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引言 随着汽车行业的快速发展、行业监管的日益严格以及车企之间竞争的日趋激烈，汽车行业对安全性、自动化、智能化等的要求越来越高，一些新技术，如IoT、自动/辅助驾驶、车联网、新能源动力系统的引入，将汽车产品设计研发的复杂度推向了新高度。 为应对上述挑战，作为汽车行业的领军企业之一，Ford汽车在多年前即引入MBSE解决方案，通过基于模型的方法实现从客户需求、系统设计、系统验证以及功能安全分析等业务活动的紧密集成和闭环追溯。 对于尚处于尝试引入MBSE的国内汽车行业来说，Ford在落地MBSE过程中的一些方案和经验是很好的参考，具备一定的借鉴意义。因此，本文特将相关资料进行搜集、梳理，以供国内车企或其他正在引入/落地MBSE的企业参考。 文章章节安排如下：
1. Ford引入MBSE的动机如前所述，随着汽车行业的快速发展、行业监管的日益严格以及车企之间竞争的日趋激烈，汽车行业对安全性、自动化、智能化等的要求越来越高，一些新技术，如IoT、自动/辅助驾驶、车联网、新能源动力系统的引入，将汽车产品设计研发的复杂度推向了新高度。 根据福特描述（如下图），如今一辆汽车内部，电子控制单元(ECU)数量达到50-70个左右，控制代码大小超过10MB，代码行数超过1500w。为保证如此复杂的系统的开发，功能要求条目将超过5w条，设计规格书超过100w页。这样的复杂程度已经超过了波音777或航天飞机系统的复杂度，且随着技术发展，其复杂度还在上升。 伴随系统复杂度急剧上升，传统基于文档的产品研发方式已经越来越难以实现在确保产品交付周期的同时高质量完成系统设计的任务，一种能够应对此类挑战的新研发方式随之被引入 – 基于模型的系统工程(MBSE)。 2. Ford MBSE应用范围 Ford MBSE的应用，从业务流程上来说，已经实现了从最前端用户需求分析，中间系统架构设计、详细设计，到后端系统多级测试验证的端到端打通，已经将MBSE嵌入到了研发全流程中 从企业业务团队来看，系统工程师、分系统工程师、软硬件开发工程师、功能安全相关工程师，甚至生产阶段业务角色，都通过基于模型的产品数据紧密连接在了一起，所有角色围绕同源的产品数字化模型进行业务活动。 3. 基于模型的系统设计如上所述，在Ford内部，不同的业务角色全部围绕同一套系统模型进行业务活动。因此，在“模型”内部包含了所有与产品研发设计、验证相关的数据，模型复杂度不可避免的提高。 为不破坏系统模型数据完整性，同时又能够保证不同业务人员仍然能够高效率进行设计活动，Ford将模型内部与不同业务团队相关的数据进行划分、打包，以不同视角(View)展现给不同业务团队，这样业务团队只需要处理与自身业务相关的模型数据即可，不同业务团队的数据又最终汇总在同一套系统模型中，如下图所示。 Ford系统模型不同视角(View) 由图中可见，系统模型视角包含用户体验、需求、功能/行为、质量、网络安全、系统架构、安全性、系统量化参数视角。 4. 系统仿真验证系统在不同设计阶段需要进行不同的设计验证，从Ford角度，验证主要分为三个层级：
在模型角度方面看，系统虚拟验证模型主要包含两类：描述模型和分析模型。两种模型在一定程度上存在重叠。 系统虚拟仿真可以实现整车级别的仿真验证，集成了包含Chassis,Powertrain, Electrical, Climate, Thermal/Aero分系统的模型进行集成仿真分析(IVA)。 在系统仿真验证流程方面，主要分为仿真验证规划、仿真模型开发、仿真分析验证三个阶段。其中，在仿真模型开发和仿真分析验证两个流程中间，出现了仿真模型集成工程师(Model Integrator)这个角色。 测试规划模型示例：测试用例与结构&接口的关系矩阵 5. 功能安全 Ford汽车功能安全分析流程(STPA)如下图所示，从具体功能、Hazards出发，分析用例场景、影响因素等，最终获得功能安全要求FSR、网络安全要求Cyber Security、系统控制权限等。
在安全性分析建模方面，主要依托基于SysML扩展的Safety and Reliability Profile实现模型创建，此内容在之前的文章 “MBSE的扩展应用之可靠性分析(Model-Based FMEA) ”中讲到过。
基于SysML的Safety and Reliability Profile内容
FMEA模型示例 另外，福特在模型数据自动化处理方面也进行了探索，比如下图将失效相关信息包含在模型中，然后基于模型数据自动生成P-Diagram。
6. 系统集成 需求管理、系统架构设计、系统详细设计等业务往往使用不同的软件工具进行，而如果要实现基于模型的端到端数字化设计，必须打通这些软件工具之间的数据接口。 为此，Ford基于SysML系统架构设计工具，往前与需求管理工具实现了数据交互，往后与PLM系统实现了工具集成，从而打通了从需求到详细设计端的完整数据追溯。
7. 总结 为应对当前汽车行业产品复杂度急剧增加的研发挑战，Ford引入了MBSE设计方法替代传统基于文本的系统设计方式，使用基于SysML的数字化设计方式，配合软件工具集成和流程重塑，将所有业务团队(需求、设计、安全、验证)数据连接到同一套系统模型中，在这过程中出现了一些新的业务角色(如系统仿真模型集成工程师)。 如今，Ford的岗位招聘要求中，对MBSE、SysML的要求已经越来越常见:
有MBSE要求的岗位搜索结果
有SysML要求的岗位搜索结果 作者: 邹文彬，工业数字化行业咨询顾问，专注MBSE &企业材料数据管理。
1. MBSE Lightning - Autonomous Vehicle development using MBSE. https://www./watch?v=UWu_fxItoek 2. Qamar A, Meinhart M, Walley G. Model based systems engineering to support failure mode avoidance for driver-assistance systems[C]//2017 IEEE Aerospace Conference. IEEE, 2017: 1-9. 3. Biggs G, Juknevicius T, Armonas A, et al. Integrating Safety and Reliability Analysis into MBSE: overview of the new proposed OMG standard[C]//INCOSE International Symposium. 2018, 28(1):1322-1336. 4. Bailey W C, Che J, Tsou P, et al. A Framework for Automated Model Interface Coordination Using SysML[J]. Journal of Computingand Information Science in Engineering, 2018, 18(3): 031010. 5. Post K, Walley G, Che J. Integrating Descriptive Models with an Analytical Model Culture–Lessons Learned at Ford[J].INCOSE IW, 2014. 6. Christopher Davey. Automotive Software Systems Complexity: Challenges and Opportunities [J]. INCOSE IW, 2013. 7. Bailey W. Using model-based methods to support vehicle analysis planning[D]. Georgia Institute of Technology, 2013. |
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