基于模型设计在航空航天领域的应用价值与案例分享
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Programs have Large Supply Chains…
Lead System Integrator
Creates Specification Requires Models from Supplier
Mission System Integrator
Implements and validates specification Creates System and requires models for subsystems from suppliers
INTEGRATION AND TEST 8
为什么要基于模型设计？ — 先进设计流程的优势
RESEARCH REQUIREMENTS
可执行的需求描述 • 模型化需求描述便于理解并减少歧义 • 模型化需求便于对需求进行分析确认 • 跨学科的系统模型模拟系统整体运行
DESIGN
通过仿真进行模型设计 • 由系统级设计不断细化模型 • 易于实现多轮次迭代，优化设计 • 易于实现模型的共享与重用
自动代码生成 • 专注于设计与算法研究 • 标准化编码，减少人为引入错误 • 代码与模型以及需求的可追溯性
持续性测试与验证 • 尽可能早的发现设计错误 • 不依赖于物理原型 • 测试用例的重用
INTEGRATION
9
如何进行基于模型设计？— Mathworks完整工具链
Requirements
Simulink® Simulink® Verification and ValidationTM (RMI) Stateflow® Simulink® Design VerifierTM(PR)
Link MQ, simulation and verification are performed in one environment. As a result, we can test the design from end to end, improving quality and ensuring design accuracy and validity."
Simulink® Verification and ValidationTM(MC)
Embedded CoderTM (PIL) SystemTestTM
Simulink® Report GeneratorTM (SDD)
Simulink® Verification and ValidationTM(MA)
Models
Continuous Test and Verification
Automatic Code Generation
5
为什么要基于模型设计？ — 技术革新创造价值
Number of bugs found shifts to earlier in development phase
60% 50%
14
洛克希德-马丁 使用Mathoworks工具开发可重构的空间适用数 字信道处理器
―Early 挑战 in the project, the band plans and the requirements for the system changed almost every day,‖ says Watson. ―We needed a process and 设计实现一种可重构空间适用的数字化信道 Artist’s and rendition of one of the satellites that software tools that would enable us to implement a complex design rapidly 不断变更的需求 will carry Lockheed’s digital channelizer. make changes as requirements evolved. ― 效率低下且易出错的验证流程
Component Suppliers
Creates models for components
… and Long Sales Cycles
D源自文库-178B
7
为什么要基于模型设计？ — 传统设计流程的弊端
RESEARCH REQUIREMENTS SPECIFICATIONS
需求文档 • 纸质文档难于理解和分析 • 难于管理需求的变更 • 难于确认需求并进行迭代验证
DESIGN
EDA Electrical Components Algorithm Design MCAD/ MCAE
物理原型 • 不完整而且昂贵 • 无法进行快速迭代设计 • 无法进行系统测试
Embeddable Algorithms
Mechanical Components
手工编码 • 开发时间长，花费大量精力于编码本身 • 容易引入人为错误和分歧 • 重用困难
IMPLEMENTATION C, C++
MCU DSP
VHDL, Verilog Other CAD Tools Other hardware
IMPLEMENTATION
VHDL, Verilog Hardware C/C++ Embedded Software Other components and hardware
传统测试 • 开发晚期才能发现设计和集成中的问题 • 很难在这个阶段进行系统的改进 • 难于建立测试用例与代码和需求间的跟踪关 系
Percent of Bugs Found
40% MBD
30%
20% 10% 0% RQMT DSGN CODE/UT V&V SEI - industry average
MBD
低成 本
高质 量
6
为什么要基于模型设计？— 航空航天领域面临的挑战
经济与政治要求 软件与电子设备的重要性 高可靠性与高安全性 严格苛刻的认证标准 多领域跨学科的复杂系统设计 困难与昂贵的测试与验证 分工与协作 …………
C code
Validate Verify Trace Develop Verification Tools Development Tools
Embedded IDE Link
EOC
Abbreviations PR: Property Proving TG: Test Generation MA: Model Advisor MC: Model Coverage RMI: Requirements Management Interface RTE: Run-Time Error PIL: Processor-in-the-Loop SDD: System Design Description VV: Verification and Validation
方案
band 使用Simulink 对系统建模和仿真 As plans changed, Watson parameterized the algorithms, enabling him to “With Simulink and EDA Simulator 使用 Simulink 建立测试平台 tailor variables to implement a new band plan in a matter of minutes. 通过EDA Simulator Link (HDL Verifier in R2012a) 与 Metor Graphics ModelSim链接来验证VHDL的执行 验证时间减少90% 整体开发周期缩短8个月 通过核心算法的重用使后续项目的工作量节省50%
Environment Models TEST & VERIFICATION Physical Components Algorithms
IMPLEMENTATION C, C++
MCU DSP
VHDL, Verilog Other CAD Tools Other hardware
FPGA
ASIC
INTEGRATION
Polyspace® ( RTE)
Models
Simulink® Report GeneratorTM Embedded CoderTM Simulink® Code InspectorTM Polyspace® (MISRA, RTE) Embedded CoderTM (PIL) SystemTestTM Polyspace® ( RTE) Simulink® Verification and ValidationTM(MC) Simulink® Design VerifierTM(TG)
内容概述
初识基于模型设计——基本介绍
– 什么是基于模型设计？ – 为什么要基于模型设计？ – 如何进行基于模型设计？
感受基于模型设计——真实案例
– – – – Lockheed Martin BAE System Honeywell Cessna Aircraft
总结基于模型设计——应用价值
感受基于模型设计——真实案例
– – – – Lockheed Martin BAE System Honeywell Cessna Aircraft
总结基于模型设计——应用价值
12
Mathworks在航空航天及国防领域典型用户
13
管理需求变更
RESEARCH REQUIREMENTS
DESIGN
10
如何进行基于模型设计？— F-35 JSF飞行控制率开发
• Library files ：+ 266 • Blocks：16,143 • Subsystem：871 • Instances of utility subsystems：998 • Logical code lines：~47,000 • Code files：750
Environment Models TEST & VERIFICATION Physical Components Algorithms
IMPLEMENTATION C, C++
MCU DSP VHDL, Verilog FPGA ASIC Other CAD Tools Other hardware
Bradford Watson Lockheed Martin Space Systems
结果
15
加速设计到实现
RESEARCH REQUIREMENTS
DESIGN
Environment Models TEST & VERIFICATION Physical Components Algorithms
基于模型设计（Model Based Design） 在航空航天领域的应用价值与案例分享
于化龙 MathWorks中国
© 2012 The MathWorks, Inc. 1
猜猜这些著名的系统中有多少行代码?
SBRIS satellite ~25,000 lines of code Aegis missile ~4 million lines of code 787 Dreamliner ~6.5 million lines of code GM Volt ~10 million lines of code
MathWorks 2004 Aerospace User Conference www.mathworks.com/industries/aerospace/miadc/symposium.html
11
内容概述
初识基于模型设计——基本介绍
– 什么是基于模型设计？ – 为什么要基于模型设计？ – 如何进行基于模型设计？
4
什么是基于模型设计？
一种先进的设计理念 一种高效的设计流程
模型成为设计过程的核心
Executable Specifications
1.
2.
3. 4.
可执行且不断细化的需求描述 仿真环境下进行多学科的系统 与算法设计 由模型自动生成代码 贯穿整个开发过程的持续性测 试与验证
Design with Simulation
天基红外系统卫星
波音787 宙斯盾导弹系统 通用电动汽车
2
更多的代码量，更高的复杂度，更多的BUG 更高的成本，进度的拖延，领导的…
Source: Return on Investment for Independent Verification & Validation, NASA, 2004. 3
Lead System Integrator
Creates Specification Requires Models from Supplier
Mission System Integrator
Implements and validates specification Creates System and requires models for subsystems from suppliers
INTEGRATION AND TEST 8
为什么要基于模型设计？ — 先进设计流程的优势
RESEARCH REQUIREMENTS
可执行的需求描述 • 模型化需求描述便于理解并减少歧义 • 模型化需求便于对需求进行分析确认 • 跨学科的系统模型模拟系统整体运行
DESIGN
通过仿真进行模型设计 • 由系统级设计不断细化模型 • 易于实现多轮次迭代，优化设计 • 易于实现模型的共享与重用
自动代码生成 • 专注于设计与算法研究 • 标准化编码，减少人为引入错误 • 代码与模型以及需求的可追溯性
持续性测试与验证 • 尽可能早的发现设计错误 • 不依赖于物理原型 • 测试用例的重用
INTEGRATION
9
如何进行基于模型设计？— Mathworks完整工具链
Requirements
Simulink® Simulink® Verification and ValidationTM (RMI) Stateflow® Simulink® Design VerifierTM(PR)
Link MQ, simulation and verification are performed in one environment. As a result, we can test the design from end to end, improving quality and ensuring design accuracy and validity."
Simulink® Verification and ValidationTM(MC)
Embedded CoderTM (PIL) SystemTestTM
Simulink® Report GeneratorTM (SDD)
Simulink® Verification and ValidationTM(MA)
Models
Continuous Test and Verification
Automatic Code Generation
5
为什么要基于模型设计？ — 技术革新创造价值
Number of bugs found shifts to earlier in development phase
60% 50%
14
洛克希德-马丁 使用Mathoworks工具开发可重构的空间适用数 字信道处理器
―Early 挑战 in the project, the band plans and the requirements for the system changed almost every day,‖ says Watson. ―We needed a process and 设计实现一种可重构空间适用的数字化信道 Artist’s and rendition of one of the satellites that software tools that would enable us to implement a complex design rapidly 不断变更的需求 will carry Lockheed’s digital channelizer. make changes as requirements evolved. ― 效率低下且易出错的验证流程
Component Suppliers
Creates models for components
… and Long Sales Cycles
D源自文库-178B
7
为什么要基于模型设计？ — 传统设计流程的弊端
RESEARCH REQUIREMENTS SPECIFICATIONS
需求文档 • 纸质文档难于理解和分析 • 难于管理需求的变更 • 难于确认需求并进行迭代验证
DESIGN
EDA Electrical Components Algorithm Design MCAD/ MCAE
物理原型 • 不完整而且昂贵 • 无法进行快速迭代设计 • 无法进行系统测试
Embeddable Algorithms
Mechanical Components
手工编码 • 开发时间长，花费大量精力于编码本身 • 容易引入人为错误和分歧 • 重用困难
IMPLEMENTATION C, C++
MCU DSP
VHDL, Verilog Other CAD Tools Other hardware
IMPLEMENTATION
VHDL, Verilog Hardware C/C++ Embedded Software Other components and hardware
传统测试 • 开发晚期才能发现设计和集成中的问题 • 很难在这个阶段进行系统的改进 • 难于建立测试用例与代码和需求间的跟踪关 系
Percent of Bugs Found
40% MBD
30%
20% 10% 0% RQMT DSGN CODE/UT V&V SEI - industry average
MBD
低成 本
高质 量
6
为什么要基于模型设计？— 航空航天领域面临的挑战
经济与政治要求 软件与电子设备的重要性 高可靠性与高安全性 严格苛刻的认证标准 多领域跨学科的复杂系统设计 困难与昂贵的测试与验证 分工与协作 …………
C code
Validate Verify Trace Develop Verification Tools Development Tools
Embedded IDE Link
EOC
Abbreviations PR: Property Proving TG: Test Generation MA: Model Advisor MC: Model Coverage RMI: Requirements Management Interface RTE: Run-Time Error PIL: Processor-in-the-Loop SDD: System Design Description VV: Verification and Validation
方案
band 使用Simulink 对系统建模和仿真 As plans changed, Watson parameterized the algorithms, enabling him to “With Simulink and EDA Simulator 使用 Simulink 建立测试平台 tailor variables to implement a new band plan in a matter of minutes. 通过EDA Simulator Link (HDL Verifier in R2012a) 与 Metor Graphics ModelSim链接来验证VHDL的执行 验证时间减少90% 整体开发周期缩短8个月 通过核心算法的重用使后续项目的工作量节省50%
Environment Models TEST & VERIFICATION Physical Components Algorithms
IMPLEMENTATION C, C++
MCU DSP
VHDL, Verilog Other CAD Tools Other hardware
FPGA
ASIC
INTEGRATION
Polyspace® ( RTE)
Models
Simulink® Report GeneratorTM Embedded CoderTM Simulink® Code InspectorTM Polyspace® (MISRA, RTE) Embedded CoderTM (PIL) SystemTestTM Polyspace® ( RTE) Simulink® Verification and ValidationTM(MC) Simulink® Design VerifierTM(TG)
内容概述
初识基于模型设计——基本介绍
– 什么是基于模型设计？ – 为什么要基于模型设计？ – 如何进行基于模型设计？
感受基于模型设计——真实案例
– – – – Lockheed Martin BAE System Honeywell Cessna Aircraft
总结基于模型设计——应用价值
感受基于模型设计——真实案例
– – – – Lockheed Martin BAE System Honeywell Cessna Aircraft
总结基于模型设计——应用价值
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Mathworks在航空航天及国防领域典型用户
13
管理需求变更
RESEARCH REQUIREMENTS
DESIGN
10
如何进行基于模型设计？— F-35 JSF飞行控制率开发
• Library files ：+ 266 • Blocks：16,143 • Subsystem：871 • Instances of utility subsystems：998 • Logical code lines：~47,000 • Code files：750
Environment Models TEST & VERIFICATION Physical Components Algorithms
IMPLEMENTATION C, C++
MCU DSP VHDL, Verilog FPGA ASIC Other CAD Tools Other hardware
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结果
15
加速设计到实现
RESEARCH REQUIREMENTS
DESIGN
Environment Models TEST & VERIFICATION Physical Components Algorithms
基于模型设计（Model Based Design） 在航空航天领域的应用价值与案例分享
于化龙 MathWorks中国
© 2012 The MathWorks, Inc. 1
猜猜这些著名的系统中有多少行代码?
SBRIS satellite ~25,000 lines of code Aegis missile ~4 million lines of code 787 Dreamliner ~6.5 million lines of code GM Volt ~10 million lines of code
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11
内容概述
初识基于模型设计——基本介绍
– 什么是基于模型设计？ – 为什么要基于模型设计？ – 如何进行基于模型设计？
4
什么是基于模型设计？
一种先进的设计理念 一种高效的设计流程
模型成为设计过程的核心
Executable Specifications
1.
2.
3. 4.
可执行且不断细化的需求描述 仿真环境下进行多学科的系统 与算法设计 由模型自动生成代码 贯穿整个开发过程的持续性测 试与验证
Design with Simulation
天基红外系统卫星
波音787 宙斯盾导弹系统 通用电动汽车
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更多的代码量，更高的复杂度，更多的BUG 更高的成本，进度的拖延，领导的…
Source: Return on Investment for Independent Verification & Validation, NASA, 2004. 3