為什么設計復雜系統(tǒng)如此之難？淺談利用仿真攻克汽車系統(tǒng)設計

當今汽車行業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)與電信行業(yè)十多年前所經(jīng)歷的類似。混合動力電動汽車和燃料電池汽車等新技術也促進了研發(fā)活動的日趨活躍，正如我們在手機演變成多媒體設備的進程中所看到的一樣。同樣，電信業(yè)面臨著功耗和芯片尺寸限制的問題，而汽車設計師正努力將更多技術運用到過去僅僅是機械的設備中。

電子、電氣、機械，硬件和軟件組件以及將其相連接的網(wǎng)絡正大力推動汽車設計的發(fā)展。車載電子設備數(shù)量的比重目前為40%，而且在不斷上升，與此同時，電子控制單元的數(shù)量也在日益增加，并被分布到整個系統(tǒng)中，用以控制新應用的精密性和復雜性。電子控制單元能包含數(shù)百個軟件組件，促使系統(tǒng)更多地采用多路復用技術，也提升了通信方面的要求。

不僅一般系統(tǒng)設計在整體上有所擴大，可以滿足不斷增加的功能和性能要求，而且這些設計必須無縫地整合模擬和數(shù)字硬件以及控制軟件。成功地整合相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)組件并完成驗證已被證明會耗費大量時間、資金和設計資源。同時這對縮短開發(fā)周期也提出了更高的要求。

要滿足新的要求就需要采用新的流程和開發(fā)工具。尤其是對這些復雜系統(tǒng)中計算機模型的開發(fā)和智能化運用（曾被視為是奢侈的事情）正在成為整個開發(fā)流程成功與否的關鍵。

為什么設計復雜系統(tǒng)如此之難？讓我們來看看設計流程的界限在哪里。

廣泛、多層次的供應鏈提供的組件組裝成了汽車系統(tǒng)。將系統(tǒng)組件裝入子系統(tǒng)，子系統(tǒng)再注入系統(tǒng)的這一過程跨越了很多行業(yè)界限。這些界限為知識產(chǎn)權筑起了保護壁壘，可以防止或阻止設計信息在供應鏈上下端的傳播。原始設備制造商領域里的系統(tǒng)設計師能夠從全面的子系統(tǒng)和組件性能信息中獲益。透露相關信息可能會使競爭對手利用逆向工程技術對他們的設計進行改進，因而供應商對此十分謹慎。同樣，一旦原始設備制造商公布了規(guī)格，他們的供應商也可以得到有關整個系統(tǒng)環(huán)境的詳細信息，但原始設備制造商也擔心他們在系統(tǒng)設計上的創(chuàng)新可能被供應鏈上的競爭對手所利用。既需要傳播關鍵的性能和內(nèi)容信息，也要保護重要的設計知識產(chǎn)權，這兩者之間的沖突形成了汽車系統(tǒng)設計流程中的一個主要界限。

另一個界限是設計流程信息分布于全球各地設計中心引出的交流界限。我們需要跨越時區(qū)和語言來管理系統(tǒng)和組件設計，必須隨時為有需求者提供全面的規(guī)格和性能數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)的收發(fā)者必須明確清楚地了解這些數(shù)據(jù)，無論這些信息采用的是不是他們的母語。

技術專業(yè)化是第三個界限。在各個子系統(tǒng)中，甚至在許多組件中，必須將多種技術結合成一個整體。為此，需要綜合電子、磁性、機械和液壓等技術，而且需要跨越不同工程學科在設計流程和術語上的差異。

再就是車載軟件在內(nèi)容上的不斷增加和相對重要性上的提升所帶來的額外挑戰(zhàn)。許多子系統(tǒng)不僅需要將硬件整合到車輛結構中，還要將軟件整合到車輛網(wǎng)絡/加工基礎設施中。硬件/軟件協(xié)同驗證的問題突顯出技術專業(yè)化界限的一個新層面。

在系統(tǒng)整合階段會有常見的瓶頸出現(xiàn)。在分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)來自不同的內(nèi)部資源，如電子控制單元來自不同的公司，不同的電子控制單元有不同的算法，這些都必須得到協(xié)調(diào)，而分布式系統(tǒng)的本質(zhì)就是需要大量的協(xié)調(diào)。

更糟糕的是，目前公認的設計和分析方法無法使人了解在實驗室中不受控制或無法觀察到的設計工作。將不同的子系統(tǒng)和組件整合到一個統(tǒng)一系統(tǒng)中是一個具有風險、易出現(xiàn)麻煩且不可預知的過程。這時候如果項目中出現(xiàn)了意外問題，子系統(tǒng)和組件就需要重新設計，甚至系統(tǒng)要求也要進一步完善，而這往往會耽誤大量的時間。

整合系統(tǒng)時的重要難題之一就是具有通信能力的網(wǎng)絡基礎設施。盡管可選的網(wǎng)絡技術很多，但這些技術往往用于強調(diào)追求最大能力和性能的創(chuàng)新任務。以模型化形式設計網(wǎng)絡，并分析其在極端運行環(huán)境中的特點有助于揭示問題的所在——以及優(yōu)化帶寬和安全邊際，這樣就能夠在設計過程中盡早避免代價高昂的返工和重大的生產(chǎn)延誤。

以模型為驅(qū)動的設計和分析，包括系統(tǒng)建模和仿真，能夠解決這些大量問題。在系統(tǒng)工程領域，分析方法往往有許多形式。許多企業(yè)目前使用Excel應對復雜的問題，但迄今為止電子表格對設計師而言用途有限。真正的系統(tǒng)建?？商峁┮粋€交互式環(huán)境，設計師能夠驗證整個難題中的一小部分，而在整個難題中，任何微小的變動都會影響最終的結果。

仿真通常被認為是有助于使系統(tǒng)中某個具體方面的設計自動化的工具，能夠從概念到實施過程連續(xù)驗證新設計。利用基于模型的設計方法，系統(tǒng)設計師能夠利用基于轉換功能、RTL、計算規(guī)則甚至是規(guī)格的模型。組件設計師能夠以設計過程中混合水平驗證方式來驗證原創(chuàng)高級系統(tǒng)模型環(huán)境下的設計實施（如電路、作用機制、邏輯或核心）。系統(tǒng)和組件設計師能夠攜手以最終設計的詳細驗證方式來驗證具體實施過程中的完整系統(tǒng)。隨著設計工作的開展，對概念和組件的不斷驗證能夠使盡早發(fā)現(xiàn)和解決問題的機會增加，從而節(jié)約時間和金錢。

基于模型設計的另一個好處就是支持穩(wěn)定性設計（如六西格瑪設計）。單獨的組件模型能夠表征制造和環(huán)境的變動，因此整合系統(tǒng)模型將反映總體可變性。精準度疊加能夠得到評估，合理的系統(tǒng)界限也可以建立，降低質(zhì)保成本的末端效應也能夠?qū)崿F(xiàn)。

最重要的好處是仿真作為學習平臺的價值，盡管這個好處比較微妙，不太明確，但卻能夠得到驗證。人們很難給從研究系統(tǒng)設計、變動參數(shù)值、嘗試各種激勵和負荷狀態(tài)和測試其它配置與變量等過程中獲得的知識、直覺和見解定價。探索和學習恰恰是所有創(chuàng)新的基礎。

建模整體系統(tǒng)變化也能夠有助于防止設計師優(yōu)化組件卻忽視整體系統(tǒng)。例如，也許通過放低精準度要求來減少一個組件的成本，但其連鎖反應可能最終導致另一個組件的調(diào)整成本更高，為抵消對整個系統(tǒng)的變動而付出更高代價。只要了解這個影響，就可以在這種變動在不能取消之前就被駁回。

仿真可以做到實物硬件不能做到的事情，看到實物硬件不能看到的結果。比如，設計人員可以仿真一個在過高電壓或溫度值運行的系統(tǒng)，查看某個設備內(nèi)部的電流、通量或其它狀態(tài)的變量。另一個例子就是仿真能夠演練嵌入式控制器在其硬件外圍設備（如A/D轉換器、D/A轉換器、計時器等）環(huán)境下的運行。這就類似于現(xiàn)實世界中使用的電路內(nèi)模擬器，只不過在現(xiàn)實世界中使用者可以在斷點處真的把計時器停掉，而不僅僅是執(zhí)行代碼。

針對VHDL-AMS語言的IEEE 1076.1標準與多語言仿真器相結合，填補了汽車系統(tǒng)設計工藝的空白。利用建模和仿真技術，汽車系統(tǒng)設計人員可以減少知識產(chǎn)權保護相關問題、增進全球各地設計相關人員之間的溝通并對各種技術內(nèi)容加以整合。模型兼容性可在從最初的概念探索到最終的硬件軟件驗證的設計過程各階段得以保持。

借助VHDL-AMS，硬件建模非常適合用來進行網(wǎng)絡信號完整性分析。這包括收發(fā)機的模擬、數(shù)字和混合信號方面的建模，以及雙絞傳輸線、連接器和網(wǎng)絡物理層其它組件運轉情況的建模。模型由組件供應商提供，通常在采購初期就可以拿到。最初的模型基于預期性能，但是隨著模塊設計的發(fā)展，模型也得以不斷更新和細化，到最后甚至包含了精確的制造精度。

由于使用的技術以行為模型為基礎，因此不包含有關內(nèi)部設備結構設計詳情的數(shù)據(jù)，供應商也愿意與供應鏈上的其他成員分享。因此，設計人員可以利用模型來組裝或分散完整的系統(tǒng)測試平臺，所有供應商也可以探索和驗證用于提高質(zhì)量的創(chuàng)新方法。它還為原始設備制造商提供了一個有效的平臺，通過它傳達整體系統(tǒng)要求和個別組件的規(guī)格。

以VHDL-AMS語言編寫的模型能夠在任何支持該標準的仿真器上運行，從而提供了仿真產(chǎn)品選擇余地，通過工具廠商之間的競爭取得價格、性能和功能集方面的優(yōu)勢，所有這些都有利于汽車行業(yè)的發(fā)展。

盡管專門或?qū)Ｓ械慕：头抡婕夹g在單獨的設計活動中仍有一定用處，但成功的系統(tǒng)設計離不開廣泛合作、使用新技術以及接受相應短期過渡成本的意愿。

基于原有可執(zhí)行規(guī)范的虛擬系統(tǒng)級整合和驗證主要是演練提供一個豐富工具整合環(huán)境?？稍讷@得實體硬件之前就開始進行系統(tǒng)整合，通過將各種技術相結合建立一個系統(tǒng)模型。這可能包括機械、磁、液壓和熱效應，或其它任何可用代數(shù)或微分方程描述的技術。雖然明顯具有較高的價值，但這些優(yōu)勢只有當眾多工作在系統(tǒng)和組件領域以及所有工程領域的設計人員都開始使用系統(tǒng)建模技術的時候才會在汽車系統(tǒng)設計上明顯表現(xiàn)出來。