基於模型的系統工程——自動駕駛汽車（20181004更新）

• 2019 年 10 月 6 日
• 筆記

原文鏈接：http://intercax.com/2018/01/11/model-based-systems-engineering-autonomous-vehicles-part-1/

作者 Dirk Zwemer

自動駕駛汽車(AV)是當前系統工程最大的挑戰之一，不只是因為AV自身的複雜性，還因為它是更大的智慧道路的一部分。本文討論基於模型的方法，包括SysML建模以及來自Intercax的MBSE平台Syndeia如何有助於解決複雜性。

圖1展示了ADS (自動駕駛系統，Automated Driving System)操作領域的SysML塊定義圖，包括

• 1對多，不同自動水平的汽車（Vehicle）。 • 1對多，當自動水平變化時，司機（Driver）/乘客（Passenger）的區分變得模糊。 • 操作設計領域（Operational Design Domain，ODD），汽車在其中操作的通用環境。可變因子包括道路類型（RoadwayType）、天氣（Weather）和每天的什麼時間（TimeOfDay）。ODD 也包括通過電子手段和汽車相連的基礎設施(路標、交通燈等等)。 • 障礙物（Obstacle），局部環境中的隨機因子(例如行人)，汽車或司機必須識別和恰當地響應。 • 操作中心（Operations Center），通訊和控制的中央管控機構。

準備這樣一張領域圖，指定感興趣系統（Vehicle）必須交互的的元素，通常是基於模型的系統工程早期工作。注意，這只是關於汽車的操作環境。其他建模還包括製造、分發、維護和其他因素。

圖1 ADS Operations領域的SysML塊定義圖

圖2展示了MBSE結構的架構。我們用Intercax的基於模型的工程平台Syndeia來創建、維護和可視化總體系統模型（Total System Model，TSM)。本例的工具集包括Jama、MagicDraw、GitHub和JIRA。也可以換成其他軟體工具，例如IBM Rational Rhapsody和 DOORS NG。

圖2 總體系統模型架構

通過Syndeia，系統工程師可以有兩種方法把需求連接到其他系統模型元素。在圖3左側，我們創建一個引用連接（Reference Connection），在模型元素之間建立可跟蹤的鏈接，但不假設任何系統資訊。

圖3 Syndeia的需求連接方法

另一種方法是圖3右側，模型變換連接（Model Transform Connection），變換Jama或DOORS NG里的需求為對等的SysML需求，並維護兩者之間的連接。

圖4 SysML序列圖，視力障礙乘客場景

引用連接更簡單，因為資訊沒有複製。在Syndeia中，這樣的連接可以檢查是否有新版本的Jama需求提交。模型變換連接則可以提供更多的建模靈活性，SysML需求可以通過標準關係（例如Satisfy、Verify和Refine依賴）鏈接到多個其他SysML元素。圖4展示一張SysML行為圖，描述了視力障礙乘客使用AV的場景。圖5展示了SysML模型使用這個場景，通過標準Refine依賴來精化或澄清需求。如果SysML模型顯式包括需求，包括需求驗證和分解在內的其他任務可以被簡化。

圖5 用於精化需求的場景

我們假設需求一開始在需求管理工具中生成。圖6展示了創建自US DoT（美國交通部）報告, "Automated Driving System 2.0: A Vision for Safety" (September 2017)的部分需求列表。在Jama中被捕獲為多層需求模型。每條捕獲進Jama的需求都有Name（名稱）, ID, Description（描述）和其他屬性。圖7展示了Jama web瀏覽器中的需求。注意：DoT報告是建議指南的集合，不是強制的需求，此處只是為了展示。

圖6 Jama中的ADS需求模型

圖7 Jama web 瀏覽器中的 "Collision Compatibility（碰撞相容性）" 需求

本例中，我們使用模型變換連接生成SysML需求結構。使用Syndeia可以一步到位。從Jama倉儲拖放頂層需求規約DoT ADS Guidelines到MagicDraw模型，可以變換得到完整的4個層次、64個需求結構。每對需求相互連接，以便比較和同步。

圖8 使用Syndeia把JIRA Task屬性鏈接到SysML需求

再次使用Syndeia，我們使用SysML需求結構生成JIRA條目的集合，每條需求一條。圖8展示了中層的需求規約。每條需求的JIRA條目可以用於項目管理，例如跟蹤狀態、安排進度和分配人員。本例中使用了引用連接，在SysML需求和JIRA條目之間沒有共同的屬性。然而，連接允許系統工程師在web瀏覽器中直接打開SysML模型元素或元素符號的JIRA條目，並為Jama倉儲提供間接的反向鏈接。使用這些連接，我們就完成了圖2中TSM架構左側的工作。

MBSE方法學往往在開發周期早期強制生成功能架構，特別是針對軟體為主要組件的資訊物理融合系統。本例中，我們生成了12個AV功能，以展示這些功能映射到需求、軟體文件和項目管理的方法。它們被建模為MagicDraw中的塊（Block），如圖9所示。

圖9 AV功能架構

可以用同樣的方法連接SysML功能塊到JIRA條目。頂層塊Autonomous_Vehicle_Functions被拖進 JIRA項目，生成13條JIRA新特性，每條通過引用連接鏈接回SysML功能。JIRA條目可以從功能直接打開。

圖10 Syndeia連接管理器，連接功能(左側)到GitHub軟體文件並提交(右側)

本例中，正在開發的軟體模組在GitHub倉儲做配置管理。假設GitHub中的軟體文件和SysML中的功能塊是獨立開發的，我們可以使用Syndeia，通過創建引用連接鏈接已有元素，如圖10所示。

在這個階段，我們已經連接每個SysML功能塊到JIRA條目和一個或多個GitHub文件。為了創建需求和功能之間的連接，我們在MagicDraw中使用SysML的Satisfy依賴，如圖11所示。這些關係存儲在SysML建模工具中，這個階段不涉及Syndeia。注意，集合中的一條需求沒有Satisfy關係。好的MBSE實踐應該跟蹤和高亮這些遺漏。

圖11 在SysML需求圖中映射功能到需求

現在，整個連接架構已經實現了。除了使用這些連接來保持分離的模型一致之外，我們還可以使用它們來提供遍及TSM的跟蹤能力。接下來要考慮連接構成的網或圖的可視化和搜索。

不同工具的模型元素之間以及模型內部創建的連接，組成了一張圖，即節點和邊的集合。當圖的規模變大時，我們可以利用強有力的新的圖形資料庫技術來可視化和查詢，以獲得系統資訊的詳細路線圖以及前所未有的跟蹤能力。

圖12 MagicDraw、JIRA、Jama和GitHub模型間連接的全局可視化(弦圖，Chord Plot)

圖13 局部可視化展示SysML"Disability Access"需求的鄰近元素

待續……

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