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洒弓
5 years ago
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1 基于模型设计助力高安全关键系统软件开发符合行业标准的 MBD 方案及案例解析于化龙高级项目开发部经理迈斯沃克 ( 软件 ) 北京有限公司 2015 The MathWorks, Inc. 1

2 内容概要国内外高安全关键系统开发与验证的趋势符合行业标准的基于模型设计解决方案轨道交通行业符合 EN50128 标准项目实践 2

3 高安全关键系统软件开发面临的挑战系统复杂度不断增大开发周期不断缩短代码量急速增长软件质量与认证要求更加严苛的行业标准更高的安全性考虑 3

4 基于模型设计已成为高安全关键系统软件开发的趋势 4

意大利 Selex 公司基于模型设计技术历程 http://www.mathworks.

5 意大利 Selex 公司基于模型设计技术历程 5

6 意大利 Selex 公司飞行系统 (March 2013) Motor Control MATLAB Simulink Embedded Coder Systems HDL Coder Doppler Radar Software PIL Hardware FIL HIL 6

Alstom Generates Production Code for Safety-Critical Power Converter Control Systems (2004) Challenge Design and implement real-time power conversion and control systems for trams,

Results Development time cut by 50% Defect-free, safety-critical code generated and certified Common language established Link to user story Pendolino tilting train.

7 Alstom Generates Production Code for Safety-Critical Power Converter Control Systems (2004) Challenge Design and implement real-time power conversion and control systems for trams, metros, and railways Solution Use MathWorks tools for Model-Based Design to design, simulate, and automatically generate production code for safety-critical transportation systems Results Development time cut by 50% Defect-free, safety-critical code generated and certified Common language established Link to user story Pendolino tilting train. When Alstom delivered a Pendolino train to Czech Railways, the railway application was the first with automatically generated code to receive TUV certification (for EN 50128) Han Geerligs Alstom 7

8 Alstom (Nov.2013) 8

9 基于模型设计的关键在于从仿真到实现模型 : 只是用做仿真 Simulink 仿真模型 Word 手工文档 C 手写代码 - 设计部门仍然通过手写设计文档来交给软件部门 - 设计部门可能需要维护模型 / 代码 / 文档三套设计 - 软件部门仍然根据文档进行手工编码 - 代码编写存在需求理解偏差, 易引入认为缺陷 Simulink 仿真模型 Simulink 产品模型 C/HDL 自动代码模型 : 自动生成代码仿真模型经过配置后可以直接生成代码设计部门可将仿真模型或者配置好的产品模型交付软件部门可以对模型进行配置后自动生存代码通过定制可以实现自动代码与手写代码的自动集成 9

10 基于模型设计使早期验证成为可能 10

11 基于模型设计 : 以模型为核心集成设计开发环境项目管理 Simulink Project 需求管理 Simulink VnV RMI DOORS Integration 知识管理 Simulink VnV Model Advisor Simulink Customized Library 数据管理 Simulink Data Dictionary Simulink Data Inspector Simulink System 系统架构 XML In/Out 硬件集成 Processor In Loop Hardware In Loop 配置管理 Simulink Project SVN/CC Integration 报告生成 MATLAB Report Generator Simulink Report Generator 11

12 内容概要国内外高安全关键系统开发与验证的趋势符合行业标准的基于模型设计解决方案轨道交通行业符合 EN50128 标准项目实践 12

13 高安全关键系统相关行业标准 DO-178 (Level A) ISO ARP4754 & DO-178 Honeywell Aerospace USA Flight Control Systems TRW Germany Electronic parking brake control system Airbus Helicopters Certified flight software IEC IEC EN Weinmann Medical Germany Transport ventilator Alstom Grid UK HDVC Power Systems Alstom France Train Control Systems 13

14 DO Qualification Kit IEC/ISO Certification Kit >>qualkitdo >>certkitiec 14

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17 参考流程 Simulink Test, Model coverage (SL V&V), Requirements Trace Interface (SL V&V), Report Generation and Diff (SL RG) Property proving (SLDV) Trace matrix generation (Cert Kit), Code coverage tool integration (Embedded Coder), Structural equivalence (Simulink Code Inspector) Module and Integration testing Model Standards Checks (SL V&V) Reviews and static analysis PIL testing (Embedded Coder), Test generation (SLDV) Prevention of unintended functionality Reviews and static analysis Equivalence testing Polyspace (MISRA) Polyspace Code Prover Textual requirements Executable specification Model used for production code generation Generated code Object code Modeling Simulink / Stateflow / Simulink Fixed Point Code generation Embedded Coder Compilation and linking 17

18 思考一个问题 : 工程师为什么无法充分利用模型? Simulink 只用于仿真工程师使用 Simulink 仅用于算法仿真, 并没有将 Simulink 平台作为全流程的开发工具, 关键是仍没有突破自动代码生成的技术和心理障碍, 模型验证更是无从谈起模型无法在开发中传递 Simulink 模型仿真完成后, 工程师又忙于琐碎的文档和编码工作, 模型无法向下传递, 还没有成为知识传递与积累的载体, 模型也没有实现标准化的设计开发流程无法自动化 Simulink 提供了建模 / 仿真 / 验证 / 代码生成等一些列工具, 但这些工具都相对独立, 并没有与特定的流程进行集成, 所以导致工程师在使用时没有目标, 或者就不知何时使用团队协作过于粗放在团队协作中, 流程的定义相对粗放, 没有规定每一个环节工程师详细的工作职责 / 使用工具 / 输入输出等, 而且如模型验证等环节都是缺失的, 模型没有进入到设计开发流程中 18

19 从 V 流程到微流程 Requirements Design Integration Acceptance 微流程解决了设计过程中的实现操作定义, 每个操作都是可执行的, 工程师可以参照它开展工作模型验证版本库 tpj_projectname.prj prj_starttestproject.m 被测模型模型验证开始获取项目数据打开项目文件配置测试环境模型规范检查设定工作路径载入模型数据 Model Advisor 报告被测模型模型缺陷检查 Design Verifier 报告被测模型模型覆盖率检查 Design Verifier 报告 Code 需求追踪模型设计需求模型缺陷检查模型规范检查模型功能性验证模型覆盖率验证需求文档被测模型需求文档是缺陷? 否设计测试模型设计测试用例 ths_model_xxx.mdl tcs_model_xxx.xlsx 需求追踪代码生成模型模型与代码结构一致性验证目标码功能性验证代码运行时缺陷检查 tru_model_xxx.m 运行测试用例比较测试结果覆盖率 100%? 否是 trp_model_xxx.doc tcv_model_xxx.cvt trs_model_xxx.mat V 流程解决了设计过程中主要环节定义, 但没有具体的实现, 工程师无法参照它开展工作编译源代码可执行目标码代码规范检查模型与目标码功能一致性验证代码运行时缺陷检查代码覆盖率验证问题报告 prp_model_xxx.doc tcv_model_xxx.cvt Signal Builder 否补充测试用例满足覆盖率要求转换测试用例设定期望值结果 100% 是提交全部测试文件下一个模型? 否项目实施结束是 Signal Builder tcs_model_xxx.xlsx tcs_model_xxx.xlsx ths_model_xxx.mdl trp_model_xxx.doc prp_model_xxx.doc tcv_model_xxx.cvt trs_model_xxx.mat 19

20 内容概要国内外高安全关键系统开发与验证的趋势符合行业标准的基于模型设计解决方案轨道交通行业符合 EN50128 标准项目实践 20

21 案例项目背景欧洲铁路运输管理系统 (ERTMS) Level 2 Radio Block Center (RBC) 系统项目目标符合 SIL4 项目的最佳实践 EN50128 标准符合性指导 21

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23 基于模型设计 :V 流程 Software requirement s Software development Planning Application Software development Software validation Hardware and Basic Software integration Software architecture and design Software design simulation and analysis Automatic software code testing Software component design Software component design simulation and analysis Automatic software component code testing Automatic code generation and analysis Model-Based Design 23

24 基于模型设计 : 实施环节 1 软件项目计划软件需求描述软件确认硬件与软件集成软件架构设计软件集成设计仿真与验证自动化软件代码集成测试软件单元设计软件单元设计仿真与验证自动化软件代码单元测试自动代码生成与分析 4 基于模型设计 24

基于模型设计在项目中的实施 1 2 3 4 5 项目计划 : 基于模型的软件开发项目计划软件设计 :

25 基于模型设计在项目中的实施项目计划 : 基于模型的软件开发项目计划软件设计 : 基于模型的软件架构与单元设计模型验证 : 基于模型的设计仿真与验证代码生成 : 基于模型的自动代码生成与分析代码验证 : 基于模型的代码集成与验证 25

26 1 基于模型的软件开发项目计划 26

27 使用 Certification Kit 对流程进行定义明确定义项目范围在软件质量保证计划 (SQAP) 中根据 TÜV SÜD for SIL4 批准的流程详细制定项目开发流程必须详细描述流程的细节并且映射到 EN50128 表格中 27

28 标准和符合性验证通过 Model Advisor 中 EN50128 检查项自动验证模型标准的符合性通过 Polyspace 中 MISRA AC AGG 检查工具自动验证代码标准的符合性 28

29 使用 Certification Kit 对工具进行认证对项目建立认证包实例 Certification Kit 针对每个 MATLAB 版本都会进行升级自动运行工具的测试程序并且生成报告 29

30 使用 Simulink Project 管理项目确保工具配置的一致性通过行为执行的自动化快捷操作确保流程的符合性在 CM 下保持项目团队的合作提供完整项目的依赖关系分析通过自动化脚本实现行为执行的批处理操作 30

31 2 基于模型的软件架构与单元设计 31

32 软件架构设计 Software requirements Software requirements specification Software architecture and design Model architecture and specify design Software architecture specification model specification model Verify modelling standard Generate Architecture Spec Software architecture, design and interface specification Specify tests Software and Software/Hardware integration test specification Specify properties Software and Software/Hardware properties specification report Do: manual activity Do: automated activity Modelling Standard Conformance Report Review Review Review Review Software Architecture and Design Verification Report Approve 32

33 软件架构设计中的开发活动架构模型限定在应用层软件开发软件架构描述模型使用 Simulink 图形化描述模块划分和数据流使用 MATLAB 描述接口特性使用富文本注释在模型中描述设计依据和需求建立模型与需求的追踪软件架构设计文档通过模型自动生成 33

34 软件架构设计中的验证活动描述软件集成测试软件集成测试用例与需求建立追踪验证模型规范的符合性验证测试描述同级审核验证软件架构描述同级审核 34

35 软件单元设计 Software architecture and design Software architecture specification model Software component design Model algorithms and equations Software component design model specification model Verify modelling standard Generate Component Spec Software component design specification Specify tests Software component test specification Specify properties Software component properties specification report Do: manual activity Do: automated activity Modelling Standard Conformance Report Review Review Review Review Software Architecture and Design Verification Report Approve 35

36 软件单元设计中的开发活动开发软件单元描述模型软件架构模型描述单元接口根据架构模型中的单元需求开发具体的算法和方程设计依据包含在模型中的富文本注释中软件单元需求与模型建立追踪软件单元描述文档通过模型自动生成 36

37 软件单元设计中的验证活动验证软件单元模型模型规范符合性自动化验证软件单元描述同级审核需求追踪型验证设计鲁棒性验证设计可测试性验证详尽验证单元测试描述软件单元测试描述同级审核 37

38 3 基于模型的设计仿真与验证 38

39 Component design testing 模型单元测试 Component design Software component design model Software component test specification Build test harness model Component test harness Simulate and log outputs Record design model structural coverage Software component design structural coverage and test report Software component test cases Specify test I/O values Review Review sw phase specification model report Do: manual activity Do: automated activity Review Software component design test report Approve 39

40 模型单元测试中的活动创建测试模型引用被测设计模型并将其连接到测试输入比较测试的期望值与模型输出值启动单元模型的结构覆盖率测量启动信号信号范围覆盖率测量执行测试程序载入测试数据到 MATLA 工作空间仿真测试模型统计累积覆盖率并生成报告审核模型单元测试描述和报告 40

41 Model integration 模型集成与测试 Component design Architecture and design Software component design model Software architecture specification model Software integration test specification Verify modeling standard Integrate Software integration model Review Review Specify test I/O values Software integration test cases Build test harness model Integration test harness model Simulate and log outputs Software integration test report Review Review Do: manual activity Do: automated activity <name > SW Phase <name > <name > <name > Specification Model Report Software integration verification Report Approve 41

42 模型集成与测试中的活动开发 : 将单元模型集成到软件架构模型中测试 : 创建测试模型执行测试程序验证 : 验证集成模型的规范符合性审核集成模型审核测试报告 42

43 4 基于模型的自动代码生成 43

44 Component implementation 自动代码生成与分析 Component design Software component design model Generate code Software source code and supporting information sw phase specification Verify coding standard MISRA AGC compliance report Review Verify Bug Finder checks Verify Polyspace Code Prover checks Polyspace verification report Review model report Do: manual activity Do: automated activity Software component implementation report Approve 44

45 自动代码生成可读性与可追溯性自动生成具有代码和模型双向链接的报告提供代码生成指标通过配置确保 C 代码中的算法结构 45

46 自动代码分析使用 Polyspace Bug Finder 验证生成代码与 MISRA 标准的符合性使用 Polyspace Code Prover 验证生成代码的鲁棒性 46

47 5 基于模型的代码集成与验证 47

48 Component code testing 代码单元测试 Component Implementation Component design testing Component source code and supporting information Software component test cases Instrument code and generate exe Fee d Component test harness sw phase specification model Component Code coverage report Measure code coverage Review Software component implementation verification report Approve Component test report Review Measure test result report Do: manual activity Do: automated activity 48

49 Code integration 代码集成测试 Component implementation Model integration Component source code and supporting information Software integration model Software integration test cases Generate code Integration source code and supporting information Generate exe Feed sw phase specification Verify Polyspace RTE checks Verify coding standard Integration test harness Measure test result model report Do: manual activity Do: automated activity Polyspace verification report MISRA AGC compliance report Integration test report Review Review Review Software component implementation verification report Approve 49

50 自动化代码测试使用 Simulink Design Verifier 自动生成背靠背测试用例或正重用基于需求的测试用例自动化软件在环测试或者处理器在环测试使用集成的第三方工具 LDRA 统计代码覆盖率使用 Simulink Data Inspector 比较模型与代码的输出 50

51 自动化代码测试 51

52 总结与问题国内外高安全关键系统开发与验证的趋势符合行业标准的基于模型设计解决方案轨道交通行业符合 EN50128 标准项目实践 52

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation 构建基于模型的机载软件研发平台苏哲 2015 The MathWorks, Inc. 1 内容基于模型的研发平台的组成及用户案例构建研发平台的关键技术符合高安全规范的机载软件研发平台 2 内容基于模型的研发平台的组成及用户案例构建研发平台的关键技术符合高安全规范的机载软件研发平台 3 以基于模型设计为核心集成设计开发环境项目管理 Simulink Project 需求管理 Simulink