做開發(fā)也是如此，除了需要高效的編碼能力，同樣也離不開編程思維的指導。作為剛剛進入汽車電子行業(yè)的開發(fā)小白，本篇博文將總結最近學習到的汽車軟件行業(yè)開發(fā)思維：V模型。
1、V模型概述
汽車軟件開發(fā)過程中的V模型對行業(yè)內開發(fā)者早已是司空見慣的模型，是由瀑布模型演變而來的，也是目前汽車行業(yè)運用最廣的軟件開發(fā)模型。由于該模型的構圖形似字母V，所以俗稱V模型。V模型核心思想是通過A-SPICE流程（汽車產業(yè)的軟件流程改進和能力測定標準）來支持和管理整個開發(fā)流程，從需求到源代碼的每個過程都有相應的測試。
V模型大體可劃分為幾個不同的階段步驟即：功能需求、功能開發(fā)、軟件開發(fā)、軟件集成測試、功能集成測試、整車集成測試（系統合格性測試），如下圖所示，左邊為需求分析和設計開發(fā)的過程，右邊則為針對左邊的測試驗證，左邊的每個過程是與右邊的過程正好相對應。
2、V模型實施
2.1、系統需求分析
系統需求需要系統工程師完成。
基于項目的整體需求，以及軟硬件整體定義，對系統邏輯架構進行整體定義，這部分工作包括：硬件功能定義，控制器與其他控制器通信定義，軟件簡要功能定義。這個過程并不會對具體的技術實現做出定義。
2.2、軟件需求分析
軟件需求需要系統工程師完成。
系統工程師根據系統相關方需求說明書、軟硬件接口文件、變更通知書等輸入，梳理定義軟件研發(fā)需求說明書，包括操作系統需求、電源管理策略、傳感器讀取，執(zhí)行器控制、信號特性需求、存儲服務、通信服務，網絡管理、故障診斷、標定、程序升級等功能需求和非功能需求。
根據項目規(guī)劃，制定軟件開發(fā)計劃。
軟件需求分析建立需求追蹤矩陣，將軟件需求映射到系統需求，確保軟件要實現的系統需求全部覆蓋。
成功實施這個過程的結果如下：
- 定義系統中分配給軟件要素的軟件需求及其接口；
- 將軟件需求進行分類，并分析了其正確性和可驗證性；
- 分析軟件需求對運行環(huán)境的影響；
- 定義軟件需求實現的優(yōu)先級；
- 根據需要更新了軟件需求；
- 在系統需求與軟件需求之間、在系統架構設計與軟件需求之間建立了一致性和雙向可追溯性；
- 從成本、進度和技術影響來評估軟件需求；
- 約定了軟件需求，并與所有受影響方溝通。
2.3、軟件架構設計
軟件架構需要架構工程師完成。
為了建立清晰的、結構化的軟件設計，應該統一分配軟件需求，然后完成軟件架構設計。根據系統相關需求、軟硬件接口表、軟件需求確定軟件架構。將每條軟件需求合理分配到軟件模塊中，定義每個軟件模塊的輸入輸出接口、動態(tài)行為、資源消耗目標等，評估多種軟件架構的優(yōu)缺點等。
架構工程師需要使用EA等架構軟件畫出整個控制器軟件所有模塊的輸入輸出接口、以及內部動態(tài)行為。
如果項目基于AUTOSAR開發(fā)，需要架構工程師配置應用層的所有組件，并輸出每個組件的ARXML描述文件。
一般來說，還需要架構工程師輸出架構文檔。
成功實施這個過程的結果如下：
- 定義了識別軟件要素的軟件架構設計；
- 將軟件需求分配給軟件的要素；
- 定義每個軟件要素的接口；
- 定義軟件要素的動態(tài)行為和資源消耗目標；
- 建立軟件需求與軟件架構設計之間的一致性和雙向可追溯性；
- 約定軟件架構設計，并與所有受影響方溝通。
2.4、軟件單元設計和軟件實現
軟件單元設計需要軟件開發(fā)工程師完成。
在此階段，需要對每個組件內部的算法邏輯進行詳細的內部設計。組件功能的詳細設計需要與軟件需求建立有效的對應關系。
如果是算法邏輯編碼，建議使用Matlab進行模型開發(fā)，如果是接近底層的復雜驅動，一般是使用手寫代碼。
如果項目使用AUTOSAR架構，使用模型開發(fā)時需要導入arxml生成模型框架進行開發(fā)，使用手寫代碼進行開發(fā)時需要使用AUTOSAR工具生成的組件代碼框架進行開發(fā)。
需要將代碼經過多次代碼審查和優(yōu)化之后，將最終版本上傳至代碼庫，以實現最佳的可靠性和性能。
成功實施這個過程的結果如下：
- 開發(fā)描述軟件單元的詳細設計；
- 定義各軟件單元的接口；
- 定義軟件單元的動態(tài)行為；
- 建立軟件需求與軟件單元之間的一致性和雙向可追溯性；建立軟件架構設計與軟件詳細設計之間的一致性和雙向可追溯性；建立軟件詳細設計與軟件單元之間一致性和雙向可追溯性；
- 約定軟件詳細設計及該設計與軟件架構設計的關系，并和所有受影響方溝通；
- 生成軟件詳細設計所定義的軟件單元。
2.5、軟件單元測試
組件單元測試一般需要軟件開發(fā)工程師完成，也可以讓測試工程師完成。
當進行單元測試通過后，將會將軟件編譯成ECU可執(zhí)行的文件，比如Hex格式的文件，將其刷寫到ECU進行集成測試（或稱HIL測試），如果只是測試底層軟件，那么一般只需要額外的硬件負載箱支持就行，比如用負載箱來模擬一些傳感器信號輸入，或制造一些執(zhí)行器的短路和開路故障；如果測試包括應用層軟件，那么就還需要物理模型支持才行，比如電機控制就需要電機的物理模型，變速箱控制可能就 需要整個動力傳動系統的模型才行。
單元測試與軟件單元設計對應。
單元測試是根據軟件單元設計，進行代碼級別上進行的測試。
單元測試一般可以通過Matlab和Tessy等工具進行。
成功實施這個過程的結果如下：
- 制訂包括回歸策略在內的軟件單元驗證策略，以驗證軟件單元；
- 根據軟件單元驗證策略，制訂軟件單元驗證準則，以適于提供軟件單元符合軟件詳細設計及非功能性軟件需求的證據；
- 根據軟件單元驗證策略及軟件單元驗證準則，驗證軟件單元并記錄了結果；
- 建立軟件單元、驗證準則及驗證結果之間的雙向可追溯性和一致性；
- 總結單元驗證結果，并與所有受影響方溝通。
2.6、軟件集成測試
集成測試需要測試工程師完成。
集成測試與軟件需求對應。
集成測試將各個組成部分整合入一個軟件系統中之后，最后進行軟件的集成測試。根據定義的需求，測試相應的功能是否滿足軟件需求。
成功實施本過程的結果如下：
- 制訂與項目計劃、發(fā)布計劃和軟件架構設計相一致的軟件集成策略，以集成軟件項；
- 制訂包括軟件回歸測試策略在內的軟件集成測試策略，以測試軟件單元之間和軟件項之間的交互；
- 根據軟件集成測試策略，開發(fā)了軟件集成測試規(guī)范，以適于提供集成的軟件項符合軟件架構設計（包括軟件單元之間和軟件項之間的接口）的證據；
- 根據集成策略集成了軟件單元和軟件項直至完整的集成軟件；
- 根據軟件集成測試策略和發(fā)布計劃，選擇了軟件集成測試規(guī)范中的測試用例；
- 使用選定的測試用例測試了集成的軟件項，并記錄了測試結果；
- 建立軟件架構設計要素與軟件集成測試規(guī)范中的測試用例之間的一致性和雙向可追溯性，并建立了測試用例與測試結果之間的一致性和雙向可追溯性；
- 總結軟件集成測試結果，并與所有受影響方溝通。
2.7、軟件系統測試
系統測試需要測試工程師完成。
系統測試與系統需求對應。
因為軟件給各個ECU提供了相應的功能，因此在集成測試中，需要將軟件燒錄至硬件中。然后ECU要與其他電子系統組件集成起來，比如傳感器和執(zhí)行器。在接下來的系統綜合測試中，對所有系統設備的交互響應進行評估。
成功實施本過程的結果如下：
- 制訂與項目計劃和發(fā)布計劃相一致的包括回歸測試策略在內的軟件合格性測試策略，以測試集成軟件；
- 根據軟件合格性測試策略，開發(fā)集成軟件的軟件合格性測試規(guī)范，以適于提供符合軟件需求的證據；
- 根據軟件合格性測試策略和發(fā)布計劃，選擇了軟件合格性測試規(guī)范中的測試用例；
- 使用選定的測試用例測試了集成軟件，并記錄軟件合格性測試結果；
- 建立軟件需求與軟件合格性測試規(guī)范中的測試用例之間的一致性和雙向可追溯性，建立測試用例與測試結果之間的一致性和雙向的可追溯性；
- 總結軟件合格性測試結果，并與所有受影響方溝通。
3、V模型的追溯性和一致性要求
汽車軟件開發(fā)的過程中有嚴格的追溯性和一致性要求，每個階段的過程要求、使用的工具方法和人員要求，前一階段的輸出交付物作為下一階段輸入，在每個階段完成后對交付物進行驗證，在軟件集成后在最后階段進行確認與軟件需求的一致性。概覽如下圖所示：
4、V模型面臨的挑戰(zhàn)
特斯拉人工智能總監(jiān)Andrej Karparthy在他的一篇技術博客中提出構建軟件2.0技術棧的觀點，代碼正在從軟件 1.0（由人類編寫的代碼）過渡到軟件 2.0（由優(yōu)化編寫的代碼，以神經網絡訓練的形式編寫）。
軟件1.0 是我們熟悉的V模型，它是用 Python、C++、C等語言書寫的。它包括程序員對計算機的明確說明，通過編寫每行代碼，程序員會用一些可取的行為識別程序空間中的特定點。
軟件1.0的工程方法遵循以下4個步驟：
-
確定要解決的問題，即需求；
-
把需求進行分解；
-
為每個分解的需求設計軟件；
-
逐級測試，集成并部署軟件。
軟件2.0時代正在逐漸到來，目前AI算法大量應用于自然語言識別、行為分析、決策協助、身份識別等不涉及公眾安全的領域，也在自動駕駛、醫(yī)療診斷等安全領域也在逐步應用。對于安全關鍵系統，系統工程方法學是否還適合軟件2.0時代，功能安全標準如IEC61508、ISO26262、EN50128不同行業(yè)安全軟件開發(fā)所遵循的標準，是否還能指導軟件2.0的開發(fā)實踐，下面從開發(fā)過程、軟件需求、開發(fā)工具三個方面談談想法。
軟件1.0的開發(fā)生命周期模型按照系統工程V模型的方式開發(fā)，從上到下是瀑布式的，規(guī)定每個階段的過程要求、使用的工具方法和人員要求，前一階段的輸出交付物作為下一階段輸入，在每個階段完成后對交付物進行驗證，在軟件集成后在最后階段進行確認與軟件需求的一致性。在實際應用中，設計實現階段和測試階段，會規(guī)劃小版本之間的迭代，從整體過程來看還是V模型。
軟件2.0的開發(fā)模型始于數據，可以劃分為數據管理、模型訓練、模型驗證、模型部署，這四個階段不斷往復迭代，不是一次性完成的。
數據管理：先建立所需數據集的要求，通過對數據的分析確定數據收集、增強和預處理的需求，收集什么數據，如何收集數據，如何解決樣本數不足，收集成本過高的問題，如何對收集的數據清洗預處理。
模型訓練：選擇所使用的模型，構建損失函數作為訓練誤差的衡量標準，訓練的目的是產生一個最小化該誤差的模型。需要制定一個合適的數據拆分策略，用于訓練模型、驗證模型、測試模型的比例。
模型驗證：針對數據管理階段產生的獨立于訓練數據集的驗證數據集，通過測試評估訓練模型的性能。
模型部署：使用驗證過的模型的系統將被集成，將經過驗證的ML模型與使用傳統軟件工程方法開發(fā)和驗證的系統組件進行整合，對其運行進行監(jiān)控，并通過在線維護或在線學習進行更新。
4.2、軟件2.0新的軟件需求：數據集
既然軟件2.0的系統行為主要由數據集決定，系統是否符合其預期功能，很大程度上取決于數據集的質量。要證明數據集對于軟件的預期功能在系統的操作環(huán)境下是足夠的，對于認證來說是非常大的挑戰(zhàn)。與軟件1.0的需求對比，有以下不同：
- 確定軟件需求不是在需求階段，而是在軟件開發(fā)階段，對軟件設計實現的輸入將不是軟件的功能需求，而是訓練過程的輸出。如一個神經網絡架構、權重和偏差。
- 需求和設計實現不具備可追溯性，神經網絡結構和權重不能追溯到開發(fā)它們的軟件需求，追溯不到描述預期屬性的需求文件，也追溯不到訓練數據集。
- 安全軟件的驗證方法不再適合數據集及訓練模型，人類已無法理解，無法實現人工審查和分析，傳統軟件基于需求的測試方法也無法進行。例如，功能安全軟件的測試用例采用的等價類生成分析，由于常規(guī)規(guī)模的神經網絡的高度復雜和非線性特征，不適用于模型的實施。要確定神經網絡模型算法的等價類是不可能的。
ISO26262 軟件單元測試用例生成推薦方法
- 數據集的屬性與軟件需求保證屬性存在差異，傳統軟件需求的完整性，清晰性，精確性，無歧義性，可驗證性，可測試性，可維護性，可擴展性 這些屬性的含義需要重新定義。
- 網絡權重作為參數數據項，在本質上與傳統的數據配置文件不同，依據已有配置參數修改流程而套用網絡權重，存在很大偏差。
4.3、軟件2.0開發(fā)工具鏈
傳統軟件開發(fā)中已建立完善的工具鏈用于支持開發(fā)，集成開發(fā)環(huán)境，編輯器，編譯器，調試器，git集成，單元測試，集成測試工具，在功能安全軟件工具的鑒定中，根據工具對軟件安全性影響的不同，劃分為不同的級別，例如ISO26262-8對軟件工具的TCL1、TCL2和TCL3分級。在軟件2.0中，也可以按照類似的分類對工具進行分級，但目前還沒有完善的開發(fā)工具鏈和如何對工具鑒定的標準。
從軟件領域的發(fā)展來看，軟件2.0所占的規(guī)模越來越大，已出現機器自動生成的代碼，當這類軟件應用于安全關鍵系統時，有可能徹底改變既有軟件的開發(fā)模式，需要識別與現有標準的差異，安全關鍵領域如航空航天、鐵路、汽車標準，采用協作的方式在不同領域之間獲取經驗；對應用軟件2.0產品的鑒定也不再是一次性的，與軟件2.0生命周期類似，是一個迭代的過程，評估系統運行性能表現是重要環(huán)節(jié)；軟件的變更會更加頻繁，如智能網聯汽車的OTA功能，對軟件變更的評估，應考慮其服務期限、運行設計域差異、產品異常行為記錄報告等所有既有數據記錄。
轉自汽車電子與軟件
