML元模型的方法對于這樣的架構評估與驗證不太適用。相關(guān)的復雜性導致在可用的時(shí)間內幾乎沒(méi)有可能提供綜合評價(jià)所需的充分或必要的細節。
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。
圖 12：功能架構設計和評估，及下游設計流的后續執行方案。
相比之下，所描述的方法使用了一個(gè)功能抽象，其中執行相關(guān)的數據和工件整合入了標準化的功能模型中，而不是將它們分布到不同的（多數情況下是多余的）級層上。
早在自動(dòng)向邏輯平臺分配時(shí)，該模型可以被反復地驗證執行可行性和得到相應的技術(shù)和商業(yè)指標的維護。架構過(guò)程的結果也是對軟件、網(wǎng)絡(luò )、電氣系統和硬件的下游開(kāi)發(fā)過(guò)程的執行建議。
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