隨著配備高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的汽車不斷更新升級，以及業(yè)界致力于生產(chǎn)能夠在道路上相互通信的全自動駕駛汽車（AV），這就使得汽車系統(tǒng)將變得更加龐大而且復(fù)雜。與此同時，它要求汽車系統(tǒng)設(shè)計具有更高的安全性與保密性。然而，安全性與保密性這兩個需求有時候會產(chǎn)生沖突。為了提高車輛的安全性，需要額外的組件來監(jiān)控車輛的運行，但由于這些組件可能會提供新的攻擊點，這使得黑客有機會訪問控制系統(tǒng)與軟件，因此這可能會降低車輛的信息安全。

為了支持此類大型復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)并且為汽車系統(tǒng)設(shè)計提供魯棒性的開發(fā)框架，日本日立工業(yè)與控制解決方案有限公司（Hitachi Industry & Control Solutions）在2019年成立了一個名為MBSE設(shè)計實驗室（MBSE Design Lab）的專職部門。2022年10月，該部門經(jīng)過規(guī)模擴張并更名為MBSE設(shè)計中心（MBSE Design Center）。

這個基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）設(shè)計中心將Ansys SCADE嵌入式軟件和Ansys medini analyze功能安全與信息安全仿真軟件作為其汽車設(shè)計方法中安全與保密的關(guān)鍵要素。

在支持汽車原始制造商(OEM)與一級供應(yīng)商(Tier 1)設(shè)計和開發(fā)自動駕駛、汽車信息娛樂以及汽車控制系統(tǒng)的過程中，日立工業(yè)與控制解決方案公司通過MBSE設(shè)計中心實施功能安全與信息安全管理策略。從功能角度來看，Ansys SCADE Architect適用于通過逐步迭代內(nèi)部細節(jié)來進行架構(gòu)設(shè)計；Ansys medini analyze能夠在一個通用模型上開展兩種分析——功能安全分析與信息安全分析。

日立工業(yè)與控制解決方案公司MBSE設(shè)計中心總經(jīng)理Takeo Hashimoto表示：“我們相信Ansys仿真工具與MBSE的集成使我們能夠了解整個設(shè)計流程，從而可以降低開發(fā)成本，提高工程效率，推動創(chuàng)新和設(shè)計出極具競爭力的產(chǎn)品。”

日立工業(yè)與控制解決方案公司采用Ansys解決方案管理汽車功能安全與信息安全的流程圖

創(chuàng)建MBSE解決方案

在過去的10年里，日立工業(yè)與控制解決方案公司的開發(fā)方式經(jīng)歷了從傳統(tǒng)設(shè)計到系統(tǒng)工程，最后到MBSE的轉(zhuǎn)變。在此之前，汽車行業(yè)的開發(fā)工作變得越來越龐大而復(fù)雜，從而導(dǎo)致客戶的汽車開發(fā)現(xiàn)場問題頻發(fā)。

Hashimoto表示：“開發(fā)現(xiàn)場在驗證流程中經(jīng)歷了大量返工，而這些問題已經(jīng)無法通過傳統(tǒng)的開發(fā)方法解決。我們花費了大量時間來研究，如何處理相關(guān)需求，以及如何有效使用現(xiàn)有資產(chǎn)來解決上游流程的文檔不足問題，因為文檔是驗證流程的基礎(chǔ)所在。”

在經(jīng)過詳細研究后，我們得出了結(jié)論：系統(tǒng)工程才是問題的解決方案。根據(jù)國際系統(tǒng)工程協(xié)會（International Council on Systems Engineering，簡稱INCOSE）的定義，系統(tǒng)工程是“利用系統(tǒng)原理與概念，以及科學(xué)、技術(shù)與管理方法使工程系統(tǒng)順利實施、使用和停止運行的跨學(xué)科綜合方法。具體而言，它專注于在開發(fā)周期的早期階段制定、平衡和整合利益相關(guān)方的目標(biāo)、方向與成功標(biāo)準，以及定義實際或預(yù)期的客戶需求、運營概念與所需功能。”

Hashimoto表示：“但是，當(dāng)時在日本關(guān)于系統(tǒng)工程的文獻少之甚少。在日本多所創(chuàng)新高校的幫助下，并根據(jù)INCOSE提供的海外文獻資料，我們通過反復(fù)的試錯逐步開發(fā)了系統(tǒng)工程。我們可以稱得上是日本系統(tǒng)工程實踐的開拓者。”

即使實施了系統(tǒng)工程，當(dāng)開展上游流程的需求分析與架構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計信息變得極為龐雜，而傳統(tǒng)的基于紙張的系統(tǒng)工程開發(fā)方式遭遇了新的挑戰(zhàn)，即很難在開發(fā)與管理的同時保持整體一致性與完整性。

日立工業(yè)與控制解決方案公司很快就轉(zhuǎn)向MBSE，INCOSE把它定義為“從概念設(shè)計階段開始、一直持續(xù)到整個開發(fā)與生命周期后期階段、以用于支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證與確認活動的形式化建模應(yīng)用。”

實際上，通過引入MBSE（即利用可以表示系統(tǒng)多層次需求和功能之間關(guān)系的系統(tǒng)模型），不僅有利于包括工程師在內(nèi)的利益相關(guān)方達成共識，而且能夠在開發(fā)與管理大型復(fù)雜系統(tǒng)的同時保持整體一致性與完整性。

日立工業(yè)與控制解決方案公司MBSE的三大軸心

把仿真融入MBSE流程

利用MBSE，工程師能夠輕松地在產(chǎn)品開發(fā)流程的早期階段頻繁分析與仿真，以便確認相關(guān)需求，同時對多種設(shè)計備選方案進行審核，以避免花費資金來開發(fā)最終無法滿足需求的原型。

日立工業(yè)與控制解決方案公司的工程團隊花費了一些時間，來確定把Ansys仿真解決方案集成到產(chǎn)品開發(fā)流程的最佳方式。如果不進行這種集成，工程師就無法驗證需求，而且也無法全面評估性能、成本與風(fēng)險權(quán)衡因素。

如前所述，在安全性設(shè)計中，標(biāo)準做法是設(shè)計外部組件來監(jiān)控組件故障。這樣可以確保檢測出由組件故障引起的異常情況。然而，在安全保障設(shè)計中，這種外部組件也會成為攻擊的切入點，從而產(chǎn)生保密風(fēng)險。解決這些相互沖突對安全和保密來說是非常關(guān)鍵的。

Hashimoto表示：“Ansys仿真解決方案對可視化相互沖突的功能安全需求與信息安全需求結(jié)構(gòu)以及確保它們的可追溯性起到非常大的作用，因為它們能夠從不同角度集中管理需求與設(shè)計模型，同時提供完整流程的概況。”

日立工業(yè)與控制解決方案公司的工程師采用medini analyze集成和分析統(tǒng)一架構(gòu)，以便他們在功能安全與信息安全方面實現(xiàn)最佳設(shè)計。此外，他們還在相關(guān)項定義(Item Definition)流程中采用SCADE Architect，其可以在安全與保密范圍內(nèi)逐步實現(xiàn)架構(gòu)的詳細設(shè)計。然后，相關(guān)架構(gòu)可以導(dǎo)入到medini analyze中，從而最終可以消除分析目標(biāo)與分析粒度的不一致性。

Hashimoto表示：“我們認為，仿真軟件產(chǎn)品之間的這種協(xié)作正是使用Ansys工具的最大優(yōu)勢。”

基于Ansys SCADE Architect的MBSE方法可以從眾多方面構(gòu)建整個系統(tǒng)，以便專家們可以在不同功能安全與信息安全領(lǐng)域達成共識，從而有助于實現(xiàn)最佳的架構(gòu)解決方案。

Hashimoto表示：“從工程公司的角度來看，如果開發(fā)現(xiàn)場由于開發(fā)大型復(fù)雜系統(tǒng)遇到了麻煩，引入MBSE方法可以提高項目效率。因為該方法使現(xiàn)場能夠處理需要滿足的需求以及明確系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)，從而將設(shè)計與開發(fā)活動區(qū)分開。我們認為這就是我們工程公司的投資回報。”

利用系統(tǒng)工程與MBSE方法，日立工業(yè)與控制解決方案公司在過去10年里已經(jīng)參與了13家公司的35個項目。憑借Ansys仿真解決方案，他們希望能在未來10年實現(xiàn)項目參與數(shù)量的大幅提高。

Hashimoto表示：“我們將會在整個產(chǎn)品生命周期為整個工作場所提供更大的價值。利用Ansys工具以及日立工業(yè)與控制解決方案公司的MBSE工程方法，我們將大力支持汽車行業(yè)的自動駕駛開發(fā)工作，同時以更緊密的方式幫助客戶解決生產(chǎn)制造問題。”

審核編輯：劉清