HIL 測試系統是重要的 ADAS 驗證技術

​​ZF Next Generation Mobility

​ZF 是全世界規模最大的汽車業 1 級製造商，該公司致力於實現「零死亡願景」(Vision Zero)，目標是要達到交通事故零死亡以及零排放。該公司為達成目標所採行的其中一項主要方法，就是提高開車時的安全性、效率以及舒適度。

​ZF 對於未來的策略主要集中於打造「新一代行車」(Next Generation Mobility)，也就是採用電能驅動、智慧技術、連線模式、能永續發展、安全、自動且經濟實惠的解決方案。

^{圖 1：ZF Next Generation Mobility。 照片由 ZF 集團提供。}

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ZF 的專業知識與系列產品能充分支援車輛發揮一流的感應、思考與行動能力，因此有著難以撼動的市場地位。該公司座右銘「See – Think – Act」(感測、思考、行動) 簡潔有力地總結該公司的重要主題。舉例來說，ZF 能讓相機與雷達或雷射雷達之類的感測器系統連線，用於提供 360 度全景 (感測)。此外，ZF 還開發、生產車輛交換中心，以及運用電子控制單元網路或中央高效能運算平台，讓車輛交換中心保持連線 (思考)。當然，該公司也能讓驅動器、機箱或轉向系統中的機電整合系統彼此連結，打造出現代化的驅動功能 (行動)。這種方式自然能提高車輛的安全性，也能提高車輛效率。

ZF Mobility 解決方案的測試系統開發

​ZF Mobility Solutions (ZMS) 是 ZF 集團 100% 全資子公司，總部位於德國 Ingolstadt。該公司在這方面的使命，是要提供乾淨、舒適且經濟實惠的行車方式，而其做法則是研發並執行自動運輸系統。

​ZMS 測試系統開發部門的願景，是要開發出創新的客製化優質測試系統，從而因應 ADAS 與 AD 等複雜流程在驗證方面的特定需求。

​其使命是要運用軟硬體以及隨時可用於連續開發專案的流程，為 ZF 集團建構出 HIL 架構測試系統原型。

​ADAS 驗證挑戰

^{圖 2：ZF ADAS。照片由 ZF 集團提供。}

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ADAS 講求在不同的開發階段密集進行驗證。測試項目必須包括真實情境，以利測試採用大量網路技術的功能。ADAS 獲准上市供消費者使用之前，應該要達到多高的安全程度？測試真正的汽車不但耗時、昂貴，而且有時能夠提供的資訊有限，在測試的可重複性方面尤其如此。測試真正的汽車仍有其必要性，但現階段仍要盡快將測試重點從「行駛里程數」轉為「道路測試里程的品質」，也就是要在驗證流程中加入其他測試方法。

​為遵守最先進的準則與法規，例如 ISO-26262 標準或 Automotive SPICE (ASPICE)，完整週詳的驗證策略比以往任何時候都重要。

​在開發階段運用虛擬實境 (VR) 技術是其中一項主要趨勢；有了這項技術，就能在早期階段及早於實際條件下測試系統。HIL 架構測試系統能用於開放迴路資料重播與閉迴路模擬，特別適用於在目標硬體上確認 ADAS 功能，也適用於決定功能方面與非功能方面的關鍵效能指標 (KPI)。

​測試方法不可或缺，而且一定要合併運用不同的方法，這是保障駕駛人與乘客安全的必要條件，更是最終實現自動車普及化的重要條件。完整的測試策略必須包含實際測試與 VR 測試，而運用 NI 解決方案所建構的測試系統就能落實這樣的策略。

​雷達 HIL 測試系統的需求

​ADAS 讓測試系統開發需求越來越高，因為這類系統的重點和需求已經不再只限於強大的運算能力，更在於擴充性、彈性，以及大量採用網路連線的系統運作層面。System-under-Test (SUT) 是 ZF 的汽車級雷達感測器，適用於常見的 ADAS 用途，例如自動調整巡航控制、防碰撞，以及碰撞預警安全系統或輔助駕駛功能。SUT 的複雜度與日俱增，因此，開發新測試系統時必須將平台列入考量。 

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​這類測試系統的主要層面包括：

• ​模組化：核心 HIL 與外掛系統元件的隨插即用
• ​擴充性：從單一 ADAS ECU 驗證到高效能 360°AD 感測器資料重播與閉迴路虛擬現實模擬
• ​可靠性：能因應最高可用性需求的 24×7 序列 HIL Farm 作業
• ​相容性：將新的 HIL 測試系統整合於群組 IT 基礎架構、現有工具以及流程的現有生態系統
• ​流暢的運作能力：HIL Farm 設置，適用於遠端存取、操作和維護以及診斷等廣泛的序列驗證

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​要以源自測試現場和測試車隊的真實記錄進行 ADAS ECU 開放迴路驗證，就必須透過複雜的通訊介面回傳資料，時序和同步作業皆必須發揮相當高的準確度。除了雷達資料記錄之外，還必須平行處理車輛靜態匯流排通訊訊號，例如車速訊號、偏航率，或是其他狀態資料。就雷達資料回傳而言，HIL 測試系統必須提供合適的介面，並能透過高 I/O 資料傳輸率與邊頻通訊，並且提供穩定精確的回傳控制功能。HIL 測試系統的軟體平台與介面還有另一個重要層面，那就是要能在 24×7 的 HIL 測試現場中，完全透過自動技術執行 HIL 測試、遠端軟體部署以及 HIL 操作。

​方法

​ZMS 之所以選擇與 NI 合作，主要原因就在於高效能的即時運算系統，以及精準度相當高的時序與同步功能。PXI 平台也相當吸引人，這個平台提供多種介面卡與模組，例如最新的汽車匯流排系統，以及類比與數位 I/O 介面卡。

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​NI 的開放式軟體平台亦支援在 HIL 系統開發中產生模組化的特定用途軟體，尤其是使用 LabVIEW 開發即時軟體這方面，以及 SystemLink™ 軟體所涵蓋的系統作業。

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​PXI 平台支援模組化功能，可將工作從一個 ADAS 專案切換至另一個 ADAS 專案，不需重新發明輪子。其做法是為每個測試案例設定新的參數，並且採用現有的核心系統基礎，重複使用這個基礎測試功能強大且適用於 ADAS 與 AD 系統的 ECU，同時可以節省時間。此外，這麼做還能發揮擴充能力，現在可以測試任何有 5 到 10 個匯流排連接與資料介面的 ECU；未來還能擴充到 30 個或更多的介面，

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​完整的 HIL 模擬器開發涵蓋 HIL 設備的機械與電子設計，同時也整合攸關工作與產品安全的每一個層面。

PXI 系統的配置如下：

• ​PXIe-1082 機箱
• ​PXIe-8840 Intel i7 四核心、8 GB RAM、320 GB 硬碟 
• ​PXI-6683 時序與同步化模組
• ​2 個 PXI-8512 CAN-FD 匯流排介面

​其他 HIL 系統元件：

• ​19 吋 HIL 控制電腦，搭載 Ubuntu 作業系統
• ​12 V DC 電源供應器
• ​16 安培電源輸入
• 外接 MIPI/SCSI-2 與 SPI 回傳裝置

^{圖 3：HIL 即時核心模擬系統}

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適用於 HIL 回傳即時作業與資料串流的軟體架構包含：

• ​ROS (C++) 節點，用於處理雷達資料記錄
• ​LabVIEW 元件，用於處理 HIL 即時作業、匯流排通訊以及同步化
• ​指令碼與其他軟體元件，用於支援遠端控制與運作，以及連線至 SystemLink 伺服器

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​NI 順應 ZMS 與 ZF 集團各自的優勢，協助建立軟體的作業流程與維護。這樣的合作有助於打造出功能強大的模組化 HIL 軟體庫，為日後的 HIL 專案奠定基礎，更是造就 ZMS 在 2022 年成為 NI 卓越中心的重要因素。

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​ZMS 的軟體開發採用現有流程，旨在進行敏捷的 Scrum 架構軟體開發，以及持續整合與持續部署 (CI/CD)，如下圖所示。

^{圖 4： 軟體開發流程}

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下圖概述 HIL 測試系統設置中的資料流與通訊相依性。

^{圖 5： 軟體開發流程}

成果

​開發出 HIL 系統原型並將原型複製到數個在 HIL Farm 中運作的 HIL 系統之後，就能在完全自動執行 HIL 作業的前提下，在大量雷達軟體測試週期中進行雷達系統驗證。這樣不但能針對在目標 ECU 平台上執行的新版本軟體即時測試提高彈性，更能擴大測試範圍。

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​雷達系統開發期間，在 HIL Farm 中成功重新處理了相當於 600 天以上的場地測試運作資料。

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​下圖說明將各種 HIL 測試系統以 HIL Farm 形式整合於系統開發與驗證流程的方式。

^{​圖 6：系統開發與驗證程序}

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若從 HIL 原型開發擴大到 24×7 的 HIL Farm，SystemLink 的遠端 HIL 即時軟體部署、系統運作與維護功能就能發揮更多優勢。NI 的解決方案讓 ZF 省時又能發揮擴充能力。也就是說，ZF 的測試程式可以跟上該公司自己的創新時間表。

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​雷達 HIL 開發專案有一項了不起的成果，那就是 ZMS 的測試系統開發部門得到了「NI 卓越中心」認證。 該團隊同時展現了卓越的工程技術與省時的軟體開發流程、可擴充的軟體設計和架構，以及一致的教育訓練、指導與學習。 

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​透過策略性的合作夥伴關係，我們日後必定能夠成功地在市場上推出安全穩定的 ADAS 與 AD 系統。 

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ZF 團隊的影響力：

​「我的團隊非常出色，他們都非常積極主動，並且是專精於各自工作的專家，更全心全意投入於我們的專案與 ZF 策略。自從和像 NI 這樣的策略合作夥伴聯手合作之後，我們就能真正落實我們的構想了。」  

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​Bradley Keogh測試系統開發部門資深經理 Thomas Herpel 負責設定條件，支援其團隊在工作上發揮最大的能力，不論現在或未來，都能順利推廣 ZF 策略

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​「我們需要明確的 LabVIEW 開發流程，也要準確知道我們自己在做什麼，同時盡可能實現自動化。成為卓越中心後，我們的測試工作輕鬆多了，既節省時間，又能提高效率並提升軟體功能，大大影響了我們的日常工作。這樣的合作非常棒，我引以為傲。」  

​Oleg Scherling，HIL LabVIEW 架構開發人員，也是 ZMS 成為 NI 卓越中心的推手  

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​「我們的團隊由 ZF 與技術合作夥伴 ZMS 的雷達與 HIL 專家組成，與 NI 攜手開發雷達 HIL，並且完美整合現有的高度自動化 ZF 驗證工具鏈，進一步加速我們的測試與開發流程。」 
 

​Michael Vogt，ZF ADAS 驗證部門工程主管，負責 ZF ADAS 中的 HIL 開發

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​「我們與 ZMS 的同事合作，使用 NI 元件成功開發出 HIL 系統，順利因應我們的需求。在雷達感測器驗證策略中，HIL 系統是相當重要的要素。」

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​- ZF ADAS 驗證部門工程師、雷達 HIL 開發專案負責人，Philipp Strempel