隨著客戶需求范圍的擴大和復雜性的增加，系統的邏輯與控制軟件的規模和復雜性也隨之擴大和增加。當各機構需要在越來越緊迫的時限內開發飛機和汽車應用所需的數百萬行代碼時，他們發現傳統的開發流程已不再能夠滿足質量與時間的目標要求。將基于模型的設計用于嵌入式系統開發，可在開發過程早期發現缺陷并減少潛在缺陷總數，從而可以降低成本。基于模型的設計可以幫助公司在更短時間內以更低成本開發出質量更高的系統，具有頗具競爭力的優勢。

傳統開發方法對比基于模型的設計

在傳統開發流程中，需求、設計、實現和測試任務在不同的工具環境下依次執行，其中涉及多個人工步驟（圖1）。使用Microsoft Word或IBM DOORS等工具以文本方式捕獲需求。不同設計使用針對該領域的不同工具實現，這使得系統級測試一直要到在軟件或硬件中實現后才能執行。然后人工將設計轉換成代碼，這是個耗時且容易引入缺陷的過程。每個階段中都會引入一些缺陷，從而使測試階段成為要發現之前階段中所積累的所有缺陷的清道夫。因此，測試階段占到整個開發時間和成本的大頭。缺少公用工具環境、多個人工步驟以及后期才能發現缺陷等因素都會延長開發時間、增加開發成本。

圖 1. 傳統開發方法需要許多會引入缺陷的不必要的人工步驟。

基于模型的設計（圖2）以和傳統流程相同的需求開始。但是，這些需求并不作為文本規范的基礎，而是用于以模型的形式開發可執行規范。工程師使用這些模型來明確需求與規范。然后對這些模型進行細化，以開發需求更具體的設計。使用基于模型的設計工具，工程師可以在系統級對設計進行仿真，在實現之前發現界面缺陷。完成設計之后，工程師借助這些模型自動生成產品級代碼和測試用例。此工作流程使工程師們從需求到測試階段都能夠處于同一環境中，從而減少了人工工作量。此外，當工程師們在模型中仿真可執行規范來驗證其是否滿足需求時，在需求階段即可開始測試。這樣便可及早發現和消除缺陷，降低開發總成本。

圖 2. 基于模型的設計在整個開發過程中使用系統級模型作為可執行規范。這種設計方法支持系統級和組件級設計與仿真、自動代碼生成以及連續測試與驗證。

基于模型設計的優勢

相比采用傳統方法的機構，采用基于模型設計的機構可將成本降低20%到60% 。成本節約主要得益于更準確的需求分析以及早期和連續的測試與驗證。由于使用了模型來仿真需求和設計，因此可在開發流程中早的多地發現缺陷；而處理早期發現的缺陷可成百上千倍地降低成本（圖3）。

圖 3 基于模型的設計可將缺陷發現提前到開發階段早期。

使用基于模型設計的 ROI 框架量化節約的成本

采用基于模型設計 的ROI 框架來進行評估。根據項目大小、團隊規模和其它因素，該框架可使用基本構造性成本模型（COCOMO）計算出傳統開發的成本，然后減去基于模型設計所節約的成本，即可獲得基于模型設計的開發成本。之所以選用基本COCOMO模型原因是該模型是一種廣泛用于航空和國防工業的通用參數成本估算工具，在上兩個領域，采購成本的可計算性要求由縝密的模型來進行軟件成本估算。然后便可通過計算軟件成本和項目團隊培訓成本來計算ROI。該框架使用由軟件工程協會（SEI）、電氣和電子工程師協會（IEEE） 和行業研究所規定的指標。由于項目規模、現有流程和使用基于模型設計的團隊的專業水準因行業和公司而異，因此可針對特定的項目和團隊自定義基于模型設計的ROI框架。

我們看一個有500，000行代碼的軟件項目基線案例。使用基本COCOMO模型可以算出使用傳統方法的開發成本大約為600萬美元。為了計算基于模型的設計相比傳統方法所節約的成本，每個開發階段（需求、設計、實現和測試）都要根據行業指標進行分析。然后便可匯總出所節約的總成本，并從傳統開發成本中將其減去。在本例中，基于模型設計的成本為300萬美元，相比傳統方法節約了50%。

為了實現50%的成本節約，該框架會檢查基于模型設計所消除的傳統開發流程中的低效情況，并根據行業指標和平均值計算出所節約成本。因每個開發階段節約的成本是分別計算的，因此該框架適用于逐步采用基于模型設計的情況。

下文將討論其中一種低效需求情況，以此來說明該框架是如何工作的。在需求階段，使用模型來發現不明確、不一致或不可測試的需求，這使工程師能夠更大比例地發現缺陷。基線案例的該增加比例假設為9%。在需求階段發現這些缺陷，意味著可以避免開發階段后期成本高昂的返工。未發現的這9%的缺陷乘以解決該類缺陷的平均時常即為部分需求成本的節約量，而該缺陷的根本原因在于不正確的需求。在基線案例中，各需求缺陷的平均處理時長為4.5小時。根據該計算，基于模型的設計可節約2，025個工程小時。圖4演示了處理需求分析缺陷（pain point）的框架部分。該框架還包含其它七個處理不同低效情況的部分。

圖 4. ROI 框架可計算通過在早期修正不正確需求而節約的工程小時數。

本例中，匯總整個開發過程所節約的成本時會發現，節約主要來自需求和測試階段（圖5）。這得益于更為全面的需求分析，從而減少了遺留到后續階段的缺陷。簡言之，更好的需求有助于更好的設計實現。盡早和連續的測試使得可在引入缺陷的各階段本身就能發現并處理這些缺陷，這樣就減少了遺留在軟件中的潛在缺陷、降低了整體開發成本。

圖 5. 需求和測試階段節約的成本占總節約成本的大部分

MathWorks與采用基于模型設計的航空與汽車企業合作時，ROI框架有助于引導這一采用過程，使企業能夠發現可立即、顯著地從轉用基于模型的設計中獲益的領域。

本文小結

對大多數企業而言，投資新技術和新流程/工藝是一種有風險的嘗試。本文介紹的投資回報計算旨在提供投資基于模型設計的替代分析方法。除了證明投資的合理性，ROI框架還可以使設計團隊發現基于模型的設計可以帶來最大節約的領域，以及通過進一步研究可大幅降低成本的領域。

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