MBD 的全称是什么？

MBD：基于模型的设计

MBD 代表模型化设计。模型化设计是一种利用仿真来全面理解正在构建或已存在的物理系统行为的技术。 缩写 MBD 经常被用来指代模型化设计。模型，包括光学、热学、力学、气动和液压系统，或这些系统的任何组合，都是对物理系统任何组件的计算机化可视化，用于研究。该系统可能包括有源、无源和集成电路 (IC)。

模型化设计（MBD）是一种数学和图形化的方法，用于解决复杂信号处理、控制和通信系统中的设计问题。 它在运动控制、工业、交通和航空航天等领域有广泛的应用。嵌入式设备的软件是使用模型化设计方法开发的。模型化设计提供了一种数学和可视化的方式来构建复杂的系统。它通过组建沟通共同语言的跨职能团队来促进和推动协作。

模型化设计仿真研究需要一个目的，即明确陈述要回答的目标或问题集。例如，仿真可以用来评估系统的设计，并在生产之前优化其软件和硬件实现，从而避免可能昂贵的物理原型迭代。组装成本和零件尺寸减小、产量分析、组件公差的统计变化、行为灵敏度、应力水平和功能安全故障（失效）分析、与可靠性预期性能的验证以及保修成本的降低都是可能的附加目标。

模型化设计 (MBD) 所需的组件

为了实现模型化设计的目的，必须具备以下三个基本要素：

1. 建模工具

能够进行特定设备特性描述或定制模型构建的建模技术，以及硬件描述语言 (HDL)， 可以赋能工程师克服模型差距的障碍。当仿真模型被添加到系统实现中时，虚拟模型可以被接受为可执行的设计。

2. 深入的理解和设计知识

需要对仿真的目标有深入的理解以及设计专业知识。基于经验或对相关理论的理解而产生的对系统行为的期望，可以大大减少实施过程中的错误。 如果仿真查询不符合所用模型的标准，过度的复杂性可能会阻碍项目开发。

3. 一个强大且值得信赖的模拟器

需要一个强大、可靠的模拟器。这里的“强大”意味着模拟器可以提供结果来改进设计调试过程，“可靠”则意味着其结果可以普遍被信任，并能反映系统的真实状态。

模型化设计的优势

设计耐久性验证的需求已不再局限于测试标准系统性能，还包括了组件限制、输出和制造选项的影响。设计工程师面临着创造更高质量、更低成本、更快上市的设计的压力。最大限度地利用模型化设计和仿真技术对于实现这一目标至关重要，因为它使得创建可靠的系统变得更容易，并且可以计算出结果，进行灵敏度和应力分析，并在物理原型制作之前识别出关键组件。

模型化设计的一些主要优势包括：

1. 减少昂贵的硬件迭代次数

设计师可以在系统创建之前测试系统的设计并优化硬件和软件实现，或者通过使用已完成的设计来避免可能昂贵的物理原型迭代。

2. 提高运行安全性

真实系统数字模型的虚拟烟雾表明，可以安全有效地进行长时间、大规模的测试。这些测试包括检测可能存在的嵌入式软件错误，这些错误充当周期性转向稳定性情况（例如，不准确的传感器信号、低电压或其他故障事件）的验证程序。

3. 缩短新产品推广所需时间

采用模型化设计技术可以非常有效地缩短新设计上市所需时间，从而提供额外的、关键的灵活性来满足客户的性能需求。

采用模型化设计技术可以非常有效地缩短新产品上市所需时间，同时为满足客户性能需求提供关键的灵活性。

4. 降低保修间接费用

对带有特定限制的系统进行建模非常有益，因为它还提供了进行关键统计研究和最坏情况分析 (WCA) 性能评估的机会。 因此，设计师可以预测将要制造的单位数量、可能通过最后质量保证测试并出货的单位数量，以及最终在使用中可能发生故障的单位数量。使用 WCA 仿真数据可以解决财务限制，并做出早期设计变更决策，以节省昂贵的保修更换费用。

模型化开发阶段

模型化开发遵循传统的 V 周期或 V 模型开发生命周期。虽然瀑布模型/级联模型有时被视为 V 模型的增强或扩展，但在 MBD 中，每一步都直接与测试相关。由于对迭代测试的重视，一些工程师称之为验证和确认模型。

V 模型的关键阶段如下：

1. 系统要求

系统需求分析包括根据系统需求文档 (SRD) 中规定的，全面概述、陈述和声明系统有效部署所需的所有元素。 SRD 包括物理组件（如连接器和工具）、软件先决条件（如运行嵌入式软件所需的处理器和操作系统）以及设计系统运行的其他必要方面。它们还必须提及团队将应用的工程技术，并足够详细。由于某些需求会影响特定组件，因此必须清楚哪些组件与哪些特定标准相关。

2. 系统架构

在模型化设计中，系统架构包括硬件和软件元素的函数精确映射，以及子系统和单元的布局。 系统可以以分层、事件驱动或分层的方式描述，以突出系统内部的通信和互连。

SysML，也称为系统建模语言，是一种通用建模语言，便于定义、构建、验证和确认系统。系统工程师经常在系统架构中使用 SysML。当模型化开发系统的架构得到正确规范时，工程师可以组合系统、子系统和组件以实现最高效率，同时节省维护与其他团队接口的时间。

3. 系统设计

在 MBD 中，系统设计是指规划、指定和描述拟议系统的各个模块、元素和单元的过程。 该设计方法强调性能的独特特征。它将正确解释系统的每个组件，以便工程师能够理解和评估潜在危险的关键要素。在此步骤中，工程师使用建模和仿真工具来开发所有子系统、零件、组件、路径和算法的数学或物理表示。

然后将模型应用于计算风险，其中包含诸如平均故障间隔时间、可靠性、成本、成功概率等因素。

4. 系统仿真与实现

在此过程阶段，工程师将从一个不太精确的模型开始，该模型包含定义系统功能和架构的数十或数百个块，然后在此基础上进行构建。他们将通过测试和重新设计构建更复杂的模型，以更精确地表示系统及其周围环境。这些更高精度的模型为设计优化阶段的决策提供了支持。设计优化的目标是找到最优的设计解决方案，对最终产品影响最大的因素，以及工程师需要做出的权衡。

5. 验证和确认

验证和确认过程包括验证软件是否按照提供的要求开发所需的所有步骤、持续测试、后端检查、即时应用程序和 Beta 测试。验证是指确保代码在预期的操作系统或平台上运行的过程。 它回答了“我们是否正确地构建了产品？”的问题。确认过程是找出系统的整体有效性是否满足必要标准。 它回答了“我们是否构建了正确的产品？”的问题。

评估所有需求是验证和确认过程的第一步。每个需求都必须包含一种机制来验证目标是否已实现。xIL，或基于循环的模型测试，是模型化开发验证和确认的重要组成部分。运行一系列的通过/失败测试，以确定不同的系统部分是否符合要求并且可以使用。

6. 生产

生产通常包括在真实环境中进行某种形式的驱动程序或人工参与的测试。目标是在有人在场并准备在发生安全事件时接管的情况下，对功能进行端到端的测试。 公司现在将比较模型的性能与产品在现实世界中的性能。当需要升级控制器时，在模型修订、模拟针对所有历史信息执行、验证和确认完成后，将使用 CI/CD 管道将更改应用到现场产品。如果工厂模型需要升级，将在 MBD 工具中进行必要的调整。

在构建系统时，工程师通常从左上角的产品需求开始，向下定义系统架构，然后在开始实现之前完成系统设计。然后，系统会向上移动到右侧进行确认和验证，然后再进入生产阶段。创建连接系统所有部分的数字线程并推动系统开发以进行持续测试的理念比事件的时间顺序更重要。

模型化设计的优点

大多数使用模型化设计的公司观察到开发时间减少了至少 30% 到 50%。这些节省来自于更好的团队沟通和风险降低，因为问题可以在系统设计过程的早期发现，从而缩短了任何必要修改所需的时间和成本。在时间和金钱效率方面，模型化设计优于传统的瀑布式开发过程来设计系统，MBD 专家还可以获得以下优势：

1. 由于工程师可以在构建硬件原型之前审查和更新系统的设计，因此需要开发的物理原型数量较少。
2. 有助于在开发阶段早期识别问题和故障，在它们影响设计其他区域之前，从而加快开发过程。
3. 跨不同学科的协作更容易。它减轻了开发团队确保信息单一来源的压力，并确保每次更改都能向下传播到各个团队。
4. 功能安全性得到提高，因为可以快速、有效地、安全地进行虚拟原型制作和各种极端情况的测试。

模型化设计的挑战

模型化设计 (MBD) 是复杂系统开发中的关键一步。然而，MBD 的商业化应用仍然面临重大挑战。

1. 高昂的初始投资

为了获得好处，企业必须致力于确保每个团队都遵循 MBD 流程，这需要投入时间和金钱来创建合适的设备和程序。

2. 可能更复杂

现代复杂系统，如自动驾驶汽车，可能需要大量的子系统和组件，这使得将它们全部组合成一个模型变得困难。

3. MBD 工具不足，集成选项少

组织经常不得不在糟糕的产品之间进行选择来支持他们的 MBD 和 MBSE（基于模型的系统工程）工作流程。大多数现代设备都很昂贵，难以设置，并且难以使用。

结论

总之，模型化设计极大地改变了我们在不同领域的想象、构建和改进复杂系统的方式。模型化设计通过支持在无风险的数字环境中研究多种设计选项来鼓励创造力。 工程师可以自由地迭代改进他们的设计，提高性能，并在没有物理原型限制的情况下分析后果。这不仅提高了最终产品的质量，还促进了创新技术和新概念的使用。模型化设计使得进行预测性维护和系统优化成为可能，从而促进了产品整个生命周期的长期可持续性。 当使用有效表示系统行为的模型时，就可以跟踪实时结果并就维护、升级和增强做出明智的决策。

然而，重要的是要理解，应用模型化设计需要思维方式的转变以及在硬件、软件和培训方面的财务投资。组织还必须考虑模型验证、确认以及真实世界复杂性准确表示的潜在问题。