利用MATLAB重塑汽車軟件開發(fā)體系

軟件定義汽車帶來的，不僅僅是消費(fèi)者所能接觸到汽車最終形態(tài)上的體驗(yàn)升級(jí)，背后是整個(gè)汽車開發(fā)行業(yè)生態(tài)的革命。系統(tǒng)工程、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、虛擬車輛、軟件工廠...面對(duì)如此多的全新技術(shù)趨勢(shì)和應(yīng)用升級(jí)，行業(yè)需要一個(gè)統(tǒng)一的開放的平臺(tái)能夠?qū)⑺胁煌募夹g(shù)和開發(fā)人員都集合在一起，加速實(shí)現(xiàn)虛擬車輛的仿真和開發(fā)，包括后期車輛運(yùn)營(yíng)過程中的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。

在近期召開的 2022 MathWorks中國(guó)汽車年會(huì)上，MathWorks中國(guó)區(qū)汽車技術(shù)經(jīng)理董淑成和我們分享了軟件定義汽車的挑戰(zhàn)，以及如何實(shí)現(xiàn)汽車軟件開發(fā)體系的重構(gòu)。

軟件定義汽車：汽車行業(yè)的第二次數(shù)字化轉(zhuǎn)型

縱觀整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展歷史，大致有兩次重要的數(shù)字轉(zhuǎn)型階段。第一次是“軟件提升硬件”，最早的應(yīng)用在于發(fā)動(dòng)機(jī)控制上，實(shí)現(xiàn)更少的排放。隨后一些和安全、性能相關(guān)的零部件，也通過軟件疊加電子電器硬件的方式去提升車輛性能。

早在20年前，很多軟件開發(fā)還是基于匯編語言的，對(duì)于機(jī)械背景的汽車工程師而言，相關(guān)的軟件開發(fā)工作非常生疏，開發(fā)難度極大。此外從設(shè)計(jì)上來看，很多利益相關(guān)方?jīng)]法進(jìn)行有效的溝通和評(píng)審，到了實(shí)現(xiàn)過程中才發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致修復(fù)成本極高。

也正是面臨著第一次數(shù)字轉(zhuǎn)型中出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，在那個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，“基于模型的設(shè)計(jì)”開始被引入到了汽車開發(fā)過程中來，將整個(gè)開發(fā)體系進(jìn)行了提升。開發(fā)者可以使用模型，用圖形化的方式去構(gòu)建算法；在Simulink平臺(tái)上進(jìn)行仿真，做一些提前測(cè)試；一些圖形化的算法可以直接被轉(zhuǎn)換成代碼，大大降低軟件開發(fā)的門檻，讓汽車背景的工程師也可以從事汽車行業(yè)的軟件開發(fā)工作。

而今，我們來到了汽車行業(yè)的第二次的數(shù)字化轉(zhuǎn)型期，也就是“軟件定義汽車”。這時(shí)候的汽車，軟件的價(jià)值變得更大，甚至可能會(huì)超越汽車本身的機(jī)械價(jià)值。汽車被稱為四個(gè)輪子上的手機(jī)，一些整車廠甚至公開表示已經(jīng)成為了一家軟件公司。電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化的技術(shù)變革給汽車開發(fā)體系提出了新的挑戰(zhàn)。

董淑成表示，軟件定義汽車的關(guān)鍵在于整合系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程和軟件開發(fā)的能力，將敏捷開發(fā)融入到汽車V字型開發(fā)中，推動(dòng)軟件的標(biāo)準(zhǔn)化自動(dòng)化，集成模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流程，從而應(yīng)對(duì)第二次數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來的挑戰(zhàn)。通過系統(tǒng)工程、軟件工廠和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，疊加在一起實(shí)現(xiàn)虛擬車輛概念的真正落地。這里提到的虛擬車輛，并不僅僅是局限于汽車部分功能的實(shí)現(xiàn)，而是將模型仿真度提高，例如虛擬標(biāo)定，從參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)性能提升。

整合系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)，重塑汽車軟件開發(fā)體系

在智能汽車、新能源汽車領(lǐng)域，中國(guó)已經(jīng)走在了世界前列。此前汽車行業(yè)中為人詬病的軟件成熟度的問題，已經(jīng)在近十年得到了很大的提升。下一步的關(guān)鍵第一在于優(yōu)化開發(fā)流程，提高開發(fā)效率，提高成本優(yōu)勢(shì)；第二，通過優(yōu)化算法來提高產(chǎn)品性能。

【將系統(tǒng)工程的范圍擴(kuò)大】

系統(tǒng)工程是為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的一門學(xué)科，針對(duì)汽車的系統(tǒng)工程，我們期望系統(tǒng)功能能夠解決的不僅僅是技術(shù)問題，還要包括一些更高級(jí)別的目標(biāo)。這些更高的目標(biāo)包括例交付周期、開發(fā)費(fèi)用、后市場(chǎng)需求、盈利狀況等等。基于當(dāng)前的系統(tǒng)工程需求，MathWorks擴(kuò)大了“系統(tǒng)”的范圍，系統(tǒng)工程開發(fā)從MBD升級(jí)到了MBSE。

MBD更多側(cè)重軟件開發(fā)，而MBSE則是針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)。如上圖所示，MBD包括子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)實(shí)施兩個(gè)部分；而MBSE則將范圍擴(kuò)大，把系統(tǒng)需求、系統(tǒng)功能和架構(gòu)、系統(tǒng)集成和認(rèn)證、開發(fā)和維護(hù)都涵蓋了進(jìn)來。董淑成表示，系統(tǒng)工程師可以從不同的維度去看這個(gè)模型，不同的部門從不同的維度使用這個(gè)模型。

【汽車軟件：敏捷開發(fā)融合和DevOps】

具備持續(xù)快速交付高質(zhì)量軟件的能力，是汽車軟件工廠存在的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的汽車研發(fā)周期可能有5年之久，而今業(yè)界已經(jīng)壓縮到了1～2年的時(shí)間，這對(duì)于軟件的開發(fā)和交付提出了更高的要求。在IT行業(yè)中常見的敏捷開發(fā)的方式，也開始融合進(jìn)了汽車行業(yè)的V字型開發(fā)中。

另一個(gè)汽車軟件方面的重要趨勢(shì)是開發(fā)運(yùn)營(yíng)（DevOps），也就是一邊開發(fā)一邊運(yùn)營(yíng)，將運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生的運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋回開發(fā)階段，實(shí)現(xiàn)軟件的不停迭代。

MathWorks在軟件工廠中提供了非常全面的開發(fā)支持，例如從算法開發(fā)層面，Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真；在測(cè)試層面提供各種測(cè)試工具給開發(fā)者進(jìn)行模型和代碼測(cè)試；在后期運(yùn)營(yíng)層面提供云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的算法支持。

董淑成表示，很多車企已經(jīng)開始了持續(xù)集成（CI）、持續(xù)交付（CD）的過程，走的更快的已經(jīng)開始做開發(fā)運(yùn)營(yíng)（DevOps）。

MATLAB特點(diǎn)在于可以提供豐富的API接口，所有的操作幾乎都可以有API接口去調(diào)用。這意味著在CI/CD的過程中，開發(fā)者可以通過已經(jīng)寫好的一些過程描述和腳本，去調(diào)用MATLAB執(zhí)行一些操作。而通過Simulink實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)計(jì)，圖形化的設(shè)計(jì)可以更方便不同團(tuán)隊(duì)之間交流，實(shí)現(xiàn)早期快速驗(yàn)證和代碼生成。這都極大地推動(dòng)了CI/CD，以及DevOps的發(fā)展。

【AI算法集成賦能系統(tǒng)開發(fā)】

目前一輛智能汽車一天就可以產(chǎn)生幾個(gè)T的數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效挖掘是行業(yè)關(guān)心的話題。面對(duì)大量數(shù)據(jù)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特質(zhì)提取、數(shù)據(jù)建模和人工智能算法的訓(xùn)練和部署，是能否實(shí)現(xiàn)成功的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵。掌握數(shù)據(jù)優(yōu)化的能力，訓(xùn)練自己的AI算法模型，是車廠和汽車服務(wù)商未來的競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。

作為一款數(shù)學(xué)軟件，MATLAB在數(shù)據(jù)處理上有著天然優(yōu)勢(shì)。MATLAB提供了端到端的工作流程，從數(shù)據(jù)預(yù)處理到AI建模、仿真測(cè)試和算法部署一整套的流程。

其中算法部署是值得稱贊的一個(gè)特點(diǎn)，它可以推動(dòng)軟硬件解耦趨勢(shì)發(fā)展。開發(fā)者只需關(guān)注算法開發(fā)的工作，MathWorks可以將算法自動(dòng)生成符合特定硬件平臺(tái)或云平臺(tái)的代碼類型。不論是MCU、CPU、GPU、FPGA或是服務(wù)器，都可以自動(dòng)生成與之相應(yīng)的代碼。

【虛擬車輛：建立仿真車輛的完整功能行為】

前文已經(jīng)提到，虛擬車輛的概念已經(jīng)不僅僅是部分功能的驗(yàn)證，更重要的是通過優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)汽車性能的提升。所謂虛擬車輛指的是讓功能設(shè)計(jì)者能夠在幾分鐘內(nèi)，以適當(dāng)?shù)脑敿?xì)程度集成系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)創(chuàng)建出一輛虛擬車輛，用于對(duì)功能進(jìn)行仿真，從而開展原型設(shè)計(jì)、虛擬標(biāo)定和虛擬驗(yàn)證。

一個(gè)強(qiáng)大的仿真平臺(tái)，是虛擬車輛的核心。MATLAB提供了豐富的即用功能、多樣的開放接口，通過仿真實(shí)現(xiàn)最大程度的流程前置。

據(jù)悉，近年來MathWorks提供了如動(dòng)力總成工具箱、車輛動(dòng)力學(xué)工具箱等，幫助開發(fā)者快速構(gòu)建車輛模型。對(duì)于一些非常專業(yè)的子系統(tǒng)，如果用戶想進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)，也可以使用Simscape去做更詳細(xì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)Simulink平臺(tái)還可以去集成其他的建模仿真軟件，如下圖所示，基本上汽車行業(yè)內(nèi)大部分仿真軟件都可以集成到Simulink平臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)車輛仿真，構(gòu)建一個(gè)虛擬車輛出來。

總結(jié)

在當(dāng)下軟件定義汽車的發(fā)展趨勢(shì)下，芯片廠商、Tier1供應(yīng)商以及主機(jī)廠，都已經(jīng)使用MathWorks提供基于MATLAB和Simulink的平臺(tái)開發(fā)了非常多實(shí)際案例。汽車的第二次數(shù)字化轉(zhuǎn)型，要將系統(tǒng)、軟件和數(shù)據(jù)集成在一起，構(gòu)建虛擬車輛的仿真。這種汽車開發(fā)體系的革命，需要一個(gè)功能齊全的、可擴(kuò)展、能夠覆蓋完整流程的軟件平臺(tái)支持。MathWorks已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，并且將持續(xù)提供更多的功能升級(jí)和工具箱，和汽車行業(yè)的不同參與者，共同完成汽車行業(yè)第二次數(shù)字化轉(zhuǎn)型。