基于模型的系统工程——自动驾驶汽车（20180928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。

待续……

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