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1、国际软件质量工程国际软件质量工程International Software Quality Engineering1信息物理系统的软件架构与系统质量管理：信息物理系统的软件架构与系统质量管理：现状与未来发展现状与未来发展张盟2024年1月12日 上海22024 iSQE 软件密集型系统软件密集型系统存存在多种不同分类在多种不同分类.嵌入式系统嵌入式系统信息系统信息系统软件密集型系统软件密集型系统移动系统移动系统软件集成于实物中大多资源受限多用于控制和通信任务，如安全气囊控制、泊车辅助通常对数据和功能性至关重要聚焦于信息的管理和处理加工适用于大量数据和复杂的数据结构多用户并行使用多样化：业务信

2、息系统、CAD应用、模拟系统等移动、（半）自主、个人化、具备很高的交互需求高度联网，但并不一定总能联网例如：智能手机、自主机器人、网络中的传感器/执行器节点来源:Software Architecture Fundamentals A Study Guide for the Certified Professional for Software Architecture,dpunkt,2018 32024 iSQE 汽车嵌入式系统复杂度的演变汽车嵌入式系统复杂度的演变必要复杂度(自然复杂度)意外复杂度(人为复杂度)来源:Mehr Software(im)Wagen:Informations-u

3、nd Kommunikationstechnik(IKT)als Motor der Elektromobilittder Zukunft,Abschlussbericht des vom Bundesministerium fr Wirtschaft und Technologie gefrderten Verbundvorhabens eCar-IKT-Systemarchitektur fr Elektromobilitt“,2011 功能的数量和复杂度第100万辆大众甲壳虫汽车被生产博世在梅赛德斯S级轿车上引入ABS（1978）引入CAN作为总线标准（1987）10ECUs如帕萨特B5

4、,199670ECUs201043ECUs 如帕萨特B6,2005集中式信息和通信技术架构实际复杂度功能数量（必要复杂度）电线电缆时代40年总线和ECU时代26年服务时代17年时间云/集群导向的信息和通信架构42024 iSQE TimeDegree of degenerationProduct LineArchitectureProductArchitecture?Applying the methodologyTIER 1OEMArchitecture Conformance Checking最初规划的架构退化“意外”复杂度不成比例的增长导致：“坏的”架构设计充斥着低内聚强耦合后果：易复用

5、性低易维护性低易理解性低，以及性能下降产品模型架构退化程度模型模型模型架构退化和日益增长的复杂度架构退化和日益增长的复杂度必要复杂度意外复杂度52024 iSQE 复杂度的演变实例复杂度的演变实例：汽车纵向动力扭矩协汽车纵向动力扭矩协调调 组件之间不相互协调通信在某些情况下功能重叠Anti-lock braking system(ABS)Electronic stability program(ESP)Driver behaviorEmergency brake assistant日益增长的意外复杂度维护和再开发的巨大工作量62024 iSQE 软件密集型嵌入式系统的特点软件密集型嵌入式系统的

6、特点多功能性多功能性：具有与环境及彼此之间相互作用的各种功能复杂性复杂性：过去若干年内复杂度显著增加反应性和互动性反应性和互动性：系统与其环境之间保持持续互动和同步分布分布式式：通过分布式逻辑或物理组件网络以实现所需功能，彼此之间进行互动对物理和技术过程的持续控制对物理和技术过程的持续控制：异步和时离散控制器 vs.具有时连续行为的物理过程的控制展现实时特性展现实时特性：在许多软件密集型嵌入式系统中，系统运行期间必须满足实时需求安全关键性安全关键性：必须避免系统对其环境产生的负面影响72024 iSQE 不断增强的计算能力网络化系统结构和功能的整合高度复杂性与经典通信和信息技术的整合信息物理系

7、统信息物理系统(Cyber-physical System)信息和软件技术组件与机械组件相连接 组件可以通过数据基础设施进行通信，如互联网 应用领域：生产、物流、移动性、能源、环境等软件密集型嵌入式系统的趋势软件密集型嵌入式系统的趋势来源：C.Roser:Industrial revolutions and future view.2016.82024 iSQE 下一代系统：自主、开放和智能的信息物理系统下一代系统：自主、开放和智能的信息物理系统信息系统信息系统嵌嵌入式入式系统系统网络化+去中心化+开放+自主+学习(Learned AI)信息物理信息物理系统系统（部分）自主、开放和日渐成熟的系

8、统集群，对功能和非功能性（安全性、信息安全等）有很高的需求新一代系统带来的挑战-研究课题：许多开发相关的活动正在（完全或部分地）转移到系统的运行时92024 iSQE 下一下一代信息物理系统实例：自动化金字塔代信息物理系统实例：自动化金字塔发展趋势：自动化金字塔（部分）进入云端结果：经典的金字塔正在解体102024 iSQE 文化冲突文化冲突(Clash of Cultures)1/2:下一代信息物理系统的开下一代信息物理系统的开发流发流程程KI-Enabled Organisation筒仓思维和传统V模型敏捷软件开发+DevOps+AI+112024 iSQE 文化冲突文化冲突(Clash

9、of Cultures)2/2:下一代信息物理系统的下一代信息物理系统的开发开发人员配备人员配备“C#expertise,experience in Angular or React“You have a strong sense of responsibility for code quality“Comfortable using Visual Studio”“Familiar with version control systems such as Bitbucket,GitHub etc.”Test procedures and automation“Knowledge in the

10、field of UI/UX as well as good knowledge of relational databases are desirable“Classical Engineered DEVStrong experience with the machine learning libraries Open CV,Matlab,TensorFlow and Keras.“Profound experience with at least one of the following languages:Python,R”You have several years of experi

11、ence in the productive use of classic machine learning and deep learning models“In the tool landscape you keep track and have already worked with technologies such as Spark,Kafka,Hadoop,Cassandra,Elasticsearch,Azure or AWS”DATA-based AI Engineering122024 iSQE 下一代信息物理系统的架构设计和开发：编程艺术下一代信息物理系统的架构设计和开发：

12、编程艺术 vs.vs.机器学习艺术机器学习艺术RequirementsProgrammerModelCodeInputModelOutputInputOutputMachine Learning StrategyModel图片来源：https:/www.unite.ai/liquid-neural-networks-definition-applications-challenges/.是否把系统分解成构建块?是否还需要软件架构师？/引申问题:为什么我们还需要雇佣软件架构师？132024 iSQE 实例：汽车无人自动驾驶系统的架构设计实例：汽车无人自动驾驶系统的架构设计SensorSensor

13、ActuatorControllerSensor-fusionPlanningPredictionEgoPositionDyn.MapEnvironment ModelActuatorActuatorA Large Artificial Neural Network(End2End Learning)结论结论：现在和未来的系统是基于人工智能的混合系统，将经典的工程化子系统与使用人工智能技术的子系统相结合。结果：结果：我们作为软件系统架构师必须应对处理这类混合系统！142024 iSQE 但一切的问题都始于需求但一切的问题都始于需求.RequirementsArchitecture在需求和架构之

14、间实现可追溯性根据ISO26262汽车功能安全的规定,文档必须注明以下相关信息：维护需求和架构之间的追溯性的相关工作关于划定的变更的相关工作152024 iSQE 更更糟的糟的是涉及对需是涉及对需求的分解和映射到人工智能组件求的分解和映射到人工智能组件的相关工的相关工作作.AI开发方法开发方法:人工智人工智能系统的开发基于大量的数据而不是具体的需求规范能系统的开发基于大量的数据而不是具体的需求规范但是：收集到的数据也许存在信息缺失或者包含少量的不正确的数据样本！但是：收集到的数据也许存在信息缺失或者包含少量的不正确的数据样本！162024 iSQE 下一代信息物理系统的质量保证下一代信息物理系

15、统的质量保证AI开发方法开发方法:人工智人工智能系统的开发基于大量的数据而不是具体的需求规范能系统的开发基于大量的数据而不是具体的需求规范但是：我们可以从还不存在的需求中导出测试用例吗？我们可以从收集到的数据但是：我们可以从还不存在的需求中导出测试用例吗？我们可以从收集到的数据集中导出测试用例吗？集中导出测试用例吗？172024 iSQE 答答案是可以，但是案是可以，但是.现实是现实是:注意,这不是第一起驾驶员死亡的事故 来源：https:/ of Safety of The Intended Use(SOTIF),E.Schwalb,MSC Software182024 iSQE Depen

16、dability Cage Approach 验证验证（Verification）&确认确认（Validation）来源：Towards a holistic software systems engineering approach for dependable autonomous systems,SEFAIS 18 Proceedings of the 1st International Workshop on Software Engineering for AI in Autonomous Systems,International Conference of Software Engineering(ICSE 2018)信息物理系统的运行时监控（Runtime Monitoring）252024 iSQE Thank you 国际软件质量工程国际软件质量工程International Software Quality Engineering26