基于模型的駕駛輔助系統設計與實現

郝玉鍇，文圣豐，吳 云，吳 姣

(1.中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710115；2.西安電子科技大學計算機學院，陜西 西安 710071)

1 引言

當前，電子信息技術、車聯網技術、人工智能技術等紛紛進入汽車制造行業，汽車的智能化發展已成為主要方向，是推進汽車工業發展的重要力量。汽車產品正向智能化方向轉變，智能汽車人機協同是一個迅速發展的方向[1]。智能汽車人機協同控制由感知、決策和執行三個層面構成，主要研究內容包括外部環境感知、內外信息融合、高精度地圖與定位、智能決策與規劃、控制執行、信息安全等技術[2]。由于具有縮短研發周期、提高產品質量、增加可移植性的特點，基于模型的系統工程思想在汽車系統研發中已經得到廣泛的使用。

基于模型的軟件開發(Model-Based Software Development)是一種新穎的軟件開發的方法，原則是在系統工程的維度使用可視化建模語言構建系統模型并將其作為設計的基礎，在過程中通過不斷對系統模型進行的細化和測試來消除其中的錯誤和缺陷，進行系統的設計和驗證，以保障系統設計的正確性和對設計需求的全部覆蓋[3-4]。

SCADE是一種高安全的嵌入式系統開發環境，運用了Correct by Construction的概念，開發環境覆蓋了軟件開發過程中從最初需求到最終可執行代碼和驗證測試的整個流程[5]：需求模型、模型檢查、模型仿真、形式化驗證、代碼自動生成、以及文檔自動生成等，可以有效提高開發效率，解決安全性要求。SCADE在汽車電子、軌道交通、航空航天等領域均有著廣泛的應用，文獻[6]介紹一種軌道交通領域的系統仿真平臺，文獻[7]使用SCADE實現一種地鐵測速測距系統，文獻[8]實現一種聯鎖系統。文獻[9]通過SCADE軟件編寫控制邏輯，實現一種車身控制器，但僅使用了SCADE的功能模型開發功能，未使用基于模型的軟件開發方式進行設計和驗證。

本文對基于模型的軟件開發特點和SCADE高安全嵌入式系統開發的主要工作流程進行研究，使用基于模型的軟件開發方式對一種汽車自動駕駛輔助系統進行了設計與實現，包括架構設計、功能模型設計、用戶界面設計以及聯合仿真和驗證測試，并生成相應軟件文檔和代碼及可執行文件，完成整個系統工程化的過程。

2 基于模型的系統工程

2.1 基于模型的開發特點

基于模型的軟件開發使用專用開發環境，融合統一了設計、開發和測試的過程，可以降低研發成本，縮短研發周期，減少軟件缺陷[10]。開發過程圍繞整個系統模型，通過測試驗證，不斷進行細化、分解和復用，暴露和解決軟件缺陷，提高版本迭代速度[11]，同時使用代碼自動生成技術消除人為編寫代碼過程中可能引入的錯誤。

2.2 基于模型開發過程

2.2.1 圖形化建模

不同于傳統的代碼編寫，基于模型的開發方法通過數據流圖和狀態機圖兩種圖形化的建模方式來實現軟件開發，使得軟件開發人員更關注軟件實現。數據流圖和狀態機圖都具有嚴格的數學語義，可以保證模型設計精確、完整和無二義，并且圖形化編輯方式有助于系統架構設計人員同軟件具體實現人員之間的直接交流[12]。

2.2.2 仿真

在完成圖形化建模后，開發人員通常需要使用仿真器這種調試工具進行從單個模塊開始直到整個系統的模型仿真。仿真過程中可以設置中斷條件和中斷點，查看輸入輸出數據和內部的變量，記錄和快進、快退仿真的場景[13]，還可以對特定數量感興趣的信號變化進行檢查。

2.2.3 嵌入式代碼的自動生成

在完成模型仿真和形式驗證以保證模型的正確性以后，基于模型的開發方法可以面向工程自動生成滿足一系列安全性特征的ANSI C或Ada 83/95語言的嵌入式軟件源代碼。使用工具自動生成的源代碼必然符合編碼標準，比手寫代碼更易于開發人員進行閱讀和維護[14]。

2.3 工程化應用

基于模型的開發方法可以比較方便的與軟件工程中常用的其它工具進行橋接，使之與軟件工程化過程連接更加緊密。例如可以與需求管理工具DOORS進行橋接，把模型自動輸入到DOORS環境中進行需求分析和追蹤，可以與配置管理工具進行橋接，常用的如Telelogic Synergy，MERANT PVCS等，方便導入工具進行軟件配置管理。

3 自動駕駛輔助系統設計

3.1 系統構成

自動駕駛輔助系統附著于汽車系統之上，由智能控制板、汽車操作面板和一些輸入輸出設備構成，用于輔助駕駛員自動操作車輛[15]，如圖1所示。

圖1 自動駕駛輔助系統構成

自動駕駛輔助系統具體包含的組成部分和各自的功能如表1所示。

表1 自動駕駛輔助系統構成表

3.2 架構建模

架構建模的主要工作是要完成系統的軟件架構設計，在基于模型的開發方法中，系統工程師和軟件工程師可以在同一構架下工作，從而避免重復勞動以及系統結構和軟件行為定義之間的偏差。SCADE Architect是一個用于系統設計和建模的集成開發環境，基于SysML和Eclipse標準，可以進行結構系統建模和架構驗證，具有與軟件子系統組件的同步的特點。

根據上述2.1節所述系統構成，建立架構模型如圖2所示。

圖2 自動駕駛輔助系統架構模型

3.3 模型開發

3.3.1 功能模型

自動駕駛輔助系統功能模型采用SCADE Suite完成，Suite基本模塊由Suite Advanced Modeler(高級建模器)、SCADE Suite KCG(SCADE代碼生成器)，以及SCADE Suite Documentation Generator(SCADE模型設計文檔生成器)組成。

根據系統需求，自動駕駛輔助系統共設計21個功能模型[16]，各個模型之間的調用關系如圖3所示。

圖3 自動駕駛輔助系統模型設計和調用關系

Suite使用數據流圖、狀態機圖進行軟件模型的詳細設計，分別適合于連續系統建模和離散系統建模。

數據流圖主要用來實現傳感器采樣、信號處理、復雜的數學邏輯計算、實現各種算法等功能，使用算術、邏輯、時序、條件等操作符，把節點作為功能單元，相互組合形成層次結構，使用圖形的方式建立軟件模型。圖4是自動駕駛輔助系統入口數據流圖，根據2.2節所述系統架構模型定義的輸入輸出接口，實現系統的主控制邏輯。圖中“>—”表示輸入數據接口，“—>”表示輸出數據接口，方框內為封裝的子模型。

圖4 自動駕駛輔助系統入口數據流圖

狀態機圖可以直觀表現控制流和其中的判斷邏輯，狀態機有唯一的初始狀態，狀態中可包含嵌套的狀態機和圖形化或文本化的數據流，在任一周期，一個狀態機內有且只有一個狀態能被激活和執行。

圖5是自動駕駛輔助系統的駕駛模式狀態機圖，駕駛模式分為手動駕駛、自動駕駛和外部事件三個狀態，由三個方框表示，其中自動駕駛又分為自動駕駛介入和自動駕駛暫停狀態，為圖中嵌套的兩個方框，方框之間連接的有向弧線表示狀態的遷移，方框內的內容表示狀態的具體執行內容。相比于使用代碼實現，狀態機圖的軟件實現方式直觀、清晰、方便閱讀。

圖5 自動駕駛輔助系統駕駛模式狀態機圖

3.3.2 顯示模型

使用Display工具完成汽車操作面板設計，Display是一套靈活的面向高安全嵌入式圖形顯示和HMIs的圖形化設計與開發環境，依靠一個硬件加速圖形庫OGLX，完成原型生成、設計仿真、驗證和認證級代碼生成等工作，支持位圖，半透明和紋理，適合于開發多功能顯示、控制面板和數字化儀表等[17]。圖6為自動駕駛輔助系統汽車操作面板設計圖，采用單儀表盤的形式，非均勻的儀表盤設計，考慮用戶的實際需要，正常運行時隱藏告警信息。為了簡化輸入激勵源數據量，對包括轉速和位置在內的一些數據進行關聯處理。

圖6 自動駕駛輔助系統汽車操作面板設計圖

4 系統分析和驗證

4.1 模型驗證

4.1.1 快速原型

在實際工程實踐過程中，嵌入式軟件的開發和驗證階段，不能期望外圍設備已經開發完成，此時進行軟件的分析和驗證時，通常需要模擬外圍設備。Rapid Prototyper是進行快速原型開發的工具，與Display工具不同的是，Rapid Prototyper包含豐富的圖形庫，覆蓋各個領域，方便快速開發，適合作為軟件測試的激勵源，本文用來設計汽車操作激勵輸入面板，從已有的圖形庫中拖拽創建可視化模塊，配置輸入輸出和相關參數，生成并保存快速原型，如圖7所示。圖中，第一排為各類告警信號輸出，第二排為剩余能量和胎壓值輸入，第三排左邊踏板分別為油門和剎車，中間為巡航選擇，右邊為車輛周圍障礙物和交通信號燈輸入。

圖7 自動駕駛輔助系統快速原型激勵源

4.1.2 聯合仿真

在分別通過Suite、Display和Rapid Prototyper完成功能模型實現、操作面板設計和激勵源設計之后，SCADE可以對其進行聯合仿真，即激勵源產生數據后功能模型進行處理并將結果送到操作面板進行顯示。在仿真之前，需要對所有模塊的輸入輸出進行關聯，仿真的過程中可以對任意時刻設置斷點，觀察所有輸入輸出及中間變量的取值和數據流向，進行圖形化的調試和仿真，以驗證整個系統功能的正確性。

4.2 系統測試

在系統測試中，使用SCADE Test對軟件詳細設計模型進行驗證并獲取模型覆蓋率結果。Test是一個提供需求驗證和測試用例創建和管理的完整測試環境，主要用于對模型進行驗證，使模型測試從主機端到目標機端形成完整的自動化測試流程。在主機和目標端為任何SCADE應用程序自動執行測試案例、測量覆蓋范圍和管理測試結果。通過模型覆蓋率分析，驗證模型與需求的一致性，盡可能排除模型設計中的錯誤。模型覆蓋率分析采用DC覆蓋率準則，要求確保節點的所有輸出結果至少被取值一次。

針對需求設計、覆蓋率準則和功能模型，確定根節點，設計相應的測試用例，進行測試并生成測試報告，如圖8所示，整個模型的測試過程需要不斷迭代，最終確保覆蓋率達到100%。

圖8 自動駕駛輔助系統覆蓋率測試報告

4.3 軟件工程化

4.3.1 工程文檔

使用SCADE自動生成軟件文檔，包括架構設計文檔，功能模型詳細設計文檔，用戶界面詳細設計文檔，測試報告等。SCADE LifeCycle主要用于系統、軟件研發生命周期各階段數據的生成和維護、研發流程管理、驗證支持等。包括：全生命周期數據追蹤管理、設計文檔自動生成、支持OSLC(Open Services for Lifecycle Collaboration)協議用于和第三方PLM/ALM工具橋接等。

4.3.2 代碼和可執行文件

經過模擬仿真和測試驗證，SCADE自動生成面向工程的自動駕駛輔助系統C語言嵌入式代碼。本系統生成程序代碼共6147行，

其中有效代碼行數為4300行，占69.9%，注釋行數為1170行，占19%。有32個程序頭文件，22個c程序文件，一個exe可執行文件，可以直接在Windows x64平臺上運行，其它中間文件44個。

5 小結

基于模型的軟件開發是一種新穎的軟件開發的理念和方法，在汽車電子領域有著越來越廣泛的應用。本文：

1)介紹了基于模型的軟件開發的特點，研究了SCADE高安全嵌入式系統開發的主要工作流程。

2)使用基于模型的思想和SCADE工具設計與實現了一種汽車自動駕駛輔助系統，包括進行系統架構設計、系統功能模型設計、系統用戶界面設計。

3)對系統進行聯合仿真和驗證測試，生成相應的軟件文檔和代碼及可執行文件，探索了完整的SCADE的模型化開發方法和工程化過程。