人工智能作為引領新一輪科技革命和產業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術與重要驅動力量，目前已在許多領域中實現(xiàn)了打破傳統(tǒng)和桎梏的變革。而這一新趨勢的出現(xiàn)，主要得益于近年來人工智能算法和模型的發(fā)展。

今年年中，由全球領先的數(shù)學計算軟件開發(fā)商MathWorks主辦的2024 MATLAB EXPO中國用戶大會（北京站）在北京新云南皇冠假日酒店隆重舉行。來自MathWorks、中聯(lián)重科智能技術有限公司、重慶西山科技股份有限公司、西安電子科技大學等多位專家學者、企業(yè)代表和業(yè)界精英出席了本次大會，并圍繞工業(yè)應用中的人工智能、電氣化、建模與仿真、通信、半導體、汽車電子等熱門話題，分享了使用MATLAB和Simulink進行人工智能算法開發(fā)和基于模型設計的最新趨勢。

作為本次大會的重磅嘉賓之一，海爾集團嵌入式開發(fā)專家范紀青帶來了題為《基于模型設計的創(chuàng)新開發(fā)模式在家電嵌入式軟件中的應用》的主旨演講，以水聯(lián)網家電為例，介紹了海爾智家研發(fā)團隊如何采用基于模型的設計，對電控相關系統(tǒng)進行建模，開展基于模型的仿真測試，并利用自動代碼生成實現(xiàn)快速部署，從而在家電行業(yè)日趨激烈的市場競爭環(huán)境下，提升嵌入式軟件的開發(fā)效率與質量。

大會當天，21ic有幸采訪了范紀青和MathWorks中國半導體行業(yè)經理與技術專家陳曉挺，針對軟件標準化、模塊化和數(shù)字化開發(fā)，以及軟件新技術、新應用等方向進行了深入交流。

圖：海爾集團嵌入式開發(fā)專家范紀青

據(jù)了解，海爾智家是海爾集團旗下子公司，目前已連續(xù)5年榮登《財富》世界500強榜單，并已連續(xù)19年入選世界品牌實驗室中國500最具價值品牌。而海爾智家之所以能夠在這些年備受市場青睞，主要與專業(yè)的產品設計和高效的過程開發(fā)密不可分。

據(jù)范紀青介紹，海爾智家是率先引用MATLAB和Simulink進行基于模型的設計，將虛擬模型作為開發(fā)全程的核心，實現(xiàn)更高產品性能的家電企業(yè)。對于海爾智家來說，采用基于模型設計的創(chuàng)新開發(fā)模式，不只是一種開發(fā)工具的更換，更是一種設計理念的轉變。

要知道，傳統(tǒng)的嵌入式軟件開發(fā)流程是一個文檔驅動的流程，它將整個軟件開發(fā)過程劃分為順序相接的幾個階段，每個階段都必須完成全部規(guī)定的任務（文檔）后，才能進入下一個階段。這就意味著，只有當所有的系統(tǒng)模塊全部開發(fā)完成之后，才能進行系統(tǒng)集成。對于一個由上百個模塊組的復雜系統(tǒng)來說，這樣的開發(fā)流程則是一個非常艱巨而漫長的工作。

“以前我們拿到一個開發(fā)任務，上來就是直接寫代碼；但現(xiàn)在要求我們去做模型設計，設計完了還要驗證，并且還要做數(shù)字化，把軟件分成很多的標準化模塊。這樣的開發(fā)流程不可能只靠1-2個人完成，所以我們要做一些轉變，讓軟件開發(fā)變得更簡單高效?！?范紀青表示。

相較于傳統(tǒng)的開發(fā)模式，基于模型的設計的核心在于開發(fā)全程系統(tǒng)地使用模型，包括需求設定、系統(tǒng)架構建模、設計實現(xiàn)、仿真、自動代碼生成，以及驗證和確認。它不僅可以為復雜系統(tǒng)的開發(fā)提供一種數(shù)學性的、形象化的方法，還可以補充并支持敏捷開發(fā)實踐，支持產品和服務的數(shù)字轉型。

據(jù)悉，MATLAB與Simulink配合以支持基于模型的設計，可用于多域仿真、自動生成代碼，以及嵌入式系統(tǒng)的測試和驗證。其中，MATLAB是數(shù)百萬工程師和科學家都在使用的編程和數(shù)值計算平臺，不僅支持數(shù)據(jù)分析、算法開發(fā)和建模，還支持多種多樣的任務和應用；而Simulink是一款建模、仿真工具，可以提供一個模塊圖環(huán)境，支持使用多域模型進行系統(tǒng)設計，在轉至硬件之前進行仿真，并且無需編寫代碼即可進行部署。

以海爾智家水聯(lián)網產品為例，自從使用MATLAB和Simulink進行基于模型的設計，其軟件開發(fā)便實現(xiàn)了競爭對手無法匹敵的功能和性能。其中，最大的變化之一就是支持軟硬件解耦，即將軟件和硬件進行分離，使其能夠獨立設計、開發(fā)、測試和部署，從而提高了系統(tǒng)的靈活性、可擴展性和可維護性。除此之外，基于模型的設計還實現(xiàn)了代碼跨品類通用，為跨職能團隊的多領域工作提供一種通用語言，從而支持和推動了團隊協(xié)作。

除了設計開發(fā)，在嵌入式系統(tǒng)中，軟件測試的重要性也是毋庸置疑的。性能測試是一種用于評估軟件系統(tǒng)在特定條件下的性能指標的方法，其目的是確保軟件系統(tǒng)能夠滿足預期的性能要求，并在實際環(huán)境中運行良好。

然而，傳統(tǒng)的測試模型通?；谝?guī)則和手動定義的測試用例，這種方法在面對龐大而復雜的軟件系統(tǒng)時，往往顯得程序繁瑣、效率低下，且數(shù)據(jù)分析較為單一，而測試覆蓋率也難以達到理想水平。更重要的是，傳統(tǒng)的測試模型無法兼容多個儀器，不能根據(jù)測試需求、精度要求等選擇合適的儀器型號。

為了提高測試模型的準確率和穩(wěn)定性，海爾智家水聯(lián)網產品在嵌入式測試中引入了MATLAB和Simulink進行驗證和確認，很好地改善了上述情況。

范紀青指出，與傳統(tǒng)的測試模式相比，我們使用基于模型的測試平臺，不僅實現(xiàn)了自動化測試，使效率得到了大幅提高，同時還實現(xiàn)了測試覆蓋度100%，有效提升了軟件質量。

“舉個例子，一般電熱水器都有‘預約加熱’功能，用戶設置預約時間通常要求精確至幾時幾分，僅預約時間的設置就有24h×60min=1440種組合。如果我們手動測試至少是15分鐘一次，那么這樣也得需要360個小時才能完成。但如果使用模型自動化測試，僅需40分鐘即可完成100%覆蓋全域的測試組合，這是傳統(tǒng)測試模式中人工操作無法比擬的?！狈都o青解釋說。

不僅如此，基于模型的系統(tǒng)測試還具有不依賴硬件的特點，而軟件集成后還可對系統(tǒng)軟件進行功能驗證，并且支持異常條件或場景的測試，比如干燒、短路、斷路等，以便盡早發(fā)現(xiàn)錯誤，提高質量水平。

盡管MATLAB和Simulink能夠給系統(tǒng)開發(fā)帶來諸多實用性改進，但這一開發(fā)平臺的使用門檻還是相對較高的。

在范紀青看來，從傳統(tǒng)的開發(fā)流程到基于模型的嵌入式軟件開發(fā)流程，其過渡的核心關鍵是怎么調整架構、如何進行物理建模、怎樣有效降低成本等。不過，這些問題通過后天學習和深入研究都能得到解決。對于大多數(shù)開發(fā)者與企業(yè)來說，使用這種新型工具，最大的難度其實在于設計理念的轉變。

對此，陳曉挺也有著同樣的看法：“雖然家電行業(yè)已經較為成熟，但目前仍然面臨著新的市場變化和新的消費需求，比如節(jié)能減排對家電技術指標提出了更高要求，使得家電研發(fā)難度增大，軟件算法愈加復雜，這時候就需要引入MATLAB和Simulink，因為僅靠人工手寫代碼和編程是無法搞定海量數(shù)據(jù)下的算法問題的。但是，很多人都已經習慣了做硬件設計，軟件團隊規(guī)模相對較小。如何跳出這種傳統(tǒng)思維模式、轉變設計理念，是一件很難的事情?！?/span>

總之，當前使用基于模型的設計解決嵌入式軟件開發(fā)難題的國內企業(yè)雖然只有少數(shù)幾家，但相信在不久的將來，我們會看到更多像海爾智家一樣的傳統(tǒng)企業(yè)成功轉型的案例。特別是隨著人工智能技術的不斷發(fā)展和完善，MATLAB和Simulink將在嵌入式開發(fā)領域中發(fā)揮更大的作用，為開發(fā)者與企業(yè)帶來更多的便利和價值。