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作者：Hans-Juergen Mantsch，Mentor Automotive 摘要 本文介紹了一種使用標準化的、分等級的功能作為一個單一的層級來描述電氣、電子和軟件內容的車輛系統設計方法。然后在一個合成過程中生成特定域的執行層級，并使用適當指標進行評估。重點是快速的迭代優化和對跨域架構的評估和驗證。 基于功能的系統工程 用功能性方法來介紹和開發系統架構通常是基于如EAST-ADL或SysML等UML （統一建模語言）衍生的特定域的語言。同時, 用各種形式和抽象層級(例如功能、活動、序列和/或狀態圖)來介紹將要被開發的系統的技術內容(組件)，然后為了執行進行適當的映射。 
圖1: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，不太適用于架構評估，更適用于詳細的歸檔。事實上，為了能夠對整體系統架構進行有意義的技術和財務評估, 必須非常詳細地明確每個單個層級直到到達足夠程度的細節。在隨后的映射中,工作量會按細節程度的平方數增加：例如,在單個層級中的工件數量。 如果計算相應的指標不夠敏捷，就無法及時地對功能分配的變化進行評價，也就無法為每個單個的將要被評價的選擇提供真正有意義的結果，例如一個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間可能比整個項目原計劃的時間還要多！ 功能模型 本文介紹的另一種方法使用了在一個單一層級上結合了標準化的、分等級的功能模型來描述系統架構的技術內容。在本文中，標準化的功能模型指可從它們最終作為硬件、驅動器和軟件組件執行中分離出來的單個功能。不再在多個（在某些情況下是多余的）層級上分發模型，取而代之的是單個的特定域的描述可以與一個單個的功能抽象結合，從而消除了冗長的映射過程。通過可以被標準化（變成軟件、電氣或總線信號）的信號實現單個功能間的通信。所有的工件都可以與一組來自詳細的選項/變型模型的規則有關。硬件、軟件和電子&網絡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）來同時檢查和驗證他們的語義依賴關系。 通過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、網絡和電氣)的技術、變型推動的內容，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。 為了說明這種方法，圖3展示了許多功能塊。軟件功能(SW)、驅動器組件(D)，傳感器(S)和執行器 (A)在一個單個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（線束上的電子信號）和藍色(網絡上的信號)。
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，單個類型的分配與下游平臺的執行要求一致。如果一個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：它應被分配到控制單元，而不是一個單純的電氣組件。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(如果從外部功能設計開始)，也可以通過一個信號庫進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，那么就可以自動創建下游執行(硬件和軟件、串行總線系統和電氣分布)，并且總是會尊重選項/變型的關系。 要做到這一點，首先定義一個邏輯平臺。這可以由一個3D模型以物理拓撲的形式得到，但是也可以從一個抽象的邏輯網絡拓撲開始。通過向一個選項/變型模型分配單個功能組件，邏輯平臺可以包括（以汽車工程為例）一輛單個的車、一系列的車或一個汽車平臺所有可能存在的衍生物，包括軟件、電氣系統、網絡和硬件的變化形式。同樣的原則也適用于卡車、越野車車輛、飛機和復雜的機電設備，如工業打印機和醫療設備。甚至,一個像防空系統這類經過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。 平臺的單個節點作為資源被標準化：電子控制單元(ECU)或線路可更換單元(LRU)、電氣總成、電力或接地導體。它們可以通過電氣或總線系統（CAN、LIN、Flexray、Ethernet（以太網）、ARINC 429等），或通過光學或電波連接耦合。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則自動完成。執行的過程中將按功能的類型詢問功能。例如，從SW類型中創建一個軟件組件，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、電氣或網絡信號向載體分配。
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。 由此產生的合成是集成地執行功能描述的四類域（硬件、軟件、網絡通信和電氣）。利用設計規則檢查、任何必要警告或生成的錯誤消息來實時分析語義的一致性。 指標 技術評估指標早在合成過程中就可以計算。可以通過設定讓這些指標顯示各種信息。例如，對于多路傳輸網絡而言有意義的指標包括負荷、容錯和開銷。電氣域的指標包括電線、焊接點和連接器數量、電線長度、線束直徑。控制單元的指標包括設備重量、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。 如果一個值大于一個特定的水平，例如，如果預測內存的要求超出微處理器提出的預算，這一情況將通過設計規則檢查發送警報或直接發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指標。通過擴展計算，還可以計算成本、重量、富余、可靠性或再利用等這類項目目標。
圖10：指標樣例：目標數量、CPU利用率、網絡負荷和任務調度。 評價和優化 因為使用這些指標進行評價是實時完成的，即當做出設計決定或改變時，這一過程與評估替代執行（架構）或者實際修改功能內容非常匹配。指標立即反映出這些變化，并且隨后可以進行替代策略的研究。
圖11：按對象計數、技術評估、CPU和網絡流量測量值比較不同的擴展和優化階段。 因此可以迭代和交互地解決優化功能分區、電氣優化、成本和運行時間優化問題。 經過最后的評價，邏輯平臺合成的結果以每個特定域的形式（如ARXML、FIBEX或 KBL）被輸送到下游詳細的設計過程中。架構研究階段的結果可以被重新用作未來平臺的執行建議。在一個集成設計環境中，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。這反過來允許對執行其它方案進行快速評估，同時為詳細設計準備數據。 因為對技術工作和知識的要求較高，現有基于UML或類似SysML元模型的方法對于這樣的架構評估與驗證不太適用。相關的復雜性導致在可用的時間內幾乎沒有可能提供綜合評價所需的充分或必要的細節。 符合本文描述的原則的商業軟件可在Mentor Automotive Capital®產品套件中找到。
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功能抽象，其中執行相關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。 早在自動向邏輯平臺分配時，該模型可以被反復地驗證執行可行性和得到相應的技術和商業指標的維護。架構過程的結果也是對軟件、網絡、電氣系統和硬件的下游開發過程的執行建議。更多信息請訪問http://automotive.cn.mentor.com/。 |
