基于数字化和互联化的先进汽车开发流程与方法

2018-10-10

汽车文摘 2018年10期

在信息与物理融合发展的大趋势下，汽车主机厂和供应商产品研发面临很大的机遇。作为颠覆式创新的汽车数字化和互联化的发展，为加速汽车主机厂技术创新和产品研发速度奠定了基础，大力增强了用户体验，也为汽车主机厂延伸价值链创造了条件。汽车数字化和互联化加速技术创新和产品研发速度的应用，主要是加速新技术试制以及开发车辆新功能，通过虚拟样机与实体样机协同研发，缩短研发流程和研发周期，节省研发样品数量，提升研发质量，通过Car2X、云通讯实现远程产品诞生不同阶段的数据更新和软件更新，通过机器深度自学习和算法优化产品标定数据，自动识别产品数据和功能方面的缺陷，大大提升了产品诞生过程中的效率，通过不断拓展功能，提升了用户体验感。

本文最后展示了德国Bertrandt公司iACC研发历程，即在虚拟现实（VR）的基础上，以驾驶模拟器为基础，研发iACC和HMI及其3大限速功能。本文最后也介绍了德国斯图加特大学研发的灵活试验环境，即在软件在环（SiL）和硬件在环（HiL）测试中，使用硬件来对子功能和整体功能范围进行测试和验证，这样的动态模拟器的应用对于早期研发自动驾驶SAE L3-L5的功能至关重要。

1 快速控制试制开发车辆功能

为了功能开发，在快速控制试制情况下，采用模拟和拥有相同动态特性真实的台架试验。在卡塞尔大学，减少快速试制样品台架试验时间，同时可以对系统进一步更好的理解。由于拥有模拟环境，可以对系统特性进行综合分析，高效试验以及最终基于此模型功能在试验台架上按开发流程进行确认。

在为现代乘用车开发机电动力总成组件时，须考虑许多影响因素。因此把可确定特性并可模拟现实操作条件，如精确温度控制或特殊行驶状态下动态特性的试验台架系统用于试验和生产中。通过这样广泛测试可以在开发流程早期就会得出系统特性和总成功能性结果。一旦试验台能够正确再现所有操作条件，例如动态模拟动力系，那么就可以开发用于控制总成的功能。借助快速控制试制（RCP-Rapid Con⁃trol Prototyping）开发方法，建模流程、编程与基于模拟和试验台架-驱动验证总成相融合[1]。

由卡塞尔大学汽车机电系设计的动力系试验台架，用于检验湿式多片离合器系统特性并开发作动总成功能[1]。正如图1（文中FIGURE 1）所示，配备液压作动装置由两台驱动离合器电机构成。借助作动器和各种传感器，可以在各种负荷和操作场景条件下，对离合器进行测量。除了开发作动离合器功能，该设置的目的也可以模拟湿式离合器。为此，离合器配有遥测装置，以便在离合器操作工程中记录旋转钢板的温度、结合转速、扭矩和力测量值生成详细的离合器模型。

图1 虚拟动力总成试验台（Overview of test bed with virtualpowertrain（@University of Kassel））[1]

试验台架测量结果可与整体模拟直接对比。由于考虑了诸如机械设计，所包含控制电路动态性和传感器特性等重要影响，有可能创建一个全面的、有意义的RCP开发环境。为了功能开发以及研究各种结构和参数变化，尽可能缩短加工处理时间显得尤为重要。因此，须在模型精度和加工处理效率之间达成妥协。整体模拟环境为开发人员提供了快速试验、不占用试验台架的一套工具。模拟的高水平细节允许预先优化功能，因此在理想情况下，测试台架仅用于验证模拟，使用快速控制试制方法，缩短试验台架时间，更好地了解系统，尤其是在动态切换运行状态下，快速验证复杂算法。

2 通过虚拟样机降低样机数量、缩短研发流程

由于现代车辆系统的逐步互联化的发展，主机厂（OEM）和供应商开发部门日益面临新挑战。在实际应用当中，IPG公司使用虚拟样机技术，能将实际样机数量减少多达30%[2]。

缺少真实样机是汽车研发的主要瓶颈，传统上基于拥有真实样机而建立起的开发、应用和验证方法达到其极限。普遍缺少真实样机是开发阶段的特别问题，这通常指在开发过程中后期阶段刚刚得到样机，而且所能提供的真实样机又很有限，不能确保所有开发工程师在所需时间获取需要的样机。另外为避免日益繁多变型出现错误，而且还有缩短开发周期的巨大压力。汽车系统工程方法基于车辆系统应该在其网络内，整车中以及现实试验条件下完成试验。鉴于上述原因，如果在开发早期阶段使用虚拟样机，才能满足要求。

增加开发工作量一个重要方面体现在现代车辆配备大量彼此联网互联的控制单元，还涉及到车辆动态性、高级驾驶辅助系统和动力传动系领域网联互联。为了能开发、标定和试验配备交通拥堵辅助系统的ACC（自适应巡航控制系统）,由于该系统结合上述三个领域所含内容，系统间相互作用只能从整车角度加以识别、检验和优化。汽车系统工程原理代表了在实际测试条件下，从整车整个体系统盘考量。它可能适用于任何开发阶段—无论是跨学科还是单独使用。增加测试工作内容的另一面体现在加班加点的测试案例，而且复杂度越来越高以至于其测试很难在单独真实试验完成。除此之外，可以在OEM和供应商之间以加密形式交换虚拟样机，以提升联合开发过程中的安全性和效率。因此OEM可以在早期建立虚拟车辆模型，使得供应商在真实车辆出现前把其系统与车辆集成一体并进行预标定。对于OEM而言，由于标定软件比常规开发流程更早提供，对于OEM而言拥有很大优势。该方法提供了应对更短开发周期的一种手段的可能性。由于在模拟中集成真实车辆部件，还是可以获得车辆开发的其它显著优点。通过采用HiL方法，可以测试任何真实车辆部件，同时完全模拟剩余车辆及其环境。以实际驾驶排放（RDE）测试设置为例，包括排气系统的真实发动机可以安装在一个发动机试验台架上，其中由Carmaker提供所需信号。模拟所有其它车辆部件，例如变速器或悬架。车辆在虚拟测试轨道上行驶，该轨道可基于现实世界的GPS测量，而且包括额外数据，例如与车辆速度和负载相关的高度轮廓，交通标志或交通灯。为对应交通中各种行为模式，针对不同司机特性而建模。因此可获取切实可行的模拟结果。如果在完成虚拟测试后，明显需要改变参数，由于测试条件完全可再现，随后可查找变化是否达到所想的效果。每一次所完成的测试运行都与先前测试相同。与现实中的便携式排放测量系统（PERMS）相比，在成本和最终结果质量方面拥有巨大优势。

图1 虚拟样机—集成车间[2]

虚拟样机的构建流程[2]：

（1）整车与零部件

整车数据；

额外措施；

模型集成。

（2）整车模型参数化

包括车身、悬架、转向、轮胎、制动系统、动力总成、空气动力学和传感器等。

（3）整车模型的确认

这一过程包括整车动态模拟和环境确认。

（1a）车辆动态测量

包括实车在试车场的动态试验和机动性目录。

虚拟样机构建确认的最后阶段是（3）+（1a）,即动态虚拟确认与整车动态试验的相互对比。虚拟样机构建是汽车系统工程的重要步骤，汽车系统工程方法具有连接一个组织各个部门的潜能-虚拟样机是这方面的关键组份。

3 动力系统标定数字化，提升开发效率

数字化要求对开发流程改变思维。为了考虑开发、生产和批量生产，IAV公司草拟了动力传动系标定和量产陪伴数字化方案。由此该企业把传统的标定技术与高效和自动评估产生数据流现代分析-算法连接到一起。数字化不仅改变车辆功能—它还要求有改变开发流程。须以两个尺度考量：一方面由于发动机控制单元内依赖性增加系统复杂度提升，而且整个驱动系联网形态也变得越来越复杂。另一方面由于Car2X和云-沟通通讯，功能性关联远远超出系统。以时间轴为坐标，数字化实现产品寿命期不同阶段增值，需统筹考量开发、生产和量产，录入和利用好共享的数据库。

由于驱动系标定和要求不断增加，标定、分析和认证需要考量和产生更多的数据，使得以传统方式找到问题答案变得越来越困难。在量产陪伴过程中，另外要把生产-和车间，还包括天气、交通和地理数据联系到一起，要求对数据量高效和自动评估。把传统应用技术与现代分析-算式联系到一起，为优化整个驱动系和量产陪伴提供解决问题的巨大潜能。现在IAV公司越来越强化利用数字化领域如大数据和人工智能，包括高效数据处理。为了寻找和柔性分析测量数据，IAV公司开发出Mara软件。没有编程知识，也可按照自己需求配置复杂分析和目视化。为了更高要求，可基于云系统，实现对再现的任务自动计算。机器学习再一次把评价提升到更高一个层次。通过集群分析，例如利用类似纵向动态特性，了解到行驶状况。利用回归-和有效分析，自动生成一个足以描述所寻找事件的模型。利用数据分析第一步就是采用IAV公司Mara软件。此软件除了承担信号加工处理和-目视化之外，还会通过利用分析功能寻找潜在标定问题。按照事先规定的规则，把整个关键情形反映和目视化在行驶情境中，大大提升了效率。Mara软件还可以使用互联网对远程动力系统进行标定，批量生产车辆可以通过远程更新软件功能。

总之车辆开发过程中不断强化，利用大数据和机器学习，其中一个关键功能就是数据评价性能不断改进，评价数据的产生与开发、生产和量产陪伴的联系越来越紧密。认证也越来越强化，利用生产车辆、通过云自学不断优化或更新软件功能。因此可以提前识别缺陷特性并加以消除。通过不断扩展功能，用户获得更多的益处。投放市场时间缩短，IAV公司按照Engineering 4.0 End-End-流程方式（见文中FIGURE 2）始终如一贯彻动力传动系标定和量产陪伴数字化运作方针作为整个系统前提条件[3]。

图3 IAV工程4.0端到端方法[3]（FIGURE 2.Engineering 4.0 as an end-to-end method@IAV）

4 使用灵活试验环境进行自动驾驶功能确定

伴随着现代驾驶辅助系统技术的逐渐发展，正在引发车辆引导自动化程度的不断提升。在验证电控系统过程中，虚拟开发和试验方法一直以来就成为车辆开发流程标准的重要组成部分。为了在市场上推广自动驾驶功能，必须让用户获得更多的受益以及更可靠地满足功能性要求。在这些系统开发中，确保驾驶性能、可用性、舒适性和驾驶员接受度都起着关键作用。斯图加特汽车工程和车辆发动机研究所正在与斯图加特大学合作，开发了一种能够使驾驶员与新型系统进行交互的方法。

早期开发阶段，在软件在环（SiL）和硬件在环（HiL）测试中使用硬件来对子功能和整体功能范围进行测试和验证。由于技术和法律的限制，自动驾驶级别为L3到L5目前无法使用普通司机（没有经过特殊培训）在公共道路上进行测试。在早期开发阶段，在一台动态驾驶模拟器中进行虚拟车辆高性价比，无风险以及可再现自动驾驶测试是一项非常好的选项。

可再现的试验规程对于提供统计可靠试验结果特别重要：如果每次测试对象都面对绝对相同场景的话，才能进行结果评价对比。为了完成虚拟车辆测试，目前试验环境允许整个自动驾驶等级更灵活地实现自动驾驶功能。消除不确定性参数可确保自动驾驶再现试验规程。当由司机临时控制进行试验设置时，测试阶段已经开始，此时就不能确保可确定试验规程。由于有可能在试验环境内针对性地操控模拟环境，在开始调研相关试验前，建立了一个再现状态。因此从这时起，确保一个确定性试验规程。

灵活试验环境可以使用对司机行为影响最小的、面向未来控制和沟通的设计理念开展研究工作。特别是对缺少实际道路交通经验的L3到L5的自动驾驶技术，这种方法应该确保现实的司机行为，包括未来L3到L5在实际驾驶当中的应用。为了进一步减少与试验相关要求对司机影响，试验环境正在发生不断变化。另外为增加驾驶模拟真实性，其它驾驶模拟器组件要进一步扩展[4]（见图4和文中FIGURE 4）。

5 使用虚拟现实辅助ADAS技术创新

德国Bertrandt已经将IT部门/连接和高级驾驶辅助系统（ADAS）领域部门进行整合，使得整合后的部门可以专注于Connected ADAS整体环境的应用。基于市场上成熟的ACC技术，该公司创新性地建立了智能自适应巡航控制（iACC）[5]，为此Bertrandt创建了纵向车辆引导原型车，这种智能扩展利用附加信息创建自然和安全的速度控制。iACC考虑准稳状态信息，例如对速度限制交通标志的反应，此外还实现了转弯控制。为此，在模拟试驾期间，系统利用保存在地图中的信息。

图4 灵活试验环境功能图[4]（FIGURE 4 Functional diagram of the configurable test environment（University of Stuttgart）

Bertrandt公司的iACC设定了3大速度限制功能[5]，包括关于在道路的错误一侧驾驶、危险天气（雾和结冰道路）和道路养护3大事件，针对每一事件车辆的速度都会在危险前提前减速，根据严重程度、驾驶员的个人驾驶风格以及当前的车速来预先确定危险。这3大功能是通过Human Machine Interface（HMI）向驾驶员发出警告。

在V2X互联技术的前提下，必要的数据必须在车辆移动时可靠地传输到车辆。Bertrandt在模拟器中使用增强现实（VR）技术，在模拟验证中HMI显示在挡风玻璃上，iACC为激活状态，可以把道路前方的危险类型显示在挡风玻璃上，危险地点如道路维护地点到车辆的距离、车辆当前的速度以及限速信息等，即使没有限速要求，iACC也会自动将速度降低到80 km/h。

ADAS系统功能开发的第1步是进行概念测试，通常包括可以在开发过程中连续实现的不同抽象级别的测试，包括软件和硬件模块测试，即完整的软件测试（Software in the Loop，SIL）和电子控制单元集成测试（Hardware in the Loop，HIL）[5]。

ADAS系统功能开发的第2步是将生产件批准后的系统部件集成整车，在汽车试验场进行系统功能测试[5]。最后，是在公共道路上使用生产件批准后的整车在实时条件下完成车辆确认。通过这样的开发流程可以降低ADAS系统开发的风险。

为测试人员创建尽可能真实的环境，以便可靠地预测在道路交通中的反应。使用VR环境减少此类研究所涉及开发工作量的一种方法是将虚拟现实（VR）环境用于驾驶模拟器。为iACC创建了这样的环境可以更快、更好进行ADAS系统研发。