车辆电子信息系统动态综合验证平台建设研究

2017-10-13庞凤颖

车辆与动力技术 2017年3期

关键词：部件动态测试

高明，刘勇，李杰，庞凤颖

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

车辆电子信息系统动态综合验证平台建设研究

高明，刘勇，李杰，庞凤颖

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

车辆电子信息系统采用“设计—生产—试验”传统的研发模式，有很多设计过程中的问题在试验过程中才能被发现，而且解决一个问题可能涉及到多个部件，不仅周期长，而且成本高.针对这个问题，提出了一种建立系统动态综合验证平台的解决方案，在系统设计的每个阶段，同步进行仿真与测试，及时发现问题并解决，以提高车辆电子信息系统设计和测试验证水平.

车辆电子信息系统；动态系统综合；“V”模式

Abstract：Traditionally, the research and development of the vehicle electronic information system was based on the “design-production-test” mode. A lot of problems in the process of design could only be found in the process of test, and the solution to this kind of problems involved more than one component which required not only a long period, but also a high cost. Aiming at this problem, a solution of system dynamic comprehensive verification platform was put forward. At each stage of system design, the simulation is performed simultaneously, and the problems are detected and solved in time. This scheme will improve the design and test level of vehicle electronic information system.

Keywords: vehicle electronic information system; dynamic system integration; V-shape

随着科技的发展，车辆向着信息化、网络化的方向发展，作为承担网络信息传输功能的车辆电子信息系统(简称“车电系统”)的作用显得越来越重要，而且车电系统涉及网络、电子、控制等多个领域，具有高度复杂性、综合性等特点，车电系统设计的好坏关系到车辆的安全性、可靠性、先进性和成本[1].针对传统开发模式中的开发时间长、修改过程复杂、成本高等弊端，同时为了保证车电系统设计的规范性和仿真测试的有效性，采用了科学的“V”模式开发流程.在“V”模式中，设计的每个阶段都通过相应的测试来验证设计的正确性，从而及时发现问题，解决问题，实现快速迭代设计，缩短设计周期.在设计的每个阶段进行测试验证时，需要通过建立的系统动态综合验证平台(即通常“DSI”平台)来对整个车电系统进行单方面和全方面的仿真测试.

1 建立“DSI”平台的必要性

当前先进的复杂电子系统总体设计方法在我国的航空装备科研领域已经得到成熟的应用和推广.通过借鉴并研究，目前已经初步形成一套适用于装甲车辆领域的车电系统的设计方法、设计规范、设计流程，为以后该技术的持续发展提供了一个基础和开端.V模式的开发流程表明，系统的设计与测试验证需要同步进行[2],如图1所示.应用“DSI”平台可以实现车电系统的设计方法和设计流程的具体实施及迭代测试；通过测试，可以逐渐完善车电系统的开发流程，优化车电系统的设计方法.这种设计方法、设计流程贯穿车电系统的总成及零部件的设计及测试的全过程，在设计的不同阶段具有不同的意义.

图1 “V”模式开发流程

1)为车电系统设计方案可行性论证提供测试平台.

以往我们在车电系统研制过程中，很多工作的开展往往以经验决策为主要判断的依据，在方案可行性论证阶段也有所体现.而“DSI”平台将服务于系统的全生命周期，在“DSI”平台上，按照系统方案所描述的任务、功能、人机显示操控等各子系统顶层设计的需求，通过定制的数学仿真模型来模拟车电系统所需要的外部实时环境和交联系统数据源，构建出系统的虚拟架构并实时运行；同时配合可定制变化的人机界面操控台，完成方案阶段系统论证所需要的虚拟仿真环境.根据相关的实际系统需求分析、功能分析和实际显示操控，完成方案的设计、测试、改进、再测试，直至符合设计需求，保证和提高系统设计的正确性和可追溯性，并且可以完成更多项目方案论证的模板化设计和系统知识经验库的存储积累.

2)提供系统软件开发和软硬件集成的测试环境.

在当前的软件开发过程中，整个研制过程的系统软件设计与系统硬件产品研制相对独立，并行开发，直到两部分工作都分别完成，再开展最后的匹配性调试和改进.这种开发设计流程带来的很多遗留问题要最后通过样车试验才能发现，更有一些深层的程序安全隐患要通过后期专门的系统软件测试工作的开展才能发现.

而“DSI”平台可以为系统软件设计开发人员提供了一个真实物理部件的系统模拟环境和测试平台，可以保证软件开发人员在早期程序开发过程中，就具备一个较为完善的系统硬件平台和模拟的系统工作环境.在硬件产品研制完成前，开展系统硬件功能测试和软件功能的测试验证以及各种突发性事件的处理、临界边界条件的处理，完善系统软件开发的设计流程，缩短系统研制周期，从而提高系统可靠性.

3)提供部件功能和性能开发的动态测试环境.

提到部件设计开发也是同系统软件开发一样，存在诸多局限.每个产品部件的研制开发，都围绕着自我部件的功能和需求进行设计，并且在研制的后期，需要进行相应的检测设备设计，以完成对部件的功能和性能的检测.但实际上复杂的功能和多系统综合性问题却无法在一个简单的工装模拟设备中去验证去实现，因此也要在后期的实际车辆环境中去发现去解决，这会带来产品可靠性的下降和特殊条件下工作的不确定性.

“DSI”平台提供的模拟仿真环境，可以为部件的定制化要求提供真实物理接口，提供真实外部激励信号源，提供系统信息流控制管理，提供其他系统部件的实时交互环境，提供系统实时网络架构，保证部件在最接近真实环境的条件下进行相关功能和性能的测试验证，直至满足设计要求，从而完善整个产品的设计流程，减少设计周期，提高产品稳定性.

4)提供通用的系统集成的综合调试环境.

在装车前，进行系统的综合调试主要是验证系统各部件真实物理接口定义的准确性、各部件的物理信号特征满足设计要求的程度、各部件间的信息流的匹配度以及系统并行工作的稳定性.一直以来，我们对复杂系统的装车前技术状态测试验证，都是针对具体型号专门搭建一套系统综合调试环境，通用性不强，开发成本高.而建立的“DSI”平台可以提供一个系统级的综合调试环境，解决了综合调试环境的通用性问题，可以减少开发成本及时间.

5)实现系统级的性能的实时动态仿真.

在当前车电系统研发过程中，由于各种因素的影响，测试验证仅仅是满足于静态下的接口信息验证，对系统功能、性能测试考虑较少，导致车电系统在实际真实车辆环境下，出现一些无法预知的问题，以至于很多偶发的故障问题被忽略或简单化处理，为车辆工作的稳定性带来很多隐患，也影响了整车的可靠性.

车电系统的动态综合仿真可以通过构建的“DSI”平台来实现.根据系统总体设计要求，构建开放式系统架构，按照任务的计划和设定，定制系统动态综合的内容和场景，进行系统全部物理或虚拟节点的实时运行，完成整个系统的任务符合度验证、系统功能验证、信息流程的验证、控制流程的验证，以及乘员显示操控的人机环验证,等等.在实验室内完成了模拟车辆环境下的车电系统的工作，解决设计中存在的多系统匹配兼容问题，解决多系统并行实时触发问题，同时根据试验数据分析，完善系统迭代设计，积累系统设计经验.

6)支持系统的故障排查和故障分析.

“DSI”平台的建立，对整个系统的设计过程的不同阶段所出现的问题和现象，均形成试验数据库加以分类和保存，形成系统设计经验的专家知识库.排查各种故障时，可以通过回放模式、分步执行，查找故障问题关键点，从而确认故障问题的解决方案，形成系统故障模式分析.针对试验过程中或使用中所遇到突发的系统异常故障，可以在“DSI”下模拟，并利用数据库和实时数据分析工具，分析各种故障诱发原因和故障模式，查找系统解决方法并快速验证，确认技术解决方案.这样可以减少系统维护时间，提高系统的可维护性和保障性.

2 “DSI”平台架构组成

经过以上的分析，“DSI”平台可以搭建面向任务的动态仿真综合试验系统，支持基于任务的动态仿真和动态综合测试，为车电系统各个部件提供测试环境和系统集成环境.通过任务规划和分配，搭建战场环境和车辆仿真环境，进行面向不同任务的动态仿真；通过正常模式、故障模式下的数据采集、解析和分析以及乘员界面仿真;验证车电系统的综合功能和性能.

经过研究设计，DSI总体系统架构如图2所示[3-6].

图2 “DSI”平台架构

组成平台架构的各个分系统如下：

1)试验网络.

试验网络是整个平台数据交互的基础媒介，通过以太网定义开放的通信协议，实现各种数据的交互.试验网络从功能上分成控制网络、数据网络.控制网络用于试验总控设备与各个试验设备间的控制指令和状态汇报的传输.数据网络则主要用于试验过程中各设备间的试验数据传输.

2)综合控制台.

综合控制台是“DSI”平台的核心控制单元，是整个试验室的综合操作平台，包括多个工作站和显控终端，负责为试验室操作人员提供人机交互界面和管理软件，实现对试验系统的配置、控制和管理.其中运行的软件包括综合试验状态监控软件、试验流程管理软件、ICD(Interface Control Document，接口控制文件)数据管理软件、硬线管理软件，等等.

3)综合配线系统.

综合配线系统为平台提供试验构型管理能力，通过物理切换的方式实现仿真模型与真实部件的切换，可灵活配置配线控制通道与设备硬线连接接口的映射关系.

4)供电系统.

供电系统为参加试验的所有真实部件设备提供电源信号，并能够对每一路电源信号进行控制和保护.

5)输入输出接口系统.

输入输出接口系统是试验系统与车电系统真实部件设备之间的通讯桥梁，提供数据交互的中间服务和硬件接口资源，实现从系统全数字仿真到半物理仿真的平滑过渡.其中硬件接口包括1553B总线、FlexRay总线、CAN总线、422总线、非总线接口，以及必要的信号调理设备.

6)实时仿真系统.

实时仿真系统是DSI平台的重要组成部分，是整个平台的仿真计算中心.系统采用高性能的仿真服务器，确保所有的仿真模型的实时运行.另外通过仿真监控软件进行人机交互，监控模型变量，控制模型运行.此外，为保证模型顺利集成，提出仿真建模规范，对建模过程进行约束.

7)数据采集监控系统.

数据采集监控系统作为独立的测试工具，在不影响系统中的其他设备的正常工作的情况下，通过硬件板卡或专用设备对数据总线上的数据和各种非总线信号进行实时同步采集，并基于总线类型和ICD协议对这些数据进行自动解析，并且提供不同类型数据的集中显示，提供数据存储和回放.

8)任务计划与战场环境仿真系统.

该系统对战场环境和态势进行仿真，提供作战任务的规划以及人机交互界面，为系统仿真提供环境数据和外部参数，完成对车辆动力学仿真模型和车电系统仿真模型的初始化.

3 “V”模式开发流程在“DSI”平台的应用构思

结合“V”模式开发流程[2]，整个车电系统的设计过程是一种自顶向下和自下向上的混合模式.那么在DSI平台的应用中，其设计过程一般从系统方案设计阶段、单部件设计阶段、系统集成设计阶段和动态仿真综合试验阶段这4个阶段进行具体部署使用.

1)系统方案设计.

系统设计之初的方案设计主要通过建立车辆电子信息系统各个部件的模型来实现的，即通过全数字仿真试验来仿真方案的主要功能、性能、控制逻辑、接口要求，等等.这个阶段需要确定使用的总线，并设计各个总线的连接关系以及接口关系.通过试验不断完善模型的逻辑以及模型间的接口及控制方法，为后续试验奠定基础.

2)单部件设计.

这个阶段单部件调试相当于是一种半实物仿真.所谓的半实物仿真是指在仿真试验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真.在这个阶段，相当于是对单个部件进行功能调试.将任一单部件通过输入输出接口接入系统，其余部件均使用第一阶段验证后的仿真模型，通过对整个系统进行一些动态激励，利用仿真模型监控、总线数据采集监控等多种手段，对单个部件进行接口测试和功能调试.针对试验中发现的问题进行优化改进，逐步完善单个部件的设计.

3)系统集成设计.

所有车电系统的部件完成单个调试后，使用系统集成的方法，将全部车电设备集成并完成系统交联试验，定位并解决出现的问题，对各设备的故障逻辑进行验证.整个系统集成联试是一个反复迭代的过程，在逐步加入真实部件的同时，不断对系统进行测试验证，对试验中发现的问题，及时定位并解决.

4)动态仿真综合试验.

该平台支持车电系统的任务动态综合过程的动态测试试验.动态仿真综合试验就是以整车作战任务为关注核心.试验人员使用任务规划软件，对作战任务和战场环境进行想定，根据任务规划的结果，对战场背景仿真、作战目标仿真、战场威胁仿真、战场通信仿真等进行设置，模拟想定的作战环境，构建外部数据源.根据作战任务的要求，视情况更新车电各个分系统仿真模型和运动学模型，借助主仿真服务器、IO设备和综合配线系统，与所有的真实设备共同组成动态仿真综合试验环境.试验人员使用仿真模型监控、总线监控、配线切换管理、乘员操作界面等工具软件，对车电系统在执行想定的作战任务过程进行测试和评估.