系統(tǒng)架構
關注創(chuàng)建者：陳斌華 創(chuàng)建時間：2015-07-15
系統(tǒng)架構的視頻教程
系統(tǒng)架構的實例教程
空空導彈系統(tǒng)是一個涉及機械、控制、電子、液壓和軟件等多種領域的復雜大系統(tǒng)[1,2]。傳統(tǒng)的空空導彈設計方法是一種文檔驅動式設計方法，主要包括系統(tǒng)方案設計、系統(tǒng)詳細設計、系統(tǒng)軟硬件聯(lián)調、系統(tǒng)驗證分析等多個步驟。隨著航空技術的發(fā)展，當前空空導彈設計方法轉變?yōu)榛谖臋n和數(shù)字化模型混合的設計方法，但其本質上還是文檔驅動式的設計方法。該方法各階段的設計成果均為文字、圖表等文檔，導致在各階段之間傳遞的信息也是各種文檔，造成了設計方案表達不充分、信息表達的二義性、領域設計之間存在鴻溝、文檔的不可執(zhí)行性以及軟件測試工作量大等缺點。近年來，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）技術越來越得到工業(yè)界的認可[3-5]，MBSE 是系統(tǒng)設計工作通過數(shù)字化設計手段的實現(xiàn)，因此在工作流程上與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程并無太大差異，仍然分為需求分析、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計三個步驟[6-8]。MBSE與傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法主要的區(qū)別是利用模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的文檔方式，模型具有的唯一性和可執(zhí)行性是其最大的特點。基于此，本文引入基于SysML的系統(tǒng)架構建模方法[9,10]，在方案設計階段利用基于MBSE的設計方法對空空導彈系統(tǒng)架構進行建模，并對不同系統(tǒng)架構進行仿真分析，最終獲得最優(yōu)系統(tǒng)架構，實現(xiàn)在方案論證階段減少甚至消除設計中的邏輯錯誤，避免到設計后期才發(fā)現(xiàn)由于邏輯錯誤而造成循環(huán)設計[11-13]。
1 MBSE理論概述
本文展開基于MBSE 的空空導彈系統(tǒng)架構設計工作。從需求分析和用例出發(fā)，利用RHAPSODY 建模工具，基于MBSE 方法和SysML建模語言，對空空導彈系統(tǒng)架構進行建模與仿真，主要包括基于SysML 的需求分析、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計三個部分，最終實現(xiàn)在空空導彈系統(tǒng)方案設計階段對其架構進行仿真，獲得最優(yōu)系統(tǒng)架構。
展開 因此，一個架構設計空間就產生了，不同的系統(tǒng)架構從這個空間衍生出來，并沿著敏捷4.0系統(tǒng)工程產品開發(fā)過程向前推進。
飛機系統(tǒng)簡介
飛機是系統(tǒng)，因為它可以飛行和運輸有效載荷（系統(tǒng)功能），這得益于其所有實體連接在一起，如發(fā)動機、機身、機翼和機載系統(tǒng)。因此，架構圖描述了系統(tǒng)的不同方面。例如，架構可以表示組成系統(tǒng)的所有部分、它的生命周期、外部用戶如何操作它以及許多其他信息。系統(tǒng)架構是一種特定的體系結構，它只表示作為系統(tǒng)一部分的所有組件（系統(tǒng)體系結構中的實體）以及它們是如何連接在一起的。體系結構框架為多個系統(tǒng)體系結構的標準表示提供了指導方針。文獻中有幾種架構框架可用，例如Zachman的框架、DoDAF、MODAF、NAF和TOGAF。
展開 因此，工程師和設計人員面臨著新的挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程流程已難以為繼。此外，企業(yè)規(guī)模越來越大、越來越復雜，這會進一步加劇挑戰(zhàn)，因此需要可擴展且可供所有利益相關方訪問的解決方案。
以設計無人駕駛月球車為例，該月球車將探索月球表面，并為研究人員收集重要數(shù)據(jù)。月球車的復雜設計不僅依賴于最新技術，還依賴于具有多學科背景的大型研究團隊的專業(yè)知識。
月球上的月球車
為了正確地開展協(xié)作，研究人員需要一種有效共享信息的方法，確保他們都在使用最新的設計迭代，并確認所有設計階段都符合安全標準，而上述這些步驟都隨著設計的日益復雜而變得更具挑戰(zhàn)性。
什么解決方案有可能改善這種情況呢？航空航天與國防（A&D）、汽車、高科技和醫(yī)療等眾多行業(yè)的研究人員，都在利用系統(tǒng)架構模型（SAM）來應對這些現(xiàn)代挑戰(zhàn)。為了一探究竟，我們來深入了解一下為什么各行各業(yè)的工程師都在使用SAM。
在快速變化的領域開發(fā)日益復雜的技術
首先，作為基礎背景，我們先來探討基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），這是一種不斷發(fā)展的方法，它利用數(shù)字系統(tǒng)和模型而不是文檔，來設計、制造和維護復雜系統(tǒng)。
MBSE并不依賴傳統(tǒng)的靜態(tài)文檔，而是通過創(chuàng)建和使用數(shù)字系統(tǒng)和工程領域模型，來促進關鍵信息、反饋和需求的交換。
對于現(xiàn)代工程師而言，MBSE提供了一種結構化、系統(tǒng)化的方法來解決復雜的工程問題，從而簡化開發(fā)流程并提高效率。MBSE包括三個主要組成部分：
1. 統(tǒng)領性的SAM
在SAM中，所設計的系統(tǒng)由一系列描述系統(tǒng)物理和功能架構的連接方框圖表示。SAM還包含系統(tǒng)所需達到的質量和功能的綜合列表。
在MBSE中，SAM是待研究系統(tǒng)架構的真相源。
展開 狀態(tài)機指定系統(tǒng)何時執(zhí)行特定動作。
圖20. ACC狀態(tài)機圖
指定“黑盒”需求
需求分析結果將應用在基于場景分析和其他行為分析的系統(tǒng)黑盒規(guī)范中。黑盒規(guī)范定義了系統(tǒng)的外部可觀察的行為和物理特性。系統(tǒng)需求以所需的功能、外部接口、性能和質量特征、控制和系統(tǒng)必須存儲的項的形式被捕獲。需求通常使用SysML需求圖（req）創(chuàng)建，并直接鏈接到相關的模型元素。無論如何，需求總是可以導出為所需的格式。
3. 邏輯架構定義
邏輯架構設計和定義的目的在于，基于已識別的系統(tǒng)功能創(chuàng)建系統(tǒng)架構的抽象表示，為后面在物理架構階段進行的組件和技術選擇提供基線。換句話說，這個階段的目標是捕獲解決方案的主要架構驅動因素，確定高層級組件及其預期功能，提供系統(tǒng)如何工作的愿景，而不必過多地關注技術細節(jié)。
ARCADIA方法
邏輯架構（Logical Architecture, LA）
邏輯架構定義是從問題域轉移到解決方案域的階段。運行分析（OA）和系統(tǒng)分析（SA）階段有助于更好地了解用戶和系統(tǒng)需求，邏輯架構（LA）和物理架構（PA）階段有助于找到抽象和具體的解決方案來滿足這些需求。
為定義邏輯架構而開展的主要活動如下：
· 定義影響架構的因素并分析視角；
· 定義系統(tǒng)行為的原理；
· 構建基于組件的系統(tǒng)結構備選方案；
· 選擇提供最佳權衡方案的架構備選方案。
這一階段的主要步驟是：
· 定義邏輯組件
· 邏輯功能分解
· 定義邏輯組件場景和狀態(tài)
· 為組件分配邏輯功能
定義邏輯組件
系統(tǒng)的邏輯組件是根據(jù)分配給系統(tǒng)的功能來標識的。
展開 對于一個系統(tǒng)，架構設計通常決定了該系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)，而功能安全標準對架構設計的要求及安全分析方法論引用比較復雜，如何在系統(tǒng)設計之初，合理并充分的考慮其安全設計成為了當前很多同行在做安全設計的一個難點。
筆者從事功能安全領域工作八年有余，有過多家外企合資企業(yè)的三電系統(tǒng)，ADAS系統(tǒng)相關產品的安全開發(fā)設計經驗。此次受SESETECH安全技術論壇邀請，結合個人經驗分享一下對系統(tǒng)安全架構設計的淺薄理解，希望能夠解決部分同行對于安全架構設計的痛點。限于個人認知，此文僅供各位同行交流討論，不針對任何企業(yè)或者產品安全提出設計建議。
內容框架：
安全架構設計必須了解的術語及安全方法說明
E-GAS三層架構的理解及使用約束
ADAS系統(tǒng)安全架構設計及安全等級的分解
02
安全架構設計必須了解的
術語及安全方法說明
在ISO 26262的第三部分，第四部分及第九部分，提到了很多關于系統(tǒng)或者相關項的安全術語，包括故障類型判斷，安全分解策略，故障控制/避免措施，等。如何正確地理解并應用這些術語及背后的方法論，對于安全架構設計尤為重要。本文主要針對涉及到系統(tǒng)安全架構設計的必要術語進行一些系統(tǒng)性闡述，幫助大家理解其中關系。
故障控制措施（Fault control）
和故障避免措施（Fault avoidance）
在功能安全標準或者一些教學中，經常會提到系統(tǒng)性失效和隨機硬件失效兩個概念作為電子電氣系統(tǒng)的兩大失效來源。
展開 
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該過程中，從設計與仿真軟件提供商、器件與芯片設計商、系統(tǒng)架構，到封裝公司、測試設備提供商和代工廠，供應鏈中所有參與者的協(xié)作必不可少。建立生態(tài)系統(tǒng)并非易事，必然需要一定時間。然而，隨著AI/ML等大型應用的出現(xiàn)，競爭其實已經拉開帷幕。
這構成了現(xiàn)代顯微鏡的6f 系統(tǒng)標準架構。
西登托普夫（Siedentopf）則發(fā)現(xiàn)：只從對成像有貢獻的方向照明，擋住產生雜散光的方向。環(huán)形照明擋住中心的零級光，對比度反而飆升——這就是暗場照明的原理。
從項目工程實踐看，這種差異直接決定了工廠設計、設備選型、自動化系統(tǒng)架構及質量控制體系的根本不同。流程工廠的設計核心在于確保物料流與能量流的穩(wěn)定、高效與安全；而離散工廠的布局則更側重于零部件物流效率、裝配線平衡及生產柔性。
02行業(yè)分布格局：基于生產特性的自然分野
兩種制造模式的應用領域，由其產品特性和生產工藝內在要求所決定，形成了相對清晰的產業(yè)分布地圖。
<p class="ql-align-center"><img src="https://img.jishulink.com/202605/imgs/695cb2ff2a334b9d8e05964625472cca"></p><p>當前數(shù)字化浪潮席卷各行各業(yè)，智能化加速演進，從智能系統(tǒng)架構到軟件定義產品，從輔助駕駛到人工智能應用，安全已成為系統(tǒng)成敗的關鍵。
新思科技芯課程全新RISC-V系列即將推出，本次課程內容共4講，首場【從微架構到系統(tǒng)：基于新思科技RISC-V驗證方案構建高效可靠的RISC-V 驗證閉環(huán)】將于5月15日上線，深度剖析RISC-V在現(xiàn)代SoC設計中的核心驗證難點及挑戰(zhàn)，并重點介紹新思科技RISC-V相關的動態(tài)驗證方案，通過將STING的高效激勵生成能力與ImperasDV的精準檢查能力與新思科技的VCS、Verdi深度融合，展示如何構建一個涵蓋
主流通信協(xié)議全面覆蓋
Bronkhorst MFC支持包括RS232、RS485、Modbus RTU/TCP、PROFIBUS、PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、CANopen、DeviceNet、POWERLINK以及FLOW-BUS在內的多種工業(yè)總線協(xié)議，這意味著無論您的控制系統(tǒng)采用何種架構，都能找到匹配的MFC型號，實現(xiàn)即插即用，無需額外轉換模塊，大幅簡化系統(tǒng)集成復雜度
二、工具箱vs工程車：傳統(tǒng)IDE、PPEC Workbench
傳統(tǒng)IDE就像是工具箱——里面有各類工具，但面對多核系統(tǒng)、多芯片架構、AI融合等復雜需求時，需要開發(fā)者自己挑選工具、拼接流程，不僅耗時耗力，還容易因為工具不兼容、流程不規(guī)范出現(xiàn)問題。
而 PPEC Workbench 則是“一體化工程車”。
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而
PPEC
Workbench 則是“一體化工程車”。
二、工具箱vs工程車：傳統(tǒng)IDE、PPEC Workbench
傳統(tǒng)IDE就像是工具箱——里面有各類工具，但面對多核系統(tǒng)、多芯片架構、AI融合等復雜需求時，需要開發(fā)者自己挑選工具、拼接流程，不僅耗時耗力，還容易因為工具不兼容、流程不規(guī)范出現(xiàn)問題。
而
PPEC
Workbench 則是“一體化工程車”。
