数字化工程的未来：基于模型的设计

在数字化工程的浪潮中，基于模型的设计（Model-Based Design, MBD）正迅速成为行业变革的核心推动力。2024年5月28日在北京举办的MATLAB EXPO 2024，MathWorks全球副总裁Richard Rovner深入探讨了这一前沿技术的应用趋势、工作流程以及未来发展方向。
 
         MathWorks全球副总裁Richard Rovner
 
在此次会议上，Richard详细阐述了MBD在系统工程与设计中的重要性，并展示了AI技术在系统开发中的广泛应用，从预测性维护到自动驾驶，再到视觉检查，涵盖了现代工程中的多个关键领域。此外，他还强调了现代软件实践的重要性，介绍了通过自动化、标准化和云计算技术提升设计与仿真效率的最佳实践。
 
而在MATLAB EXPO 2024期间，笔者也有幸采访了海尔集团嵌入式开发专家范纪青和MathWorks中国通信电子半导体行业首席技术官陈晓挺博士。海尔智家是海尔集团旗下子公司，连续5年进入《财富》世界500强榜单，连续19年入选世界品牌实验室中国500最具价值品牌，拥有4家上市公司。
 
此次采访聚焦于海尔与MathWorks的合作，并探讨了基于模型的设计方法如何在家电行业中实现技术创新和提升效率。在采访中，范纪青和陈晓挺均表示，中国市场对嵌入式软件开发工具的需求正在不断增长。随着家电行业逐渐向智能化和高效能方向发展，对软件算法和控制系统的需求也在增加。范纪青指出，通过MathWorks的工具，海尔能够更好地整合芯片资源，提高产品的能效和性能，从而在竞争激烈的市场中脱颖而出。
 
家电嵌入式软件开发的难题和现状
 
范纪青在会上的主题演讲中分析了传统家电嵌入式软件开发所存在的一系列痛点：1）人工编写代码易引入编程错误，效率低；2）问题溯源周期长、测试覆盖度低，主要由人工进行操作；3）核心算法验证依靠整机，自研难度大。这些开发的痛点进而导致项目拖期、市场新需求响应慢，不能快速满足用户差异化需求。如果产品不良，可能遭到用户投诉。而且极其依赖供应商、调试时间长，性能弱。如何提升软件开发效率和质量，以及通用性，是海尔智家面临的一大难题。
 
 
海尔集团嵌入式开发专家范纪青
 
于是，海尔智家在水联网这个家电项目中开始探索使用MathWorks的MATLAB/Simulink软件和基于模型设计的开发流程，这很好的解决了海尔智家所面临的挑战。范纪青指出，尽管基于模型的设计在家电行业的应用比例仍然较低，但其潜力巨大。传统的家电行业以成熟的工艺和固定的开发模式为主，但随着市场需求的变化和技术的进步，家电行业也在逐步向数字化和智能化转变。范纪青表示，采用基于模型的设计方法不仅降低了开发难度，还能显著提升设计和验证的效率，并推动了企业管理模式的变革。
 
 
 
具体来看，基于模型设计的特点是，能够自动生成代码，模型在环验证覆盖度高，问题能够及早发现，实验成本低。而且，基于模型设计采用的是物理系统仿真，能够支撑核心算法自研。
 
在设计和开发变频驱动控制系统中，通过基于模型的仿真平台，利用精确的算法模型和全面的仿真测试，大大节省了试验资源，开发成本降低20%。而且大幅提高了系统的稳定性和性能，使用户的抱怨率降低了90%以上。仿真平台提升了产品的整体性能，确保系统在实际应用中表现优异。
 
基于模型设计的优势
 
基于模型设计方法在功能实现和代码生成中的优势又体现在以下几点：一、可以实现功能的解耦，使各个模块的功能更加清晰。二、组件的可视化使设计人员能够直观地理解系统的结构和数据流。三、模型设计中各个模块的数据流一目了然，便于设计、调试和维护。四、各模块之间的交互接口定义明确，输入输出接口一目了然，减少了接口设计的错误和混淆。五、基于模型设计方法支持团队并行开发，不同的团队成员可以同时开发不同的模块，提高开发效率。六、一键生成代码，大大加快了开发速度。
 
不仅是设计和研发，测试也是嵌入式应用开发过程中很大的难题。传统测试过程由人工操作输入和输出，所有判断也依赖人工完成。此外，测试结果的记录和报告也是由人工进行的，缺乏自动化手段，导致整体效率低下。通常情况下，一款产品需要反复多次测试才能完成。更为重要的是，传统测试的覆盖率较低，尤其在处理异常条件和组合条件的测试时，表现尤为不足。
 
基于模型的测试平台可以实现自动化测试，大大提高了测试效率。通过自动化测试，可以实现100%的测试覆盖率，尤其是在复杂和多组合条件下，传统手动测试无法实现的场景下，基于模型的测试可以轻松完成。例如一个“预约加热”功能，用户设置预约时间要求精确到“X时X分”，这共有1440种组合（24小时×60分钟）。如果依赖手动测试，遍历千余种组合是无法实现的。而通过模型自动化测试，40分钟内即可完成100%覆盖全域的测试组合。通过全面的自动化测试，能够显著提升软件的整体质量。
 
基于模型的系统测试不依赖硬件，软件集成后可对系统软件进行功能验证，支持异常条件或场景的测试，例如：干烧、短路、断路等。
 
基于模型设计的未来与挑战
 
尽管基于模型的设计方法在家电行业展现出了显著的优势，但其推广和应用仍面临诸多挑战。范纪青提到，转变传统的开发理念和方法需要时间和培训，尤其是在实现自动化测试和标准化模块的过程中，需要克服许多技术和管理上的难题。
 
具体来说：
 
1）在开发任务重的前提下，如何实现基于模型的开发？这可能需要将传统的C代码与基于模型的代码相结合，确保开发效率和质量。
 
2）从传统的开发方式向基于模型的方法转变，新人需要掌握基于模型的开发方式，适应全新的功能模块开发流程。
 
3）需要确保模型开发的标准化和通用性：这就需要对变量和输入输出接口进行统一定义。
 
4）底层驱动和抽象层需要用C语言编写，以此确保底层硬件驱动的高效性和可靠性。
 
陈晓挺博士指出MathWorks会全力支持家电行业从传统开发模式转变为数字化研发流程，包括但不限于技术支持、培训、咨询项目等形式。 陈博士进一步强调了生态系统的重要性，他指出，构建一个完善的生态系统，集成多种开发工具和平台，是实现基于模型设计的关键。MathWorks通过与各类芯片厂商和软件开发企业的合作，致力于构建一个开放、兼容、高效的生态系统，旨在通过提供高效的开发工具和平台，帮助企业降低开发成本，提高产品质量。以支持家电行业的持续创新和发展。
 
结语
 
海尔集团与MathWorks的合作，是家电行业在迈向智能化、数字化发展过程中的重要一步。这给业界带了一个好头，基于模型的设计方法，不仅提升了开发效率和产品质量，还带来了企业管理模式的变革。未来，随着更多先进技术和工具的引入，家电行业将迎来更广阔的发展空间和更多的创新机遇。