海爾集團(tuán)范紀(jì)青：MathWorks工具為軟件開發(fā)帶來顛覆性創(chuàng)新

人工智能作為引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術(shù)與重要驅(qū)動(dòng)力量，目前已在許多領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了打破傳統(tǒng)和桎梏的變革。而這一新趨勢的出現(xiàn)，主要得益于近年來人工智能算法和模型的發(fā)展。

今年年中，由全球領(lǐng)先的數(shù)學(xué)計(jì)算軟件開發(fā)商MathWorks主辦的2024 MATLAB EXPO中國用戶大會(huì)（北京站）在北京新云南皇冠假日酒店隆重舉行。來自MathWorks、中聯(lián)重科智能技術(shù)有限公司、重慶西山科技股份有限公司、西安電子科技大學(xué)等多位專家學(xué)者、企業(yè)代表和業(yè)界精英出席了本次大會(huì)，并圍繞工業(yè)應(yīng)用中的人工智能、電氣化、建模與仿真、通信、半導(dǎo)體、汽車電子等熱門話題，分享了使用MATLAB和Simulink進(jìn)行人工智能算法開發(fā)和基于模型設(shè)計(jì)的最新趨勢。

作為本次大會(huì)的重磅嘉賓之一，海爾集團(tuán)嵌入式開發(fā)專家范紀(jì)青帶來了題為《基于模型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新開發(fā)模式在家電嵌入式軟件中的應(yīng)用》的主旨演講，以水聯(lián)網(wǎng)家電為例，介紹了海爾智家研發(fā)團(tuán)隊(duì)如何采用基于模型的設(shè)計(jì)，對電控相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行建模，開展基于模型的仿真測試，并利用自動(dòng)代碼生成實(shí)現(xiàn)快速部署，從而在家電行業(yè)日趨激烈的市場競爭環(huán)境下，提升嵌入式軟件的開發(fā)效率與質(zhì)量。

大會(huì)當(dāng)天，21ic有幸采訪了范紀(jì)青和MathWorks中國半導(dǎo)體行業(yè)經(jīng)理與技術(shù)專家陳曉挺，針對軟件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和數(shù)字化開發(fā)，以及軟件新技術(shù)、新應(yīng)用等方向進(jìn)行了深入交流。

圖：海爾集團(tuán)嵌入式開發(fā)專家范紀(jì)青

據(jù)了解，海爾智家是海爾集團(tuán)旗下子公司，目前已連續(xù)5年榮登《財(cái)富》世界500強(qiáng)榜單，并已連續(xù)19年入選世界品牌實(shí)驗(yàn)室中國500最具價(jià)值品牌。而海爾智家之所以能夠在這些年備受市場青睞，主要與專業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和高效的過程開發(fā)密不可分。

據(jù)范紀(jì)青介紹，海爾智家是率先引用MATLAB和Simulink進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)，將虛擬模型作為開發(fā)全程的核心，實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)品性能的家電企業(yè)。對于海爾智家來說，采用基于模型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新開發(fā)模式，不只是一種開發(fā)工具的更換，更是一種設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變。

要知道，傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)流程是一個(gè)文檔驅(qū)動(dòng)的流程，它將整個(gè)軟件開發(fā)過程劃分為順序相接的幾個(gè)階段，每個(gè)階段都必須完成全部規(guī)定的任務(wù)（文檔）后，才能進(jìn)入下一個(gè)階段。這就意味著，只有當(dāng)所有的系統(tǒng)模塊全部開發(fā)完成之后，才能進(jìn)行系統(tǒng)集成。對于一個(gè)由上百個(gè)模塊組的復(fù)雜系統(tǒng)來說，這樣的開發(fā)流程則是一個(gè)非常艱巨而漫長的工作。

“以前我們拿到一個(gè)開發(fā)任務(wù)，上來就是直接寫代碼；但現(xiàn)在要求我們?nèi)プ瞿Ｐ驮O(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完了還要驗(yàn)證，并且還要做數(shù)字化，把軟件分成很多的標(biāo)準(zhǔn)化模塊。這樣的開發(fā)流程不可能只靠1-2個(gè)人完成，所以我們要做一些轉(zhuǎn)變，讓軟件開發(fā)變得更簡單高效?！?范紀(jì)青表示。

相較于傳統(tǒng)的開發(fā)模式，基于模型的設(shè)計(jì)的核心在于開發(fā)全程系統(tǒng)地使用模型，包括需求設(shè)定、系統(tǒng)架構(gòu)建模、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、仿真、自動(dòng)代碼生成，以及驗(yàn)證和確認(rèn)。它不僅可以為復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)提供一種數(shù)學(xué)性的、形象化的方法，還可以補(bǔ)充并支持敏捷開發(fā)實(shí)踐，支持產(chǎn)品和服務(wù)的數(shù)字轉(zhuǎn)型。

據(jù)悉，MATLAB與Simulink配合以支持基于模型的設(shè)計(jì)，可用于多域仿真、自動(dòng)生成代碼，以及嵌入式系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證。其中，MATLAB是數(shù)百萬工程師和科學(xué)家都在使用的編程和數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，不僅支持?jǐn)?shù)據(jù)分析、算法開發(fā)和建模，還支持多種多樣的任務(wù)和應(yīng)用；而Simulink是一款建模、仿真工具，可以提供一個(gè)模塊圖環(huán)境，支持使用多域模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在轉(zhuǎn)至硬件之前進(jìn)行仿真，并且無需編寫代碼即可進(jìn)行部署。

以海爾智家水聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品為例，自從使用MATLAB和Simulink進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)，其軟件開發(fā)便實(shí)現(xiàn)了競爭對手無法匹敵的功能和性能。其中，最大的變化之一就是支持軟硬件解耦，即將軟件和硬件進(jìn)行分離，使其能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試和部署，從而提高了系統(tǒng)的靈活性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。除此之外，基于模型的設(shè)計(jì)還實(shí)現(xiàn)了代碼跨品類通用，為跨職能團(tuán)隊(duì)的多領(lǐng)域工作提供一種通用語言，從而支持和推動(dòng)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

除了設(shè)計(jì)開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中，軟件測試的重要性也是毋庸置疑的。性能測試是一種用于評估軟件系統(tǒng)在特定條件下的性能指標(biāo)的方法，其目的是確保軟件系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的性能要求，并在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行良好。

然而，傳統(tǒng)的測試模型通?；谝?guī)則和手動(dòng)定義的測試用例，這種方法在面對龐大而復(fù)雜的軟件系統(tǒng)時(shí)，往往顯得程序繁瑣、效率低下，且數(shù)據(jù)分析較為單一，而測試覆蓋率也難以達(dá)到理想水平。更重要的是，傳統(tǒng)的測試模型無法兼容多個(gè)儀器，不能根據(jù)測試需求、精度要求等選擇合適的儀器型號(hào)。

為了提高測試模型的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性，海爾智家水聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品在嵌入式測試中引入了MATLAB和Simulink進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，很好地改善了上述情況。

范紀(jì)青指出，與傳統(tǒng)的測試模式相比，我們使用基于模型的測試平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測試，使效率得到了大幅提高，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了測試覆蓋度100%，有效提升了軟件質(zhì)量。

“舉個(gè)例子，一般電熱水器都有‘預(yù)約加熱’功能，用戶設(shè)置預(yù)約時(shí)間通常要求精確至幾時(shí)幾分，僅預(yù)約時(shí)間的設(shè)置就有24h×60min=1440種組合。如果我們手動(dòng)測試至少是15分鐘一次，那么這樣也得需要360個(gè)小時(shí)才能完成。但如果使用模型自動(dòng)化測試，僅需40分鐘即可完成100%覆蓋全域的測試組合，這是傳統(tǒng)測試模式中人工操作無法比擬的。”范紀(jì)青解釋說。

不僅如此，基于模型的系統(tǒng)測試還具有不依賴硬件的特點(diǎn)，而軟件集成后還可對系統(tǒng)軟件進(jìn)行功能驗(yàn)證，并且支持異常條件或場景的測試，比如干燒、短路、斷路等，以便盡早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，提高質(zhì)量水平。

盡管MATLAB和Simulink能夠給系統(tǒng)開發(fā)帶來諸多實(shí)用性改進(jìn)，但這一開發(fā)平臺(tái)的使用門檻還是相對較高的。

在范紀(jì)青看來，從傳統(tǒng)的開發(fā)流程到基于模型的嵌入式軟件開發(fā)流程，其過渡的核心關(guān)鍵是怎么調(diào)整架構(gòu)、如何進(jìn)行物理建模、怎樣有效降低成本等。不過，這些問題通過后天學(xué)習(xí)和深入研究都能得到解決。對于大多數(shù)開發(fā)者與企業(yè)來說，使用這種新型工具，最大的難度其實(shí)在于設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變。

對此，陳曉挺也有著同樣的看法：“雖然家電行業(yè)已經(jīng)較為成熟，但目前仍然面臨著新的市場變化和新的消費(fèi)需求，比如節(jié)能減排對家電技術(shù)指標(biāo)提出了更高要求，使得家電研發(fā)難度增大，軟件算法愈加復(fù)雜，這時(shí)候就需要引入MATLAB和Simulink，因?yàn)閮H靠人工手寫代碼和編程是無法搞定海量數(shù)據(jù)下的算法問題的。但是，很多人都已經(jīng)習(xí)慣了做硬件設(shè)計(jì)，軟件團(tuán)隊(duì)規(guī)模相對較小。如何跳出這種傳統(tǒng)思維模式、轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)理念，是一件很難的事情。”

總之，當(dāng)前使用基于模型的設(shè)計(jì)解決嵌入式軟件開發(fā)難題的國內(nèi)企業(yè)雖然只有少數(shù)幾家，但相信在不久的將來，我們會(huì)看到更多像海爾智家一樣的傳統(tǒng)企業(yè)成功轉(zhuǎn)型的案例。特別是隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，MATLAB和Simulink將在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，為開發(fā)者與企業(yè)帶來更多的便利和價(jià)值。