模块化仿真 架构为何成为工程工作流程的标准？

工程团队现在面临着前所未有的系统复杂性，他们正在将模块化仿真 架构作为新的标准，因为任何其他架构都无法与之匹敌。例如，一辆现代汽车可能包含150 多个基于微处理器的控制器，运行的代码超过 1.5 亿行。分析表明，一辆新车40% 或更多的 开发预算将用于系统集成、测试和验证，因此集成和验证如此复杂的系统已成为一项艰巨的任务。面对这些挑战，团队不能再依赖于僵化的、一次性的仿真 模型或孤立的工具，因为它们会让每个项目都像是在重新发明轮子。模块化、开放式的仿真 平台已经从可有可无转变为管理复杂嵌入式系统的必备工具。当每个项目的成功都取决于机械、电气和软件领域的快速迭代设计时，即插即用仿真 组件的能力正在更好地改变工程工作流程。

复杂项目暴露了单一仿真的局限性

孤立的工具和领域

工程项目往往跨越多个学科--电子、软件、机械系统--但传统的工作流程却将这些领域隔离开来。每个团队都使用自己的专用建模工具，最后将他们的工作汇集在一起就成了一件令人头疼的事。由于单一的仿真 环境通常只能很好地支持某些领域，因此宝贵的工作会被重复或在翻译中丢失。在最糟糕的情况下，团队甚至会为了适应一个僵化的框架而放弃自己熟悉的工具，从而牺牲了现有的模型投资。 共同仿真方法相比之下，共同仿真方法可以让每个合作伙伴继续使用其成熟的工具，并保留这些投资。

抵制变革的僵化模式

单片仿真 模型本质上是不灵活的。当需求发生变化或需要评估一个新的组件时，工程师往往必须彻底修改一个巨大的模型。这不仅耗费大量人力，而且容易出错。在紧密耦合的模拟中，一个子系统的调整可能会对其他子系统产生意想不到的连锁反应。扩展此类模型同样存在问题；试图扩展单体模拟器以涵盖更多系统或更高保真，可能会突破计算极限，或需要进行痛苦的简化。这些 "一刀切 "的模型很难适应实际工程设计中的迭代特性，而且也不容易在新项目中重新使用。

整合较晚意味着风险较高

孤岛式单体仿真 最大缺点是系统集成发生在开发周期的后期。软件和硬件只有在分别测试后才会整合在一起，而这正是隐藏的不兼容性或性能问题最终出现的时候。如果在最后期限前才发现控制回路不稳定或接口不匹配，代价可能会很高。由于仿真 无法及早发现问题，后期的修复工作可能需要更改硬件或匆忙修补代码。在整个开发过程中缺乏集成的模块化测试环境，往往会导致原型出现令人不快的 "意外"，从而削弱对设计的信心，拖慢整个项目的进度。

模块化仿真 架构可加速开发和测试

转向模块化仿真 架构直接解决了单体工作流程的瓶颈问题。通过将复杂的模型构建为可互换组件的集合，团队可以更快地开展工作，并以更少的返工进行更全面的测试。例如，模块化方法可通过多种方式加快开发和验证速度。

• 更快的设计迭代工程师无需重建整个模型，就能更换更新的子系统或新的设计理念。这种灵活性使设计变更和快速 "假设 "实验能够快速周转。
• 重复使用经过验证的组件这意味着，一旦某个模块（例如发动机模型或电池系统）经过验证，只需进行最小程度的修改，就可将其放入未来的项目中。重复使用经过验证的模型不仅可以节省时间，还能提高可靠性，因为已知的好组件可以应用到新的设计中。
• 并行开发由于不同的专家可同时处理子模型，因此并行开发成为可能。模块化架构允许电气工程师、软件开发人员和机械设计师在各自的部分上齐头并进，不断整合，而不是等到最后才合并一个庞大的模型。
• 早期硬件在环测试模块化设计便于将控制器板或传感器等真实硬件插入仿真。团队可以在建立完整原型前很久就开始针对虚拟工厂测试真实控制器，从而更快地发现集成问题。 这种做法已被证明可以防止对真实设备造成潜在损害，降低调试成本，并减少整体测试工作量。
• 降低成本和风险在涉及物理硬件之前进行虚拟测试，涵盖多种情况（包括边缘情况），从而降低成本和风险。企业在多个原型和最后一分钟修复上的花费更少，因为在仿真 中发现的问题比现场测试中发现的问题解决起来要便宜得多。

通过这些方式，模块化仿真 加快了从概念到验证的整个周期。团队可以快速迭代，更早地纳入现实世界的约束条件，并在不互相踩踏的情况下开展协作。最终的结果是，开发过程可以在更短的时间内提供经过更好测试、更稳健的设计。最重要的是，要大规模地获得这些优势，还需要采用开放式标准，使来自不同工具和领域的模块能够无缝地集成在一起。

开放式标准实现多领域无缝集成

模块化、多域仿真 关键推动因素之一是模型接口开放标准的使用。工程师需要集成不同工具和不同团队开发的组件，而专有格式或封闭的生态系统会使集成变得笨拙。像 功能模拟接口（FMI）等标准的出现就是为了解决这一问题。FMI 背后的愿景是，如果一个真实产品是由许多受不同物理和控制逻辑支配的部件组装而成，那么人们也应该能够以同样的方式组装一个虚拟产品--由一组每个部件的模型组装而成，每个模型都封装了自己的物理和控制。这样，一个供应商的发动机模型和另一个供应商的控制器模型就可以共存于一个共享的仿真 环境中，只要两者都遵守 FMI 标准来交换数据即可。通过依赖这种开放式接口，企业可以避免被供应商锁定，并确保每个模块都能与其他模块对话，无论使用哪种工具创建模块。

开放标准使真正的多领域协同仿真成为现实。电力系统工程师可以使用电网模拟器，而机械工程师则可以使用有限元模型；通过标准接口，他们的模型可以作为一个整体运行。这种功能意味着团队可以为每个领域选择最佳工具，而不必担心兼容性问题。它还能促进与外部合作伙伴或供应商的合作--每个人都可以将自己的部分作为封装模块贡献出来，并确信它能插入到整个仿真中。从本质上讲，采用开放式标准可确保所有专业模拟无缝连接，以表现整个复杂系统的行为。

工程工作流程转向模块化仿真

工程领导者现在认识到，仿真 不再是工程设计中的事后想法，它从第一天起就已成为工作流程的核心。各行各业的企业都在将仿真 融入设计和开发的每个阶段，上述模块化、实时的方法促成了这一变化。在 最近的一项行业调查中，缩短产品上市时间被认为是仿真第一大预期效益，甚至超过了产品性能的提高。这反映了思维方式的转变。企业现在不仅将仿真 作为故障排除或最终验证的工具，还将其作为提高开发速度和灵活性的驱动力。

传统方法曾迫使团队等待实物原型，以了解所有部件如何协同工作。现在，有了模块化模型和先进的仿真 （从 软件在环到完整的硬件在环测试），团队不断进行集成和迭代。嵌入式系统仿真 可与硬件设计并行运行，确保控制软件、电子设备和机械部件同步发展。当物理原型到达时，大多数集成问题都已在虚拟中解决。整体工程工作流程发生了转变，强调以仿真开发作为标准实践，以满足当今复杂的软件驱动型产品的需求。

OPAL-RT 致力于模块化、实时仿真

随着工程工作流程采用模块化仿真，OPAL-RT致力于提供开放的实时仿真 平台，使这种方法切实可行。其实时数字仿真器 和软件支持 FMI 等开放标准，并与 Simulink 等工具集成，使工程师能够将不同来源的模型整合到一个统一的实时平台中。这意味着开发团队可以利用模块化设计的优势（重复使用模型和执行硬件在环测试），而不受专有工具链的限制。公司专注于超低延迟硬件和可扩展的模块化软件架构，使用户能够准确仿真 复杂的嵌入式系统，并将虚拟模型与实验室中的物理组件无缝连接起来。

与模块化仿真 的结合并不新鲜，它从一开始就是我们的基础。在各行各业，世界各地的工程团队都在使用我们的实时仿真 来加速产品开发，并确保对设计的信心。他们可以对每个子系统进行迭代建模、调整和验证，然后根据需要将所有功能与真实硬件控制器集成在同一内聚平台上。最终结果是减少了意外，加快了从概念到现实的过程。