基于模型的系统工程——自动驾驶汽车（20181004更新）
原文链接：http://intercax.com/2018/01/11/model-based-systems-engineering-autonomous-vehicles-part-1/
作者 Dirk Zwemer
自动驾驶汽车(AV)是当前系统工程最大的挑战之一，不只是因为AV自身的复杂性，还因为它是更大的智慧道路的一部分。本文讨论基于模型的方法，包括SysML建模以及来自Intercax的MBSE平台Syndeia如何有助于解决复杂性。
图1展示了ADS (自动驾驶系统，Automated Driving System)操作领域的SysML块定义图，包括
• 1对多，不同自动水平的汽车（Vehicle）。
• 1对多，当自动水平变化时，司机（Driver）/乘客（Passenger）的区分变得模糊。
• 操作设计领域（Operational Design Domain，ODD），汽车在其中操作的通用环境。可变因子包括道路类型（RoadwayType）、天气（Weather）和每天的什么时间（TimeOfDay）。ODD 也包括通过电子手段和汽车相连的基础设施(路标、交通灯等等)。
• 障碍物（Obstacle），局部环境中的随机因子(例如行人)，汽车或司机必须识别和恰当地响应。
• 操作中心（Operations Center），通信和控制的中央管控机构。
准备这样一张领域图，指定感兴趣系统（Vehicle）必须交互的的元素，通常是基于模型的系统工程早期工作。注意，这只是关于汽车的操作环境。其他建模还包括制造、分发、维护和其他因素。
图1 ADS Operations领域的SysML块定义图
图2展示了MBSE结构的架构。我们用Intercax的基于模型的工程平台Syndeia来创建、维护和可视化总体系统模型（Total System Model，TSM)。本例的工具集包括Jama、MagicDraw、GitHub和JIRA。也可以换成其他软件工具，例如IBM Rational Rhapsody和 DOORS NG。
图2 总体系统模型架构
通过Syndeia，系统工程师可以有两种方法把需求连接到其他系统模型元素。在图3左侧，我们创建一个引用连接（Reference Connection），在模型元素之间建立可跟踪的链接，但不假设任何系统信息。
图3 Syndeia的需求连接方法
另一种方法是图3右侧，模型变换连接（Model Transform Connection），变换Jama或DOORS NG里的需求为对等的SysML需求，并维护两者之间的连接。
图4 SysML序列图，视力障碍乘客场景
引用连接更简单，因为信息没有复制。在Syndeia中，这样的连接可以检查是否有新版本的Jama需求提交。模型变换连接则可以提供更多的建模灵活性，SysML需求可以通过标准关系（例如Satisfy、Verify和Refine依赖）链接到多个其他SysML元素。图4展示一张SysML行为图，描述了视力障碍乘客使用AV的场景。图5展示了SysML模型使用这个场景，通过标准Refine依赖来精化或澄清需求。如果SysML模型显式包括需求，包括需求验证和分解在内的其他任务可以被简化。
图5 用于精化需求的场景
我们假设需求一开始在需求管理工具中生成。图6展示了创建自US DoT（美国交通部）报告, "Automated Driving System 2.0: A Vision for Safety" (September 2017)的部分需求列表。在Jama中被捕获为多层需求模型。每条捕获进Jama的需求都有Name（名称）, ID, Description（描述）和其他属性。图7展示了Jama web浏览器中的需求。注意：DoT报告是建议指南的集合，不是强制的需求，此处只是为了展示。
图6 Jama中的ADS需求模型
图7 Jama web 浏览器中的 "Collision Compatibility（碰撞相容性）" 需求
本例中，我们使用模型变换连接生成SysML需求结构。使用Syndeia可以一步到位。从Jama仓储拖放顶层需求规约DoT ADS Guidelines到MagicDraw模型，可以变换得到完整的4个层次、64个需求结构。每对需求相互连接，以便比较和同步。
图8 使用Syndeia把JIRA Task属性链接到SysML需求
再次使用Syndeia，我们使用SysML需求结构生成JIRA条目的集合，每条需求一条。图8展示了中层的需求规约。每条需求的JIRA条目可以用于项目管理，例如跟踪状态、安排进度和分配人员。本例中使用了引用连接，在SysML需求和JIRA条目之间没有共同的属性。然而，连接允许系统工程师在web浏览器中直接打开SysML模型元素或元素符号的JIRA条目，并为Jama仓储提供间接的反向链接。使用这些连接，我们就完成了图2中TSM架构左侧的工作。
MBSE方法学往往在开发周期早期强制生成功能架构，特别是针对软件为主要组件的信息物理融合系统。本例中，我们生成了12个AV功能，以展示这些功能映射到需求、软件文件和项目管理的方法。它们被建模为MagicDraw中的块（Block），如图9所示。
图9 AV功能架构
可以用同样的方法连接SysML功能块到JIRA条目。顶层块Autonomous_Vehicle_Functions被拖进 JIRA项目，生成13条JIRA新特性，每条通过引用连接链接回SysML功能。JIRA条目可以从功能直接打开。
本例中，正在开发的软件模块在GitHub仓储做配置管理。假设GitHub中的软件文件和SysML中的功能块是独立开发的，我们可以使用Syndeia，通过创建引用连接链接已有元素，如图10所示。
在这个阶段，我们已经连接每个SysML功能块到JIRA条目和一个或多个GitHub文件。为了创建需求和功能之间的连接，我们在MagicDraw中使用SysML的Satisfy依赖，如图11所示。这些关系存储在SysML建模工具中，这个阶段不涉及Syndeia。注意，集合中的一条需求没有Satisfy关系。好的MBSE实践应该跟踪和高亮这些遗漏。
图11 在SysML需求图中映射功能到需求
现在，整个连接架构已经实现了。除了使用这些连接来保持分离的模型一致之外，我们还可以使用它们来提供遍及TSM的跟踪能力。接下来要考虑连接构成的网或图的可视化和搜索。
不同工具的模型元素之间以及模型内部创建的连接，组成了一张图，即节点和边的集合。当图的规模变大时，我们可以利用强有力的新的图形数据库技术来可视化和查询，以获得系统信息的详细路线图以及前所未有的跟踪能力。
图12 MagicDraw、JIRA、Jama和GitHub模型间连接的全局可视化(弦图，Chord Plot)
图13 局部可视化展示SysML"Disability Access"需求的邻近元素
待续……
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