物联网行业工程仿真解决方案

本文摘要（由AI生成）：

本文讨论了物联网设计中多个关键领域的技术挑战与解决方案。涉及信号完整性、热可靠性、机械可靠性、电源管理、传感器与MEMS设计、嵌入式软件开发、恶劣环境设计和虚拟系统原型设计等方面。通过仿真分析来优化电路板设计、评估能量采集系统的性能、预测物联网设备在恶劣环境中的表现，并加快嵌入式软件的开发和验证。同时，虚拟系统原型设计有助于减少集成问题，提高产品性能。这些技术对于物联网产品的成功至关重要。

一 仿真驱动物联网创新

物联网说到底包含三大要素：物、网络、云端。专家一致认为，通过分析从“物”采集到的数据，能够完全实现物联网的价值。举例来说，涡轮机引擎的振动能提供关键信息，便于改进操作决策。GE和PTC等业界领先企业开发的平台能连接到仿真工具，优化现场资产的性能，并驱动未来创新。

通过仿真优化性能的途径之一就是使用“数字孪生模型”。数字孪生模型的理念源于仿真、同时也结束于仿真：每个实体的物都有配套的虚拟的构成，即数字孪生模型。从物采集到的实际性能数据与数字孪生模型的预测进行实时比较，从而发现可能的性能问题，并采取预防性维护措施。同样的数据也可用于推进新一代产品的设计和仿真。

二 设计智能互联产品所面临的五大挑战

从机械系统到电子系统的转型，其中包括成百上千万行软件代码的重写，将大大增加复杂程度。不仅要求实现更高的可靠性、精确度、鲁棒性和创新性，同时还要降低成本。

1、尺寸、质量、功耗与冷却（SWAP-C）

无论是设计飞机、汽车还是智能手机，工程师都应该优化产品的尺寸、重量和能效性，否则产品就会落后于同类竞争解决方案。无所不在的互联、感应等物联网技术增加了电子组件的密度，也会带来更多尺寸、重量、能耗和热方面的挑战。

2、感应和互联

智能互联设备之所以“智能”，是因为它可以感知环境，与其他电子设备通信，并产生决策判断和结果。举例来说，采用高级驾驶人员辅助系统（ADAS）的现代化汽车配备了一系列感应通信技术。自适应巡航控制功能采用保险杠上内嵌的雷达和激光传感器，确保汽车在给定速度下与其它车辆保持安全距离。盲区监控器和车道偏离预警系统确保驾驶员在车道内安全行驶。汽车能监控并报告交通状况，通知其他安装GPS的车辆，并给出其他可选路线建议。

3、可靠性和安全性

汽车、航空航天和医疗等行业的许多产品都将在安全关键型环境下工作，并需要满足相应的可靠性和安全性标准。这一点尤其适用于嵌入式控制和显示软件领域，它们对于物联网中集成型机电产品的操作至关重要。就互联汽车和飞机系统等最复杂的产品而言，验证成百上千万行安全关键型嵌入式软件代码是一种重要的方法。

4、集成

由于产品复杂性随着时间推移不断提升，工程师要将设计流程分解为较小的阶段。这种组件级、自底向上的设计方法支持非常深入彻底的组件级验证，但在组件被装配成系统的后期阶段可能产生很多问题。这种系统和子系统级的集成工作往往导致过度设计、成本过高，甚至会为了满足产品发布时限要求而进行错误的设计权衡。

5、耐用性

物联网的一大吸引力就是数万亿部传感器和通信系统经过部署能支持全天候不间断地采集和共享有用的信息。这些系统不仅要在预期的环境中可靠工作，还应在极端艰苦的条件下工作，而后者往往是难以提前定义的。虽然不是所有产品都要在极端条件下工作，但产品的耐用性都要通过测试检验。分析并确保各种工作条件下的性能是一项核心设计挑战。

三 仿真驱动研发的平台级解决方案

研究显示，在统一平台上整合仿真驱动产品研发功能的产品开发团队与没有这么做的团队相比，满足产品发布时限要求的概率能提升24%，缩短产品开发时间的概率能提升37%。优飞迪提供的离散工业应用仿真功能以及综合平台，能帮助交付集成型物联网产品开发解决方案。

对于支持物联网的互联汽车而言，高级驾驶人员辅助系统（ADAS）是其发展进程中的一项关键技术挑战。该系统的集成需要传感器、安全关键型嵌入式软件、数据处理和完整的系统工程视图。此前上述元素被分隔在不同的工程领域，但系统高度耦合的行为需要集成型工程方法和仿真平台，在组件和系统级从高级物理域支持整体解决方案。

△ 高级驾驶人员辅助系统中的复杂传感器 

车辆对雷达系统输入的行为和反应，很大程度上取决于车辆内置的控制软件。确认和验证数十万乃至数百万行嵌入式软件代码、及其与物理组件的相互作用，是关键路径设计工作的组成部分。优飞迪综合仿真平台支持ADAS的虚拟硬件在环测试，能自动生成安全关键型嵌入式软件，并符合AUTOSAR和ISO 26262等业界标准要求。

△ 将雷达集成到车辆

ADAS是涵盖整车的大型复杂系统的经典例子。为了虚拟验证ADAS设计，所有其他主要汽车系统（如控制系统、人机界面、刹车和车辆动力系统等）都需要在综合系统仿真中进行建模。随后，应通过道路、建筑、行人等真实世界模型运行综合车辆及ADAS模型，以测试仿真驾驶情境中ADAS的行为。优飞迪综合平台能模拟大多数元素，同时保持开放性和协作性，从而让第三方合作伙伴软件也能在ADAS仿真环的某些部分上运行。

△ 了解雷达系统在现实环境中的性能

因此，无论您在开发什么物联网设备（可穿戴医疗设备到连接士兵的无人机），优飞迪都能提供仿真驱动的产品研发解决方案，帮助您实现综合仿真平台的优势。

四 物联网工程的七大关键应用

当然，像上述ADAS这样在综合仿真平台上开发的集成型解决方案，只有在具备基本离散仿真应用的基础上才能成功。

1、天线设计和布局

无线系统在真实环境的性能与在消声室原型测试环境中的性能大相径庭。多路径信号传播和衰减是复杂现实世界中建筑、移动乃至人体造成影响的结果。此外，现代产品采用多种不同的无线技术和频带，这就要求多种天线。因此，天线耦合和共址问题会降低性能，从而降低天线效率，提高功耗，并导致性能不可靠甚至失效。那么，工程师如何在工业环境中或者在汽车、飞机上抑或在手机中确保可靠的无线连接，而无需使用极为耗时的构建测试法呢？

采用优飞迪解决方案，工程师能进行近场分析，预测整个工业环境对天线和无线设备性能的影响。有限元域分解、3D力矩法、混合、射线跟踪（SBR）等技术可用来快速求解电大尺寸和复杂的全波电磁模型。这种方法能提供更多信息，改进准确度，并提高可靠性。

2、芯片—封装—系统设计

设计高速印刷电路板（PCB）和半导体集成电路（IC）需要考虑低工作电压、电路密度和高数据速率等复杂要求，因此面临巨大的挑战。此外，许多物联网产品设计团队都需要解决尺寸、重量、功耗和冷却等问题。

无论是设计PCB还是IC，工程师必须平衡电子、热和机械性能等三大领域的要求，否则会影响产品可靠性。此外，工程师还应当仿真半导体晶片或IC、IC封装和PCB之间的相互作用。电源完整性分析对于确保适当供电网络必不可少，此外还需要进行信号完整性分析以最小化串扰，并提高设计鲁棒性。为解决热可靠性，需要通过仿真评估电路板的温度和相关组件，确保设备在指定温度范围内可靠工作。为解决机械可靠性，需要通过热应力仿真评估电路板的热和机械应力，并分析电路板和组件之间的焊点。

除了执行单独的物理仿真外，工程师还通过耦合信号完整性分析与热仿真，以及结合热仿真与结构分析，来考虑不同物理领域之间的相互作用，全面了解PCB设计的整体可靠性。

3、电源管理

经历过智能手机电池耗尽的人都深知电源管理的重要性。但电源管理不仅仅限于智能手机或Wi-Fi。能量采集、无线功率传输和低功耗IC设计是许多物联网产品的构建基础。

机械运动、热、压电材料和电磁辐射等产生的能量也能被捕获并直接转化为电能。设计能量采集系统时，工程师要考虑多个参数，包括能量来源、换能器类型、电源效率、所需的功率级和能源储存等。

更重要的是，在设计无线系统时，安全性是一个重要的考虑因素。相关标准和监管机构对释放到生命组织的电磁能量大小进行了限制。包括人体模型在内的仿真工具可用来设计和分析各种不同供电系统及其对人体的影响。

4、传感器和MEMS设计

传感器和MEMS（微机电系统）设计人员在设计出色产品、进行原型构建和制造工作时面临严峻的商业和科技挑战，这些挑战甚至能够决定工作的成败。为了获得竞争优势，传感器制造商应尽可能快速高效地开发产品。

MEMS和传感器十分复杂，因为其功能特殊，尺寸非常小，而且生产工艺极具挑战性。MEMS非常小，因此性能检测设备也会影响器件功能，从而难以得到可靠的性能数据。仿真技术能准确了解这些器件的性能，超出物理原型所能实现的范围。

5、嵌入式软件开发

现代化轿车可能包含5000万到一亿行代码。自动驾驶车辆即将出现，我们预计软件内容会快速增加。不过，嵌入式软件并不仅仅面向汽车：在工业设备、机器人、飞机和无人机等物联网产品中添加丰富内容和智能功能是一项必不可少的工作。由于许多产品和系统（比如说汽车和飞机的制动系统）都是安全或任务关键型，因此控制软件必须毫无差错地工作。如果系统发生故障，必须是可预测的，以便将损害降至最低。

软件开发不再只是编写代码这么简单：它还涉及了确认和验证工作。对于每一行实现代码，软件工程师往往发现他们要编写很多行确认代码。尽管工作量大大增加，但软件代码故障仍持续存在，这就会造成安全召回、违反安全规则，有时甚至会造成悲剧性后果。

6、面向恶劣环境的设计

物联网产品必须在严苛的现实世界中工作。无人机、可穿戴设备、自动驾驶汽车和智能工业设备等快速增长的应用必须能够在恶劣环境中可靠运行，而它们在这些环境里可能会受到振动和物理冲击。尽管存在这些条件，IoT设备必须稳健可靠，能够在没有维护的情况下保持长期、远距离运行。故障有可能造成任务失败、巨额的系统维修或更换投资，甚至危及人类生命。

无论是用于工业、航空航天还是消费类应用领域，物联网设备都要承受振动、冲击和疲劳等恶劣的工作条件。NASA指出，第一天发生的航天器电子故障有45%是由于发射时的振动和应力造成的。SquareTrade指出，摔落到地上的iPhone导致美国消费者在近年来损失了60亿美元。

工程师在开发阶段早期就必须考虑到潜在的严苛环境，这时做出设计选择的成本最低，而且能尽量减小对项目进度的影响。由于许多显而易见的原因，物理原型有时是根本不可行的方案。考虑到时间、预算、位置和资源的局限性，不仅难以打造所有可能的测试情境，而且检测结果也存在很大差异，缺乏物联网和许多其他关键应用所需的保真度。

7、虚拟系统原型设计

随着产品复杂性增大，对更强大仿真功能的需求也在增大。系统中的复杂性来自不同组件之间的互联，要确保各个组件能按照设计一样协同工作。

公司综合考虑产品物理属性以及系统和嵌入式软件，能够最大限度减少集成问题，降低成本，提高首次通过的可能性，并确保产品性能符合预期。

虽然我们很容易了解物联网单个设备或组件的情况，比方说智能手机、恒温计或风力涡轮机的情况，但连接这些设备的复杂隐形网络、以及存储和按需交付数据的云端则要求复杂的建模和仿真技术。举例来说，智能风力涡轮机需要根据风向、电网能量和其他智能风力涡轮机的行为来进行自我调节。

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