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SCODE - 降低軟件復雜度的建模新方法

2020-07-03 22:12:31·  來源：ETAS空中助手  
　
日益復雜的系統(tǒng)對軟件工程的挑戰(zhàn)在現(xiàn)代汽車技術(shù)研發(fā)的各個階段，軟件既是高可靠性的推動者，同時又是高可靠性的保證
 
日益復雜的系統(tǒng)對軟件工程的挑戰(zhàn)

在現(xiàn)代汽車技術(shù)研發(fā)的各個階段，軟件既是高可靠性的推動者，同時又是高可靠性的保證者。試想一下，如果沒有嵌入式軟件，動態(tài)底盤控制和復雜的混合動力總成將是難以想象的。如今，軟件在構(gòu)建主動式駕駛輔助系統(tǒng)及進一步開發(fā)自動駕駛方面，發(fā)揮著至關重要的作用。對于駕駛員來說，軟件的發(fā)展使駕駛變得更容易，極大地提高了車輛的安全性和舒適性。

然而，特定功能的開發(fā)，和電子控制單元(ECU)軟件的開發(fā)，給開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。他們有必要從一個清晰的視角，來正確實現(xiàn)控制策略和功能。而與此同時，他們面對的是各個相互連接的車輛控制系統(tǒng)之間日益增加的復雜度，甚至還要在短時間內(nèi)，以低成本開發(fā)出可靠、功能強大并且安全的軟件。

SCODE方法  
一種全新的基于模型的軟件開發(fā)方式

鑒于項目SOP周期越來越短，開發(fā)時間壓力越來越大，以及軟件開發(fā)人員所面對系統(tǒng)越來越高的復雜度，這些新問題都急需新的解決方案和工作方法。經(jīng)過博世集團內(nèi)部十年的研究，ETAS正式推出了SCODE-ANALYZER和SCODE-CONGRA，這兩個新工具為基于模型的軟件開發(fā)領域帶來了一種全新的方法論。在軟件開發(fā)過程中，SCODE方法和工具能夠?qū)崿F(xiàn)對軟件決策路徑的構(gòu)建，及其數(shù)學關系的描述，并進行自動驗證。
這一全新方法的關鍵，簡而言之，就是通過分離控制流與計算流來降低控制系統(tǒng)的復雜度。

圖1 SCODE方法的核心思想

SCODE-ANALYZER(System CO Design，系統(tǒng)協(xié)同設計)工具，可清楚地描述并驗證控制系統(tǒng)中的復雜關系，系統(tǒng)被分為多個分段，稱作“模式”。而SCODE-ConGRA(Constraint GRAphs，約束圖表)則是第一個提供了“以模型為中心”方法的工具，完全基于精確的數(shù)學描述并對過程和結(jié)果通過圖形實現(xiàn)可視化。

SCODE - 降低軟件復雜度的建模新方法
圖2 SCODE-ANALYZER和SCODE-CONGRA功能簡介
 
SCODE-ANALYZER
具備形式驗證和代碼生成功能的結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)分析工具

SCODE分析方法采用三個步驟將控制流(離散)與數(shù)據(jù)流(連續(xù))分離:

1) 定義問題空間(Problem Space)， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)條件的狀態(tài)組合；

2) 定義基于問題空間的有效和無效的運行模式(Modes)；

3) 定義模式切換跳轉(zhuǎn)事件(Events)的規(guī)則。
圖3 SCODE-ANALYZER工具的工作步驟

SCODE-ANALYZER在系統(tǒng)設計過程中，提供具有形式驗證意義的分析和測試功能。

·  100%完整性（考慮到所有狀態(tài)組合，無遺漏）

·  100%一致性（模式不相互重疊）

·  所有模式切換的有效性（無dead locks、無dead events…）

·  基于問題空間的100%測試用例覆蓋度

·  自驗證以確保代碼在整個工具鏈中的正確性
圖4 SCODE方法將系統(tǒng)劃分模式

SCODE-CONGRA
以精確而易懂的圖形化數(shù)學關系來描述控制系統(tǒng)

根據(jù)數(shù)學關系和物理公式，開發(fā)人員可以對系統(tǒng)進行描述并將結(jié)果以有方向或無方向的約束圖來顯示。開發(fā)人員可以直接在可視化的顯示中進行實驗，以輕松識別參數(shù)更改如何影響系統(tǒng)行為。靈敏度分析功能為預標定(Pre-Calibration)鋪墊了道路，這將極大有助于后期的軟件標定。SCODE-CONGRA還顯示了復雜的系統(tǒng)關系，輸入數(shù)據(jù)的不清晰或不一致的情況，以及代數(shù)環(huán)問題和解決辦法。

圖5 SCODE-CONGRA使開發(fā)者從不同視角和方向獲得系統(tǒng)關系

SCODE-Workbench
控制系統(tǒng)的建模、分析、驗證及實現(xiàn)

基于Eclipse環(huán)境，SCODE-ANALYZER和SCODE-CONGRA已經(jīng)統(tǒng)一到SCODE Workbench工具平臺，可以無縫集成于當前工具鏈：

-       ASCET ESDL/AMD

-       C code

-       MATLAB® m-code

-       Simulink® blocks / s-functions

-       YAKINDU Traceability

-       EHANDBOOK

-       Word / Excel / JSON

-       svg/png/jpg

-       test cases (fingerprint & harness)

其中時間連續(xù)的部分適用于

-       ASCMO-MOCA

-       LABCAR

-       FMI/FMU 2.0 COSYM

圖6 SCODE-ANALYZER和SCODE-CONGRA工作流程

圖7 針對仿真以及ECU提供代碼生成

SCODE
在博世的應用

從過去十年至今，SCODE-ANALYZER和SCODE-CONGRA已被應用到上百個項目開發(fā)之中，諸如內(nèi)燃機進氣系統(tǒng)、電機控制、混合動力總成模式、診斷分析等等，并且已有量產(chǎn)化階段的軟件包含了通過SCODE方法開發(fā)的功能及其代碼。

結(jié)合博世經(jīng)驗，SCODE-ANALYZER和SCODE-CONGRA為控制系統(tǒng)開發(fā)提供了簡單、快速且安全的建模方式，被證實可在很大程度上提高開發(fā)效率。

·  降低系統(tǒng)復雜度

·  減少代碼行數(shù)(-25%)

·  減少標定工作量(-25%)

·  減少ECU內(nèi)存消耗

·  減少ECU運行時間

·  設計系統(tǒng)/功能時100%覆蓋可能的錯誤

·  通過數(shù)學模型高度復用性縮短開發(fā)時間(-30%)

·  通過自驗證代碼減少測試工作量

·  通過自動分析驗證完整性和一致性

圖8 SCODE可以為項目節(jié)省多達30%的開發(fā)時間

下圖為SCODE工具在燃料電池(Fuel Cell)系統(tǒng)開發(fā)中的應用場景。

圖9 SCODE在博世燃料電池控制系統(tǒng)開發(fā)中的應用
 
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