基于MBSE的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究

【摘" 要】隨著汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化以及軟件定義汽車(chē)的發(fā)展，汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電子電氣架構(gòu)（EEA）形態(tài)和開(kāi)發(fā)流程提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)方法難以滿足新型架構(gòu)的開(kāi)發(fā)需求。文章從基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）理論出發(fā)，采用SysML圖形建模語(yǔ)言，針對(duì)新型電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究和實(shí)踐，旨在提高電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本，提升汽車(chē)的整體性能。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)工程；模型；MBSE；電子電氣架構(gòu)

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0094-04

Research on Development and Application of EEA Based on MBSE

【Abstract】With the development of automotive intelligence，networking and software-defined vehicles，automotive electronic and electrical systems are becoming more and more complex，which puts higher requirements on the form and development process of electronic and electrical architecture（EEA）. It is difficult for traditional electronic and electrical architecture development methods to meet the development requirements of new architectures. Based on the theory of model-based Systems Engineering（MBSE），this paper uses SysML graphical modeling language to research and practice the development of new electronic and electrical architecture，aiming at improving the efficiency of the development of electronic and electrical architecture，reducing the development cost and improving the overall performance of vehicles.

【Key words】system engineering；model；MBSE；EEA

隨著汽車(chē)電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化以及軟件定義汽車(chē)的發(fā)展，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)（Electrical and Electronic Architecture，EEA）形態(tài)也在不斷發(fā)展演進(jìn)，從分布式架構(gòu)到域控式架構(gòu)，從跨域融合架構(gòu)到未來(lái)的整車(chē)集中計(jì)算架構(gòu)[1]，同時(shí)日益增加的整車(chē)功能需求使得整車(chē)電子電氣架構(gòu)成為一個(gè)極其復(fù)雜的大系統(tǒng)。電子電氣架構(gòu)作為汽車(chē)開(kāi)發(fā)的頂層設(shè)計(jì)，面對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短以及品質(zhì)要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)基于文本的系統(tǒng)工程（Traditional System Engineering，TSE）使用自然語(yǔ)言描述、傳遞需求和設(shè)計(jì)，可追溯性較差，難以保證復(fù)雜系統(tǒng)需求的準(zhǔn)確傳遞，無(wú)法滿足快速迭代需求。因此基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Base System Engineering，MBSE）是新型電子電氣架構(gòu)正向開(kāi)發(fā)需求和行業(yè)發(fā)展需求和趨勢(shì)。

1" 電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)

1.1" 電子電氣架構(gòu)發(fā)展

隨著近年智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展，目前市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)的使用需求，已經(jīng)逐漸走過(guò)“能用、可靠、可用、易用”的4個(gè)階段，正逐漸向愉悅階段邁進(jìn)。未來(lái)汽車(chē)將聚焦用戶及其使用場(chǎng)景，以“體驗(yàn)愉悅”為核心價(jià)值，對(duì)整車(chē)面向服務(wù)的全域電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求，為整車(chē)電子電氣系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供整車(chē)層面的實(shí)現(xiàn)方案和規(guī)范指導(dǎo)，具備前瞻性、平臺(tái)化、可擴(kuò)展等特點(diǎn)。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外汽車(chē)電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)正在從分布式向集中計(jì)算式新型電子電氣架構(gòu)演進(jìn)[1]，詳見(jiàn)圖1。

1.2" 電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)流程

如圖1所示，對(duì)于分布式電子電氣架構(gòu)，每個(gè)控制模塊ECU實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如車(chē)門(mén)控制器實(shí)現(xiàn)車(chē)窗控制功能，空調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制調(diào)節(jié)功能，尾門(mén)控制器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)尾門(mén)控制等，這種軟硬一體化形態(tài)以部件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)方式清晰明了，容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于新型跨域集中或集中計(jì)算電子電氣架構(gòu)，打破了傳統(tǒng)軟硬一體化的清晰零件邊界，某個(gè)域控或計(jì)算單元可能集中控制多個(gè)不同領(lǐng)域的功能，例如中央計(jì)算單元可以集成車(chē)控控制功能、空調(diào)控制功能、自動(dòng)駐車(chē)功能、自動(dòng)大燈功能等，這種架構(gòu)形態(tài)需要以功能為導(dǎo)向，自上而下正向開(kāi)發(fā)依次包括需求開(kāi)發(fā)、功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及組件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[2]。

2" MBSE發(fā)展及應(yīng)用

2.1" MBSE發(fā)展

目前，MBSE在國(guó)外航空航天、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2007年，國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中，對(duì)基于模型的系統(tǒng)工程MBSE作出如下定義：MBSE是對(duì)復(fù)雜工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，該建模方法用于支持系統(tǒng)的需求、分析、設(shè)計(jì)等一系列活動(dòng)。MBSE方法使用系統(tǒng)建模語(yǔ)言（SysML）來(lái)描述系統(tǒng)架構(gòu)模型，通過(guò)面向?qū)ο蟮膱D形化方式，對(duì)系統(tǒng)底層元素予以表示，并以標(biāo)準(zhǔn)化方式獲取信息。這一過(guò)程，既能便于在復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)管理進(jìn)程中及時(shí)對(duì)信息進(jìn)行更新與維護(hù)，又能提升信息傳遞的準(zhǔn)確性、可追溯性、可共享性以及復(fù)用率[2]。

2.2" MBSE應(yīng)用方法

MBSE工程實(shí)施的3大支柱為建模方法、建模語(yǔ)言和建模工具。系統(tǒng)模型依據(jù)科學(xué)的建模方法，通過(guò)統(tǒng)一的建模語(yǔ)言，應(yīng)用專業(yè)的建模工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建。

2.2.1" MBSE建模方法

MBSE建模方法本質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)MBSE的流程和方法的有機(jī)融合，定義的是如何開(kāi)展建模活動(dòng)以及各個(gè)流程活動(dòng)的輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物，是MBSE實(shí)踐的核心方法論。其明確了如何開(kāi)展建模活動(dòng)，以及各個(gè)流程活動(dòng)的輸入、輸出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物，是MBSE實(shí)踐的核心方法論。當(dāng)下，主流的MBSE建模方法包含Harmony SE方法、Magic Grid方法以及Arcadia方法。

2.2.2" MBSE建模語(yǔ)言

不同于CAD這種物理結(jié)構(gòu)建模，或者是CAE這種基于物理原理的數(shù)學(xué)建模，MBSE關(guān)注的是對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的邏輯層面建模，只有在完成了系統(tǒng)的架構(gòu)建模之后，才能從系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)渡到子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括機(jī)械、軟件等學(xué)科建模設(shè)計(jì)[3]。MBSE主要的建模語(yǔ)言UML/SysML是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。SysML（Systems Modeling Language，系統(tǒng)建模語(yǔ)言）是對(duì)UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言）的擴(kuò)展，定義了包括需求圖、結(jié)構(gòu)圖、行為圖等9種模型圖[4]，詳見(jiàn)圖2。

2.2.3" MBSE建模工具

MBSE建模工具是建模方法和建模語(yǔ)言的承載體，具備對(duì)建模語(yǔ)言中各類元素的可視化呈現(xiàn)功能，同時(shí)依據(jù)建模語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)為這些元素賦予語(yǔ)義。在實(shí)際應(yīng)用中，需依據(jù)建模方法、建模語(yǔ)言以及實(shí)際項(xiàng)目的具體需求，挑選適配的建模工具。在本文的電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)工作里，主要選用EA（Enterprise Architect）和PREEvision建模工具進(jìn)行MBSE開(kāi)發(fā)和實(shí)踐。其中，EA是一款由Sparx Systems公司開(kāi)發(fā)，主要用于系統(tǒng)分析和開(kāi)發(fā)的建模工具；而PREEvision是由Aquintos公司開(kāi)發(fā)的一款專門(mén)用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的專用開(kāi)發(fā)工具。

3" 基于MBSE的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)

在汽車(chē)電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，引入MBSE系統(tǒng)工程方法，并將其與汽車(chē)電子電氣架構(gòu)原有的開(kāi)發(fā)流程相結(jié)合，形成了基于MBSE的汽車(chē)電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)V模型，具體如圖3所示。該模型呈現(xiàn)出獨(dú)特的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，將開(kāi)發(fā)過(guò)程與驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行分層對(duì)應(yīng)。在V模型的左側(cè)，著重體現(xiàn)自上而下的開(kāi)發(fā)流程，依次涵蓋需求模型開(kāi)發(fā)、架構(gòu)模型開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)模型開(kāi)發(fā)以及組件模型開(kāi)發(fā)。這一過(guò)程強(qiáng)調(diào)從整體需求出發(fā)，逐步細(xì)化到各個(gè)組件的設(shè)計(jì)，確保每一層級(jí)的開(kāi)發(fā)都緊密?chē)@上層需求展開(kāi)。而在V模型的右側(cè)，則強(qiáng)調(diào)自底向上的集成、驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程。從底層組件開(kāi)始，逐步向上進(jìn)行集成和驗(yàn)證，通過(guò)層層測(cè)試，確保最終產(chǎn)品能夠滿足頂層設(shè)計(jì)的需求。模型的底部是組件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，這是整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的基礎(chǔ)，也是連接開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究V模型左側(cè)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。基于MBSE的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)過(guò)程，可以滿足整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)需求的追溯和實(shí)現(xiàn)要求。以模型支撐電子電氣架構(gòu)需求和設(shè)計(jì)的傳遞，便于右側(cè)基于模型的模型在環(huán)（Model-In-Loop，MIL）驗(yàn)證[5]。

3.1" 需求模型開(kāi)發(fā)

需求開(kāi)發(fā)主要對(duì)整車(chē)用戶特征、功能需求、性能需求及其他利益相關(guān)者需求進(jìn)行挖掘、分析，同時(shí)，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)SysML建模語(yǔ)言將需求文檔轉(zhuǎn)化為需求模型。以開(kāi)關(guān)控制車(chē)窗升降功能為例，需求場(chǎng)景主要包括：①用戶可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制車(chē)窗；②車(chē)窗可按人的需求上升、下降；③上升過(guò)程中遇到障礙物，需自動(dòng)做出反應(yīng)。通過(guò)EA建模工具，從需求視角和行為視角進(jìn)行模型化處理，如圖4、圖5所示。

3.2" 架構(gòu)模型設(shè)計(jì)

架構(gòu)開(kāi)發(fā)又稱為邏輯功能架構(gòu)開(kāi)發(fā)，是從需求到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵過(guò)程，包括架構(gòu)定義和架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要目的是得到滿足整車(chē)需求的全局最優(yōu)架構(gòu)方案，并根據(jù)該架構(gòu)方案將需求分配到系統(tǒng)層。因此架構(gòu)模型開(kāi)發(fā)體現(xiàn)的主要是邏輯子系統(tǒng)層面的架構(gòu)方案開(kāi)發(fā)及建模。以開(kāi)關(guān)控制車(chē)窗升降功能為例，通過(guò)EA建模工具，從需求視角和行為視角建模。架構(gòu)模型結(jié)構(gòu)如圖6所示，架構(gòu)模型行為如圖7所示。

3.3" 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)指在架構(gòu)模型設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，主要包括子系統(tǒng)劃分及功能分配，詳細(xì)接口定義，使用內(nèi)部塊圖來(lái)描述子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為。以開(kāi)關(guān)控制車(chē)窗升降功能架構(gòu)方案中車(chē)窗升降系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)包含3個(gè)功能塊（Block）：車(chē)窗控制需求管理、車(chē)窗狀態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)檢測(cè)、車(chē)窗動(dòng)作管理和故障診斷。通過(guò)EA建模工具搭建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，詳見(jiàn)圖8，其中詳細(xì)定義了系統(tǒng)內(nèi)功能塊之間的接口定義。而圖9系統(tǒng)模型行為圖則確定了系統(tǒng)功能運(yùn)行邏輯狀態(tài)機(jī)。

3.4" 組件模型設(shè)計(jì)

組件設(shè)計(jì)指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)軟件組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)專用建模工具對(duì)軟件組件的行為和接口進(jìn)行定義和建模。以開(kāi)關(guān)控制車(chē)窗升降功能為例，通過(guò)EA建模工具，對(duì)軟件組件邏輯建模，如圖10所示，用于組件代碼開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

4" 結(jié)論

本文基于MBSE方法論，針對(duì)新型電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)需求，提供了全鏈條的基于模型的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)方法。結(jié)合車(chē)窗控制功能應(yīng)用實(shí)踐，分析車(chē)窗控制的需求、架構(gòu)、系統(tǒng)和組件方案并建立模型，給出最優(yōu)解決方案。研究結(jié)果表明，基于MBSE的電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)能夠較好針對(duì)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)開(kāi)發(fā)各層級(jí)技術(shù)方案和需求的準(zhǔn)確傳遞，提高開(kāi)發(fā)效率并用于模型在環(huán)仿真驗(yàn)證。

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