在汽車領(lǐng)域，開發(fā)高效且無錯誤的軟件是一項巨大的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)隨著對復(fù)雜軟件算法和維護(hù)安全標(biāo)準(zhǔn)的需求而增長。為了克服這些挑戰(zhàn)，汽車軟件開發(fā)公司正在從傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方式遷移到基于模型的軟件開發(fā) (MBSD)。MBSD是一種解決復(fù)雜嵌入式控制系統(tǒng)的可視化方法。

軟件工程分成不同的階段，包括需求闡明、架構(gòu)設(shè)計、開發(fā)和測試。在現(xiàn)代軟件開發(fā)中，需要在設(shè)計階段對設(shè)計變更進(jìn)行模擬并驗證功能得以正確實現(xiàn)，以避免在生產(chǎn)階段出現(xiàn)軟件錯誤，從而導(dǎo)致對一級供應(yīng)商和 OEM的營收產(chǎn)生巨大影響。一般來說，軟件也是導(dǎo)致事故和產(chǎn)品故障的主要原因之一。出售給客戶的車輛的 ECU 軟件的微小變化也會導(dǎo)致災(zāi)難。
MBSD 已成為最有前途和被廣泛接受的方法，因為它具有自動代碼生成、設(shè)計階段的驗證和驗證等功能，并且利用MBSD創(chuàng)建prototype的工作量更少。在傳統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，設(shè)計是基于文本描述進(jìn)行的，人工編寫的代碼很難理解和修改。傳統(tǒng)方法和基于模型的方法之間的區(qū)別如圖1 所示。

圖1. 傳統(tǒng)的軟件開發(fā) VS 基于模型的軟件開發(fā)（MBSD）
表 1 展示了一些頭部 OEM 和一級供應(yīng)商使用MBSD的收益。MBSD主要好處包括：
? 通過在軟件開發(fā)生命周期的早期階段分析模型來降低風(fēng)險和成本；
? 提高了產(chǎn)品質(zhì)量并縮短了開發(fā)時間；
? 圖形表示的方式允許任何開發(fā)人員非常便捷地進(jìn)行修改，從而減少專家的依賴性，降低了文檔成本；
? 很容易對模型進(jìn)行重復(fù)使用，在跨開發(fā)環(huán)境中可減少對常用功能的重復(fù)開發(fā)工作；
? 自動生成代碼消除了手寫代碼的錯誤；
? 通過基于模型的仿真來驗證軟件功能是否滿足需求，大幅減少了調(diào)試工作。

表1. 頭部 OEM 和一級供應(yīng)商MBSD創(chuàng)造的收益

1MBSD的開發(fā)生命周期模型——V模型

通常汽車軟件算法由不同的一級供應(yīng)商提供，為了管理生命周期內(nèi)的復(fù)雜性，業(yè)界創(chuàng)建了許多軟件開發(fā)生命周期模型，例如瀑布式、敏捷開發(fā)式、快速原型式、螺旋式、增量式。MBSD中最常用的軟件開發(fā)生命周期是V模型，如圖2所示。

圖2. MBSD的V模型
在汽車行業(yè)，V 模型是被廣泛接受的模型，也被 ISO 26262 等汽車安全標(biāo)準(zhǔn)所接受。為每個階段創(chuàng)建審查清單和質(zhì)量文件。每個階段都明確定義了進(jìn)入/退出標(biāo)準(zhǔn)。
V模型是瀑布模型的擴展，也稱為驗證和確認(rèn)模型。一般來說，V 模型的左側(cè)描述了開發(fā)活動，而右側(cè)則全部是關(guān)于測試的。重要的是完成一個階段才能進(jìn)入另一個階段。開發(fā)和測試活動應(yīng)該并行進(jìn)行，以減少產(chǎn)品開發(fā)時間。
下面列出了 V 模型的一些主要優(yōu)點：
?測試從軟件開發(fā)的早期開始，避免了錯誤的向下流動，使早期發(fā)現(xiàn)錯誤成為可能；
?在開發(fā)人員創(chuàng)建軟件的同時準(zhǔn)備測試規(guī)范；
?具有成本效益，因為它避免了返工；
?測試發(fā)生在軟件開發(fā)的所有階段。

2MBSD的軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件架構(gòu)（SA）是整個軟件系統(tǒng)的基本藍(lán)圖。在許多 OEM 和一級供應(yīng)商中，SA 工件是根據(jù)過程標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262 和 ASPICE 創(chuàng)建的。軟件架構(gòu)師為整個項目創(chuàng)建軟件架構(gòu)設(shè)計文檔和圖表，由另一位軟件架構(gòu)師審查。軟件架構(gòu)設(shè)計文檔包含一個車輛功能的架構(gòu)圖。圖3展示了BMS的軟件架構(gòu)圖。

圖3. BMS的軟件架構(gòu)圖

3MBSD的開發(fā)工具——MATLAB/Simulink

有多種 MBSD 工具和技術(shù)可用于汽車和航空航天軟件開發(fā)。MBSD 由系統(tǒng)建模語言 (SysML) 和統(tǒng)一建模語言 (UML) 等建模語言支持，以實現(xiàn)高效的軟件開發(fā)。
 MBSD 的現(xiàn)成工具有 MATLAB/Simulink、LabVIEW、ASCET 和 Scade。在這些工具中，MATLAB/Simulink 是最常用于車輛功能開發(fā)和工廠模型開發(fā)的工具。
 MathWorks 為建模、代碼生成和驗證提供了完整的 MBSD 工具鏈。車輛功能在仿真環(huán)境中建模，并根據(jù)工廠模型進(jìn)行驗證。MATLAB/Simulink 提供以下優(yōu)勢：
?易于構(gòu)建具有模塊化概念的大型模型，例如創(chuàng)建自己的可重復(fù)使用的庫；
?針對與時序相關(guān)的實時要求的定點模型；
?實車系統(tǒng)的浮點模型[工廠模型]；
?早期驗證功能和錯誤檢測；
?自動代碼生成；
?通過 Model Examiner (MXAM) 等工具確保符合 MISRA；
?通過時間分區(qū)測試 (TPT) 和 BTC Embedded Tester 等支持工具進(jìn)行功能測試。

圖4 展示了使用 MATLAB/Simulink創(chuàng)建模塊的過程。
開發(fā)人員可以通過創(chuàng)建庫和模型引用在項目成員之間共享和集成來自不同開發(fā)人員的建模工作。

圖4. MATLAB/Simulink創(chuàng)建模塊的過程
自動代碼生成是 MBSD 的主要優(yōu)勢。它消除了手動編碼工作并減少了出錯的機會。MATLAB 以不同的語言（如 C、C++ 和硬件描述語言）提供各種代碼生成選項。它還符合 AUTOSAR、ISO 26262、DO-178、MISRA C 和 CERT C 等標(biāo)準(zhǔn)。由于它是自動生成的，因此還會生成代碼需求之間的可追溯性。

4MBSD 中的統(tǒng)一建模語言（UML）

UML 圖是大多數(shù)汽車行業(yè)軟件架構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，可促進(jìn)項目早期與不同合作者和客戶群體的設(shè)計討論。
 UML 是設(shè)計人員向程序員提供詳細(xì)設(shè)計以供實施的基本藍(lán)圖。UML 圖可以大致分為結(jié)構(gòu)圖和行為圖，前者說明了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)組成，后者則描述了系統(tǒng)與參與者和其他系統(tǒng)的動態(tài)行為關(guān)系。

以下是結(jié)構(gòu)圖類別：
?類圖是最廣泛使用的UML 圖，它以面向?qū)ο蟮姆绞奖硎鞠到y(tǒng)。
?對象圖也用于表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)視圖。對象圖在使用方面也類似于類圖。它們用于開發(fā)系統(tǒng)的原型。
?組件圖闡明了系統(tǒng)的各個組件以及它們之間的交互，與時間無關(guān)。組件圖為系統(tǒng)提供了實現(xiàn)視圖。
?部署圖用于在部署視圖中對系統(tǒng)的物理實體進(jìn)行建模。

以下是行為圖類別：
?用例圖表示可以使用系統(tǒng)執(zhí)行的各種任務(wù)。這也描述了每個參與者在執(zhí)行系統(tǒng)的每個用例中的角色。
?活動圖描述了框架中的控制流。它包括各種活動和聯(lián)系?；顒恿骺梢允沁B續(xù)的、同時的，甚至是分支的。
?狀態(tài)圖用于傳達(dá)系統(tǒng)在系統(tǒng)內(nèi)部或系統(tǒng)外部發(fā)生的各種事件觸發(fā)時的行為。
?序列圖用于表示系統(tǒng)的各種對象之間相對于時間發(fā)生的活動/消息操作的序列。

在系統(tǒng)建模的分析階段，大多使用用例圖。用例圖是系統(tǒng)級別的用戶交互圖，其中基于需求描述車輛系統(tǒng)。對于每個車輛功能，確定一個或多個用例，并在用例和實施（設(shè)計要求）之間建立明確的可追溯性。在系統(tǒng)建模的設(shè)計階段，可使用類圖、序列圖、狀態(tài)圖和部署圖以詳細(xì)地將系統(tǒng)功能的核心進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

文章：鄭捷編輯：金瑋廣汽研究院集成安全技術(shù)部