为什么设计复杂系统如此之难？浅谈利用仿真攻克汽车系统设计

当今汽车行业所面临的挑战与电信行业十多年前所经历的类似。混合动力电动汽车和燃料电池汽车等新技术也促进了研发活动的日趋活跃，正如我们在手机演变成多媒体设备的进程中所看到的一样。同样，电信业面临着功耗和芯片尺寸限制的问题，而汽车设计师正努力将更多技术运用到过去仅仅是机械的设备中。

电子、电气、机械，硬件和软件组件以及将其相连接的网络正大力推动汽车设计的发展。车载电子设备数量的比重目前为40%，而且在不断上升，与此同时，电子控制单元的数量也在日益增加，并被分布到整个系统中，用以控制新应用的精密性和复杂性。电子控制单元能包含数百个软件组件，促使系统更多地采用多路复用技术，也提升了通信方面的要求。

不仅一般系统设计在整体上有所扩大，可以满足不断增加的功能和性能要求，而且这些设计必须无缝地整合模拟和数字硬件以及控制软件。成功地整合相互协调的系统组件并完成验证已被证明会耗费大量时间、资金和设计资源。同时这对缩短开发周期也提出了更高的要求。

要满足新的要求就需要采用新的流程和开发工具。尤其是对这些复杂系统中计算机模型的开发和智能化运用（曾被视为是奢侈的事情）正在成为整个开发流程成功与否的关键。

为什么设计复杂系统如此之难？让我们来看看设计流程的界限在哪里。

广泛、多层次的供应链提供的组件组装成了汽车系统。将系统组件装入子系统，子系统再注入系统的这一过程跨越了很多行业界限。这些界限为知识产权筑起了保护壁垒，可以防止或阻止设计信息在供应链上下端的传播。原始设备制造商领域里的系统设计师能够从全面的子系统和组件性能信息中获益。透露相关信息可能会使竞争对手利用逆向工程技术对他们的设计进行改进，因而供应商对此十分谨慎。同样，一旦原始设备制造商公布了规格，他们的供应商也可以得到有关整个系统环境的详细信息，但原始设备制造商也担心他们在系统设计上的创新可能被供应链上的竞争对手所利用。既需要传播关键的性能和内容信息，也要保护重要的设计知识产权，这两者之间的冲突形成了汽车系统设计流程中的一个主要界限。

另一个界限是设计流程信息分布于全球各地设计中心引出的交流界限。我们需要跨越时区和语言来管理系统和组件设计，必须随时为有需求者提供全面的规格和性能数据。此外，数据的收发者必须明确清楚地了解这些数据，无论这些信息采用的是不是他们的母语。

技术专业化是第三个界限。在各个子系统中，甚至在许多组件中，必须将多种技术结合成一个整体。为此，需要综合电子、磁性、机械和液压等技术，而且需要跨越不同工程学科在设计流程和术语上的差异。

再就是车载软件在内容上的不断增加和相对重要性上的提升所带来的额外挑战。许多子系统不仅需要将硬件整合到车辆结构中，还要将软件整合到车辆网络/加工基础设施中。硬件/软件协同验证的问题突显出技术专业化界限的一个新层面。

在系统整合阶段会有常见的瓶颈出现。在分布式系统中，数据来自不同的内部资源，如电子控制单元来自不同的公司，不同的电子控制单元有不同的算法，这些都必须得到协调，而分布式系统的本质就是需要大量的协调。

更糟糕的是，目前公认的设计和分析方法无法使人了解在实验室中不受控制或无法观察到的设计工作。将不同的子系统和组件整合到一个统一系统中是一个具有风险、易出现麻烦且不可预知的过程。这时候如果项目中出现了意外问题，子系统和组件就需要重新设计，甚至系统要求也要进一步完善，而这往往会耽误大量的时间。

整合系统时的重要难题之一就是具有通信能力的网络基础设施。尽管可选的网络技术很多，但这些技术往往用于强调追求最大能力和性能的创新任务。以模型化形式设计网络，并分析其在极端运行环境中的特点有助于揭示问题的所在——以及优化带宽和安全边际，这样就能够在设计过程中尽早避免代价高昂的返工和重大的生产延误。

以模型为驱动的设计和分析，包括系统建模和仿真，能够解决这些大量问题。在系统工程领域，分析方法往往有许多形式。许多企业目前使用Excel应对复杂的问题，但迄今为止电子表格对设计师而言用途有限。真正的系统建模可提供一个交互式环境，设计师能够验证整个难题中的一小部分，而在整个难题中，任何微小的变动都会影响最终的结果。

仿真通常被认为是有助于使系统中某个具体方面的设计自动化的工具，能够从概念到实施过程连续验证新设计。利用基于模型的设计方法，系统设计师能够利用基于转换功能、RTL、计算规则甚至是规格的模型。组件设计师能够以设计过程中混合水平验证方式来验证原创高级系统模型环境下的设计实施（如电路、作用机制、逻辑或核心）。系统和组件设计师能够携手以最终设计的详细验证方式来验证具体实施过程中的完整系统。随着设计工作的开展，对概念和组件的不断验证能够使尽早发现和解决问题的机会增加，从而节约时间和金钱。

基于模型设计的另一个好处就是支持稳定性设计（如六西格玛设计）。单独的组件模型能够表征制造和环境的变动，因此整合系统模型将反映总体可变性。精准度叠加能够得到评估，合理的系统界限也可以建立，降低质保成本的末端效应也能够实现。

最重要的好处是仿真作为学习平台的价值，尽管这个好处比较微妙，不太明确，但却能够得到验证。人们很难给从研究系统设计、变动参数值、尝试各种激励和负荷状态和测试其它配置与变量等过程中获得的知识、直觉和见解定价。探索和学习恰恰是所有创新的基础。

建模整体系统变化也能够有助于防止设计师优化组件却忽视整体系统。例如，也许通过放低精准度要求来减少一个组件的成本，但其连锁反应可能最终导致另一个组件的调整成本更高，为抵消对整个系统的变动而付出更高代价。只要了解这个影响，就可以在这种变动在不能取消之前就被驳回。

仿真可以做到实物硬件不能做到的事情，看到实物硬件不能看到的结果。比如，设计人员可以仿真一个在过高电压或温度值运行的系统，查看某个设备内部的电流、通量或其它状态的变量。另一个例子就是仿真能够演练嵌入式控制器在其硬件外围设备（如A/D转换器、D/A转换器、计时器等）环境下的运行。这就类似于现实世界中使用的电路内模拟器，只不过在现实世界中使用者可以在断点处真的把计时器停掉，而不仅仅是执行代码。

针对VHDL-AMS语言的IEEE 1076.1标准与多语言仿真器相结合，填补了汽车系统设计工艺的空白。利用建模和仿真技术，汽车系统设计人员可以减少知识产权保护相关问题、增进全球各地设计相关人员之间的沟通并对各种技术内容加以整合。模型兼容性可在从最初的概念探索到最终的硬件软件验证的设计过程各阶段得以保持。

借助VHDL-AMS，硬件建模非常适合用来进行网络信号完整性分析。这包括收发机的模拟、数字和混合信号方面的建模，以及双绞传输线、连接器和网络物理层其它组件运转情况的建模。模型由组件供应商提供，通常在采购初期就可以拿到。最初的模型基于预期性能，但是随着模块设计的发展，模型也得以不断更新和细化，到最后甚至包含了精确的制造精度。

由于使用的技术以行为模型为基础，因此不包含有关内部设备结构设计详情的数据，供应商也愿意与供应链上的其他成员分享。因此，设计人员可以利用模型来组装或分散完整的系统测试平台，所有供应商也可以探索和验证用于提高质量的创新方法。它还为原始设备制造商提供了一个有效的平台，通过它传达整体系统要求和个别组件的规格。

以VHDL-AMS语言编写的模型能够在任何支持该标准的仿真器上运行，从而提供了仿真产品选择余地，通过工具厂商之间的竞争取得价格、性能和功能集方面的优势，所有这些都有利于汽车行业的发展。

尽管专门或专有的建模和仿真技术在单独的设计活动中仍有一定用处，但成功的系统设计离不开广泛合作、使用新技术以及接受相应短期过渡成本的意愿。

基于原有可执行规范的虚拟系统级整合和验证主要是演练提供一个丰富工具整合环境。可在获得实体硬件之前就开始进行系统整合，通过将各种技术相结合建立一个系统模型。这可能包括机械、磁、液压和热效应，或其它任何可用代数或微分方程描述的技术。虽然明显具有较高的价值，但这些优势只有当众多工作在系统和组件领域以及所有工程领域的设计人员都开始使用系统建模技术的时候才会在汽车系统设计上明显表现出来。