海尔集团范纪青：MathWorks工具为软件开发带来颠覆性创新

人工智能作为引领新一轮科技革命和产业变革的战略性技术与重要驱动力量，目前已在许多领域中实现了打破传统和桎梏的变革。而这一新趋势的出现，主要得益于近年来人工智能算法和模型的发展。

今年年中，由全球领先的数学计算软件开发商MathWorks主办的2024 MATLAB EXPO中国用户大会（北京站）在北京新云南皇冠假日酒店隆重举行。来自MathWorks、中联重科智能技术有限公司、重庆西山科技股份有限公司、西安电子科技大学等多位专家学者、企业代表和业界精英出席了本次大会，并围绕工业应用中的人工智能、电气化、建模与仿真、通信、半导体、汽车电子等热门话题，分享了使用MATLAB和Simulink进行人工智能算法开发和基于模型设计的最新趋势。

作为本次大会的重磅嘉宾之一，海尔集团嵌入式开发专家范纪青带来了题为《基于模型设计的创新开发模式在家电嵌入式软件中的应用》的主旨演讲，以水联网家电为例，介绍了海尔智家研发团队如何采用基于模型的设计，对电控相关系统进行建模，开展基于模型的仿真测试，并利用自动代码生成实现快速部署，从而在家电行业日趋激烈的市场竞争环境下，提升嵌入式软件的开发效率与质量。

大会当天，21ic有幸采访了范纪青和MathWorks中国半导体行业经理与技术专家陈晓挺，针对软件标准化、模块化和数字化开发，以及软件新技术、新应用等方向进行了深入交流。

图：海尔集团嵌入式开发专家范纪青

据了解，海尔智家是海尔集团旗下子公司，目前已连续5年荣登《财富》世界500强榜单，并已连续19年入选世界品牌实验室中国500最具价值品牌。而海尔智家之所以能够在这些年备受市场青睐，主要与专业的产品设计和高效的过程开发密不可分。

据范纪青介绍，海尔智家是率先引用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计，将虚拟模型作为开发全程的核心，实现更高产品性能的家电企业。对于海尔智家来说，采用基于模型设计的创新开发模式，不只是一种开发工具的更换，更是一种设计理念的转变。

要知道，传统的嵌入式软件开发流程是一个文档驱动的流程，它将整个软件开发过程划分为顺序相接的几个阶段，每个阶段都必须完成全部规定的任务（文档）后，才能进入下一个阶段。这就意味着，只有当所有的系统模块全部开发完成之后，才能进行系统集成。对于一个由上百个模块组的复杂系统来说，这样的开发流程则是一个非常艰巨而漫长的工作。

“以前我们拿到一个开发任务，上来就是直接写代码；但现在要求我们去做模型设计，设计完了还要验证，并且还要做数字化，把软件分成很多的标准化模块。这样的开发流程不可能只靠1-2个人完成，所以我们要做一些转变，让软件开发变得更简单高效。” 范纪青表示。

相较于传统的开发模式，基于模型的设计的核心在于开发全程系统地使用模型，包括需求设定、系统架构建模、设计实现、仿真、自动代码生成，以及验证和确认。它不仅可以为复杂系统的开发提供一种数学性的、形象化的方法，还可以补充并支持敏捷开发实践，支持产品和服务的数字转型。

据悉，MATLAB与Simulink配合以支持基于模型的设计，可用于多域仿真、自动生成代码，以及嵌入式系统的测试和验证。其中，MATLAB是数百万工程师和科学家都在使用的编程和数值计算平台，不仅支持数据分析、算法开发和建模，还支持多种多样的任务和应用；而Simulink是一款建模、仿真工具，可以提供一个模块图环境，支持使用多域模型进行系统设计，在转至硬件之前进行仿真，并且无需编写代码即可进行部署。

以海尔智家水联网产品为例，自从使用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计，其软件开发便实现了竞争对手无法匹敌的功能和性能。其中，最大的变化之一就是支持软硬件解耦，即将软件和硬件进行分离，使其能够独立设计、开发、测试和部署，从而提高了系统的灵活性、可扩展性和可维护性。除此之外，基于模型的设计还实现了代码跨品类通用，为跨职能团队的多领域工作提供一种通用语言，从而支持和推动了团队协作。

除了设计开发，在嵌入式系统中，软件测试的重要性也是毋庸置疑的。性能测试是一种用于评估软件系统在特定条件下的性能指标的方法，其目的是确保软件系统能够满足预期的性能要求，并在实际环境中运行良好。

然而，传统的测试模型通常基于规则和手动定义的测试用例，这种方法在面对庞大而复杂的软件系统时，往往显得程序繁琐、效率低下，且数据分析较为单一，而测试覆盖率也难以达到理想水平。更重要的是，传统的测试模型无法兼容多个仪器，不能根据测试需求、精度要求等选择合适的仪器型号。

为了提高测试模型的准确率和稳定性，海尔智家水联网产品在嵌入式测试中引入了MATLAB和Simulink进行验证和确认，很好地改善了上述情况。

范纪青指出，与传统的测试模式相比，我们使用基于模型的测试平台，不仅实现了自动化测试，使效率得到了大幅提高，同时还实现了测试覆盖度100%，有效提升了软件质量。

“举个例子，一般电热水器都有‘预约加热’功能，用户设置预约时间通常要求精确至几时几分，仅预约时间的设置就有24h×60min=1440种组合。如果我们手动测试至少是15分钟一次，那么这样也得需要360个小时才能完成。但如果使用模型自动化测试，仅需40分钟即可完成100%覆盖全域的测试组合，这是传统测试模式中人工操作无法比拟的。”范纪青解释说。

不仅如此，基于模型的系统测试还具有不依赖硬件的特点，而软件集成后还可对系统软件进行功能验证，并且支持异常条件或场景的测试，比如干烧、短路、断路等，以便尽早发现错误，提高质量水平。

尽管MATLAB和Simulink能够给系统开发带来诸多实用性改进，但这一开发平台的使用门槛还是相对较高的。

在范纪青看来，从传统的开发流程到基于模型的嵌入式软件开发流程，其过渡的核心关键是怎么调整架构、如何进行物理建模、怎样有效降低成本等。不过，这些问题通过后天学习和深入研究都能得到解决。对于大多数开发者与企业来说，使用这种新型工具，最大的难度其实在于设计理念的转变。

对此，陈晓挺也有着同样的看法：“虽然家电行业已经较为成熟，但目前仍然面临着新的市场变化和新的消费需求，比如节能减排对家电技术指标提出了更高要求，使得家电研发难度增大，软件算法愈加复杂，这时候就需要引入MATLAB和Simulink，因为仅靠人工手写代码和编程是无法搞定海量数据下的算法问题的。但是，很多人都已经习惯了做硬件设计，软件团队规模相对较小。如何跳出这种传统思维模式、转变设计理念，是一件很难的事情。”

总之，当前使用基于模型的设计解决嵌入式软件开发难题的国内企业虽然只有少数几家，但相信在不久的将来，我们会看到更多像海尔智家一样的传统企业成功转型的案例。特别是随着人工智能技术的不断发展和完善，MATLAB和Simulink将在嵌入式开发领域中发挥更大的作用，为开发者与企业带来更多的便利和价值。