[论文解读] Embedded Software Development with Digital Twins: Specific Requirements for Small and Medium-Sized Enterprises

Alexander Barbie, Wilhelm Hasselbring|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2023

Digital Transformation in IndustryEngineering参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文研究了小型和中型制造企业（SMEs）在嵌入式软件开发中采用数字孪生（DT）的情况，识别出硬件可及性、实时性约束以及安全与可靠性担忧是主要障碍。尽管工具支持有限且工程文化较为保守，SMEs 仍认识到数字孪生在提升软件质量和定制化方面的潜力，尤其是在通过仿真或模拟器进行软件在回路（SIL）测试方面。

ABSTRACT

The transformation to Industry 4.0 changes the way embedded software systems are developed. Digital twins have the potential for cost-effective software development and maintenance strategies. With reduced costs and faster development cycles, small and medium-sized enterprises (SME) have the chance to grow with new smart products. We interviewed SMEs about their current development processes. In this paper, we present the first results of these interviews. First results show that real-time requirements prevent, to date, a Software-in-the-Loop development approach, due to a lack of proper tooling. Security/safety concerns, and the accessibility of hardware are the main impediments. Only temporary access to the hardware leads to Software-in-the-Loop development approaches based on simulations/emulators. Yet, this is not in all use cases possible. All interviewees see the potential of Software-in-the-Loop approaches and digital twins with regard to quality and customization. One reason it will take some effort to convince engineers, is the conservative nature of the embedded community, particularly in SMEs.

研究动机与目标

• 理解在工业4.0背景下 SMEs 中嵌入式软件开发的当前实践。
• 识别阻碍 SMEs 采用数字孪生和软件在回路（SIL）测试的具体障碍。
• 探讨将数字孪生集成到 SMEs 开发工作流中的感知优势与实际挑战。
• 评估德国北部不同 SMEs 中数字孪生集成程度与成熟度。
• 通过识别 SMEs 中的关键采纳障碍与机遇，为未来工具开发与教育工作提供依据。

提出的方法

• 对德国北部六家 SME 的工程师进行了半结构化访谈，重点聚焦其嵌入式软件开发流程。
• 对访谈数据进行翻译与分析，提取有关工具使用、硬件可及性、实时性约束和安全担忧的洞察。
• 基于数字映射、数字孪生和完整数字孪生能力的框架，绘制当前数字孪生采纳状况。
• 由于硬件资源有限，评估基于仿真或模拟器的 SIL 测试方法的可行性。
• 识别出工程文化和缺乏软件工程教育是数字孪生采纳的主要非技术性障碍。
• 采用定性分析方法，归纳出与开发约束、安全问题以及数字孪生感知优势相关的主题。

实验结果

研究问题

• RQ1 影响 SMEs 在嵌入式软件开发中采用数字孪生的主要约束是什么？
• RQ2 SMEs 当前如何实施软件在回路（SIL）测试？这些方法存在哪些局限性？
• RQ3 数字孪生或数字映射在 SMEs 的开发流程中集成程度如何？
• RQ4 从 SME 工程师的视角来看，数字孪生采纳的感知优势与挑战是什么？
• RQ5 文化与教育因素如何影响 SMEs 中数字孪生技术的采纳？

主要发现

• 由于缺乏对物理硬件的访问，SMEs 只能依赖仿真或模拟器进行软件在回路（SIL）测试，这在所有实时关键应用场景中均不可行。
• 硬实时需求是主要障碍，原因在于缺乏能够准确模拟时间约束的合适工具。
• 安全与可靠性担忧导致大多数 SMEs 避免远程操作数字孪生，从而阻碍了完整数字孪生的部署。
• 仅有一家 SME（SSSHT）计划实施完整的数字孪生，其他企业仅在开发阶段使用数字映射或模型。
• 尽管存在技术和文化障碍，所有受访者均认识到数字孪生在提升软件质量和定制化方面的潜力。
• SME 中嵌入式软件领域普遍保守的工程文化，加上软件工程教育的缺乏，延缓了新技术开发实践的采纳。