車輛電子信息系統(tǒng)動態(tài)綜合驗證平臺建設研究

高 明， 劉 勇， 李 杰， 龐鳳穎

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

車輛電子信息系統(tǒng)動態(tài)綜合驗證平臺建設研究

高 明， 劉 勇， 李 杰， 龐鳳穎

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

車輛電子信息系統(tǒng)采用“設計—生產(chǎn)—試驗”傳統(tǒng)的研發(fā)模式，有很多設計過程中的問題在試驗過程中才能被發(fā)現(xiàn)，而且解決一個問題可能涉及到多個部件，不僅周期長，而且成本高.針對這個問題，提出了一種建立系統(tǒng)動態(tài)綜合驗證平臺的解決方案，在系統(tǒng)設計的每個階段，同步進行仿真與測試，及時發(fā)現(xiàn)問題并解決，以提高車輛電子信息系統(tǒng)設計和測試驗證水平.

車輛電子信息系統(tǒng)；動態(tài)系統(tǒng)綜合；“V”模式

Abstract：Traditionally, the research and development of the vehicle electronic information system was based on the “design-production-test” mode. A lot of problems in the process of design could only be found in the process of test, and the solution to this kind of problems involved more than one component which required not only a long period, but also a high cost. Aiming at this problem, a solution of system dynamic comprehensive verification platform was put forward. At each stage of system design, the simulation is performed simultaneously, and the problems are detected and solved in time. This scheme will improve the design and test level of vehicle electronic information system.

Keywords: vehicle electronic information system; dynamic system integration; V-shape

隨著科技的發(fā)展，車輛向著信息化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，作為承擔網(wǎng)絡信息傳輸功能的車輛電子信息系統(tǒng)(簡稱“車電系統(tǒng)”)的作用顯得越來越重要，而且車電系統(tǒng)涉及網(wǎng)絡、電子、控制等多個領域，具有高度復雜性、綜合性等特點，車電系統(tǒng)設計的好壞關系到車輛的安全性、可靠性、先進性和成本[1].針對傳統(tǒng)開發(fā)模式中的開發(fā)時間長、修改過程復雜、成本高等弊端，同時為了保證車電系統(tǒng)設計的規(guī)范性和仿真測試的有效性，采用了科學的“V”模式開發(fā)流程.在“V”模式中，設計的每個階段都通過相應的測試來驗證設計的正確性，從而及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，實現(xiàn)快速迭代設計，縮短設計周期.在設計的每個階段進行測試驗證時，需要通過建立的系統(tǒng)動態(tài)綜合驗證平臺(即通常“DSI”平臺)來對整個車電系統(tǒng)進行單方面和全方面的仿真測試.

1 建立“DSI”平臺的必要性

當前先進的復雜電子系統(tǒng)總體設計方法在我國的航空裝備科研領域已經(jīng)得到成熟的應用和推廣.通過借鑒并研究，目前已經(jīng)初步形成一套適用于裝甲車輛領域的車電系統(tǒng)的設計方法、設計規(guī)范、設計流程，為以后該技術的持續(xù)發(fā)展提供了一個基礎和開端.V模式的開發(fā)流程表明，系統(tǒng)的設計與測試驗證需要同步進行[2],如圖1所示.應用“DSI”平臺可以實現(xiàn)車電系統(tǒng)的設計方法和設計流程的具體實施及迭代測試；通過測試，可以逐漸完善車電系統(tǒng)的開發(fā)流程，優(yōu)化車電系統(tǒng)的設計方法.這種設計方法、設計流程貫穿車電系統(tǒng)的總成及零部件的設計及測試的全過程，在設計的不同階段具有不同的意義.

圖1 “V”模式開發(fā)流程

1)為車電系統(tǒng)設計方案可行性論證提供測試平臺.

以往我們在車電系統(tǒng)研制過程中，很多工作的開展往往以經(jīng)驗決策為主要判斷的依據(jù)，在方案可行性論證階段也有所體現(xiàn).而“DSI”平臺將服務于系統(tǒng)的全生命周期，在“DSI”平臺上，按照系統(tǒng)方案所描述的任務、功能、人機顯示操控等各子系統(tǒng)頂層設計的需求，通過定制的數(shù)學仿真模型來模擬車電系統(tǒng)所需要的外部實時環(huán)境和交聯(lián)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，構建出系統(tǒng)的虛擬架構并實時運行；同時配合可定制變化的人機界面操控臺，完成方案階段系統(tǒng)論證所需要的虛擬仿真環(huán)境.根據(jù)相關的實際系統(tǒng)需求分析、功能分析和實際顯示操控，完成方案的設計、測試、改進、再測試，直至符合設計需求，保證和提高系統(tǒng)設計的正確性和可追溯性，并且可以完成更多項目方案論證的模板化設計和系統(tǒng)知識經(jīng)驗庫的存儲積累.

2)提供系統(tǒng)軟件開發(fā)和軟硬件集成的測試環(huán)境.

在當前的軟件開發(fā)過程中，整個研制過程的系統(tǒng)軟件設計與系統(tǒng)硬件產(chǎn)品研制相對獨立，并行開發(fā)，直到兩部分工作都分別完成，再開展最后的匹配性調(diào)試和改進.這種開發(fā)設計流程帶來的很多遺留問題要最后通過樣車試驗才能發(fā)現(xiàn)，更有一些深層的程序安全隱患要通過后期專門的系統(tǒng)軟件測試工作的開展才能發(fā)現(xiàn).

而“DSI”平臺可以為系統(tǒng)軟件設計開發(fā)人員提供了一個真實物理部件的系統(tǒng)模擬環(huán)境和測試平臺，可以保證軟件開發(fā)人員在早期程序開發(fā)過程中，就具備一個較為完善的系統(tǒng)硬件平臺和模擬的系統(tǒng)工作環(huán)境.在硬件產(chǎn)品研制完成前，開展系統(tǒng)硬件功能測試和軟件功能的測試驗證以及各種突發(fā)性事件的處理、臨界邊界條件的處理，完善系統(tǒng)軟件開發(fā)的設計流程，縮短系統(tǒng)研制周期，從而提高系統(tǒng)可靠性.

3)提供部件功能和性能開發(fā)的動態(tài)測試環(huán)境.

提到部件設計開發(fā)也是同系統(tǒng)軟件開發(fā)一樣，存在諸多局限.每個產(chǎn)品部件的研制開發(fā)，都圍繞著自我部件的功能和需求進行設計，并且在研制的后期，需要進行相應的檢測設備設計，以完成對部件的功能和性能的檢測.但實際上復雜的功能和多系統(tǒng)綜合性問題卻無法在一個簡單的工裝模擬設備中去驗證去實現(xiàn)，因此也要在后期的實際車輛環(huán)境中去發(fā)現(xiàn)去解決，這會帶來產(chǎn)品可靠性的下降和特殊條件下工作的不確定性.

“DSI”平臺提供的模擬仿真環(huán)境，可以為部件的定制化要求提供真實物理接口，提供真實外部激勵信號源，提供系統(tǒng)信息流控制管理，提供其他系統(tǒng)部件的實時交互環(huán)境，提供系統(tǒng)實時網(wǎng)絡架構，保證部件在最接近真實環(huán)境的條件下進行相關功能和性能的測試驗證，直至滿足設計要求，從而完善整個產(chǎn)品的設計流程，減少設計周期，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性.

4)提供通用的系統(tǒng)集成的綜合調(diào)試環(huán)境.

在裝車前，進行系統(tǒng)的綜合調(diào)試主要是驗證系統(tǒng)各部件真實物理接口定義的準確性、各部件的物理信號特征滿足設計要求的程度、各部件間的信息流的匹配度以及系統(tǒng)并行工作的穩(wěn)定性.一直以來，我們對復雜系統(tǒng)的裝車前技術狀態(tài)測試驗證，都是針對具體型號專門搭建一套系統(tǒng)綜合調(diào)試環(huán)境，通用性不強，開發(fā)成本高.而建立的“DSI”平臺可以提供一個系統(tǒng)級的綜合調(diào)試環(huán)境，解決了綜合調(diào)試環(huán)境的通用性問題，可以減少開發(fā)成本及時間.

5)實現(xiàn)系統(tǒng)級的性能的實時動態(tài)仿真.

在當前車電系統(tǒng)研發(fā)過程中，由于各種因素的影響，測試驗證僅僅是滿足于靜態(tài)下的接口信息驗證，對系統(tǒng)功能、性能測試考慮較少，導致車電系統(tǒng)在實際真實車輛環(huán)境下，出現(xiàn)一些無法預知的問題，以至于很多偶發(fā)的故障問題被忽略或簡單化處理，為車輛工作的穩(wěn)定性帶來很多隱患，也影響了整車的可靠性.

車電系統(tǒng)的動態(tài)綜合仿真可以通過構建的“DSI”平臺來實現(xiàn).根據(jù)系統(tǒng)總體設計要求，構建開放式系統(tǒng)架構，按照任務的計劃和設定，定制系統(tǒng)動態(tài)綜合的內(nèi)容和場景，進行系統(tǒng)全部物理或虛擬節(jié)點的實時運行，完成整個系統(tǒng)的任務符合度驗證、系統(tǒng)功能驗證、信息流程的驗證、控制流程的驗證，以及乘員顯示操控的人機環(huán)驗證,等等.在實驗室內(nèi)完成了模擬車輛環(huán)境下的車電系統(tǒng)的工作，解決設計中存在的多系統(tǒng)匹配兼容問題，解決多系統(tǒng)并行實時觸發(fā)問題，同時根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，完善系統(tǒng)迭代設計，積累系統(tǒng)設計經(jīng)驗.

6)支持系統(tǒng)的故障排查和故障分析.

“DSI”平臺的建立，對整個系統(tǒng)的設計過程的不同階段所出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象，均形成試驗數(shù)據(jù)庫加以分類和保存，形成系統(tǒng)設計經(jīng)驗的專家知識庫.排查各種故障時，可以通過回放模式、分步執(zhí)行，查找故障問題關鍵點，從而確認故障問題的解決方案，形成系統(tǒng)故障模式分析.針對試驗過程中或使用中所遇到突發(fā)的系統(tǒng)異常故障，可以在“DSI”下模擬，并利用數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)分析工具，分析各種故障誘發(fā)原因和故障模式，查找系統(tǒng)解決方法并快速驗證，確認技術解決方案.這樣可以減少系統(tǒng)維護時間，提高系統(tǒng)的可維護性和保障性.

2 “DSI”平臺架構組成

經(jīng)過以上的分析，“DSI”平臺可以搭建面向任務的動態(tài)仿真綜合試驗系統(tǒng)，支持基于任務的動態(tài)仿真和動態(tài)綜合測試，為車電系統(tǒng)各個部件提供測試環(huán)境和系統(tǒng)集成環(huán)境.通過任務規(guī)劃和分配，搭建戰(zhàn)場環(huán)境和車輛仿真環(huán)境，進行面向不同任務的動態(tài)仿真；通過正常模式、故障模式下的數(shù)據(jù)采集、解析和分析以及乘員界面仿真;驗證車電系統(tǒng)的綜合功能和性能.

經(jīng)過研究設計，DSI總體系統(tǒng)架構如圖2所示[3-6].

圖2 “DSI”平臺架構

組成平臺架構的各個分系統(tǒng)如下：

1)試驗網(wǎng)絡.

試驗網(wǎng)絡是整個平臺數(shù)據(jù)交互的基礎媒介，通過以太網(wǎng)定義開放的通信協(xié)議，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的交互.試驗網(wǎng)絡從功能上分成控制網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡.控制網(wǎng)絡用于試驗總控設備與各個試驗設備間的控制指令和狀態(tài)匯報的傳輸.數(shù)據(jù)網(wǎng)絡則主要用于試驗過程中各設備間的試驗數(shù)據(jù)傳輸.

2)綜合控制臺.

綜合控制臺是“DSI”平臺的核心控制單元，是整個試驗室的綜合操作平臺，包括多個工作站和顯控終端，負責為試驗室操作人員提供人機交互界面和管理軟件，實現(xiàn)對試驗系統(tǒng)的配置、控制和管理.其中運行的軟件包括綜合試驗狀態(tài)監(jiān)控軟件、試驗流程管理軟件、ICD(Interface Control Document，接口控制文件)數(shù)據(jù)管理軟件、硬線管理軟件，等等.

3)綜合配線系統(tǒng).

綜合配線系統(tǒng)為平臺提供試驗構型管理能力，通過物理切換的方式實現(xiàn)仿真模型與真實部件的切換，可靈活配置配線控制通道與設備硬線連接接口的映射關系.

4)供電系統(tǒng).

供電系統(tǒng)為參加試驗的所有真實部件設備提供電源信號，并能夠對每一路電源信號進行控制和保護.

5)輸入輸出接口系統(tǒng).

輸入輸出接口系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)與車電系統(tǒng)真實部件設備之間的通訊橋梁，提供數(shù)據(jù)交互的中間服務和硬件接口資源，實現(xiàn)從系統(tǒng)全數(shù)字仿真到半物理仿真的平滑過渡.其中硬件接口包括1553B總線、FlexRay總線、CAN總線、422總線、非總線接口，以及必要的信號調(diào)理設備.

6)實時仿真系統(tǒng).

實時仿真系統(tǒng)是DSI平臺的重要組成部分，是整個平臺的仿真計算中心.系統(tǒng)采用高性能的仿真服務器，確保所有的仿真模型的實時運行.另外通過仿真監(jiān)控軟件進行人機交互，監(jiān)控模型變量，控制模型運行.此外，為保證模型順利集成，提出仿真建模規(guī)范，對建模過程進行約束.

7)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng).

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)作為獨立的測試工具，在不影響系統(tǒng)中的其他設備的正常工作的情況下，通過硬件板卡或專用設備對數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)和各種非總線信號進行實時同步采集，并基于總線類型和ICD協(xié)議對這些數(shù)據(jù)進行自動解析，并且提供不同類型數(shù)據(jù)的集中顯示，提供數(shù)據(jù)存儲和回放.

8)任務計劃與戰(zhàn)場環(huán)境仿真系統(tǒng).

該系統(tǒng)對戰(zhàn)場環(huán)境和態(tài)勢進行仿真，提供作戰(zhàn)任務的規(guī)劃以及人機交互界面，為系統(tǒng)仿真提供環(huán)境數(shù)據(jù)和外部參數(shù)，完成對車輛動力學仿真模型和車電系統(tǒng)仿真模型的初始化.

3 “V”模式開發(fā)流程在“DSI”平臺的應用構思

結合“V”模式開發(fā)流程[2]，整個車電系統(tǒng)的設計過程是一種自頂向下和自下向上的混合模式.那么在DSI平臺的應用中，其設計過程一般從系統(tǒng)方案設計階段、單部件設計階段、系統(tǒng)集成設計階段和動態(tài)仿真綜合試驗階段這4個階段進行具體部署使用.

1)系統(tǒng)方案設計.

系統(tǒng)設計之初的方案設計主要通過建立車輛電子信息系統(tǒng)各個部件的模型來實現(xiàn)的，即通過全數(shù)字仿真試驗來仿真方案的主要功能、性能、控制邏輯、接口要求，等等.這個階段需要確定使用的總線，并設計各個總線的連接關系以及接口關系.通過試驗不斷完善模型的邏輯以及模型間的接口及控制方法，為后續(xù)試驗奠定基礎.

2)單部件設計.

這個階段單部件調(diào)試相當于是一種半實物仿真.所謂的半實物仿真是指在仿真試驗系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實物的實時仿真.在這個階段，相當于是對單個部件進行功能調(diào)試.將任一單部件通過輸入輸出接口接入系統(tǒng)，其余部件均使用第一階段驗證后的仿真模型，通過對整個系統(tǒng)進行一些動態(tài)激勵，利用仿真模型監(jiān)控、總線數(shù)據(jù)采集監(jiān)控等多種手段，對單個部件進行接口測試和功能調(diào)試.針對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行優(yōu)化改進，逐步完善單個部件的設計.

3)系統(tǒng)集成設計.

所有車電系統(tǒng)的部件完成單個調(diào)試后，使用系統(tǒng)集成的方法，將全部車電設備集成并完成系統(tǒng)交聯(lián)試驗，定位并解決出現(xiàn)的問題，對各設備的故障邏輯進行驗證.整個系統(tǒng)集成聯(lián)試是一個反復迭代的過程，在逐步加入真實部件的同時，不斷對系統(tǒng)進行測試驗證，對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，及時定位并解決.

4)動態(tài)仿真綜合試驗.

該平臺支持車電系統(tǒng)的任務動態(tài)綜合過程的動態(tài)測試試驗.動態(tài)仿真綜合試驗就是以整車作戰(zhàn)任務為關注核心.試驗人員使用任務規(guī)劃軟件，對作戰(zhàn)任務和戰(zhàn)場環(huán)境進行想定，根據(jù)任務規(guī)劃的結果，對戰(zhàn)場背景仿真、作戰(zhàn)目標仿真、戰(zhàn)場威脅仿真、戰(zhàn)場通信仿真等進行設置，模擬想定的作戰(zhàn)環(huán)境，構建外部數(shù)據(jù)源.根據(jù)作戰(zhàn)任務的要求，視情況更新車電各個分系統(tǒng)仿真模型和運動學模型，借助主仿真服務器、IO設備和綜合配線系統(tǒng)，與所有的真實設備共同組成動態(tài)仿真綜合試驗環(huán)境.試驗人員使用仿真模型監(jiān)控、總線監(jiān)控、配線切換管理、乘員操作界面等工具軟件，對車電系統(tǒng)在執(zhí)行想定的作戰(zhàn)任務過程進行測試和評估.

4 結束語

通過分析車電系統(tǒng)動態(tài)綜合驗證平臺構建的必要性，針對傳統(tǒng)研發(fā)模式的弊端，提出了一種系統(tǒng)動態(tài)綜合驗證平臺的系統(tǒng)架構，該平臺架構具有如下特點：

1)該架構在管理軟件方面是通用的，只需要針對不同型號，配置不同的模型即可，通用性強，從而減少了開發(fā)成本.

2)該架構加入了系統(tǒng)動態(tài)綜合測試方法，借助仿真的手段，為被測部件構建虛擬的動態(tài)外部環(huán)境，以考察其在實際工作場景中的運行情況.

3)該架構最大特點是可以進行模型與真實部件的切換.在系統(tǒng)集成過程中，通過真實部件的迭代替換，充分暴露不同層級的問題，確保整個系統(tǒng)集成的順利完成.

該架構的提出符合未來車電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，有利于提升車電系統(tǒng)的研發(fā)及驗證水平，對于整車動態(tài)驗證平臺的開發(fā)具有指導意義.但是該架構在具體實施時仍有待改進，希望在后續(xù)的工作中，積極改進，完善系統(tǒng)，并且在實際應用中取得應有的效果，為車電系統(tǒng)的研發(fā)真正帶來方便.

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ResearchonDynamicComprehensiveVerificationPlatformConstructionforVehicleElectronicInformationSystem

GAO Ming, LIU Yong, LI Jie, PANG Feng-ying

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

U270.38+2

A

1009-4687(2017)03-0059-05

2017-06-02.

高 明(1993-),男,碩士研究生，研究生方向為車輛電子信息系統(tǒng).