基于數字化和互聯化的先進汽車開發流程與方法

在信息與物理融合發展的大趨勢下，汽車主機廠和供應商產品研發面臨很大的機遇。作為顛覆式創新的汽車數字化和互聯化的發展，為加速汽車主機廠技術創新和產品研發速度奠定了基礎，大力增強了用戶體驗，也為汽車主機廠延伸價值鏈創造了條件。汽車數字化和互聯化加速技術創新和產品研發速度的應用，主要是加速新技術試制以及開發車輛新功能，通過虛擬樣機與實體樣機協同研發，縮短研發流程和研發周期，節省研發樣品數量，提升研發質量，通過Car2X、云通訊實現遠程產品誕生不同階段的數據更新和軟件更新，通過機器深度自學習和算法優化產品標定數據，自動識別產品數據和功能方面的缺陷，大大提升了產品誕生過程中的效率，通過不斷拓展功能，提升了用戶體驗感。

本文最后展示了德國Bertrandt公司iACC研發歷程，即在虛擬現實（VR）的基礎上，以駕駛模擬器為基礎，研發iACC和HMI及其3大限速功能。本文最后也介紹了德國斯圖加特大學研發的靈活試驗環境，即在軟件在環（SiL）和硬件在環（HiL）測試中，使用硬件來對子功能和整體功能范圍進行測試和驗證，這樣的動態模擬器的應用對于早期研發自動駕駛SAE L3-L5的功能至關重要。

1 快速控制試制開發車輛功能

為了功能開發，在快速控制試制情況下，采用模擬和擁有相同動態特性真實的臺架試驗。在卡塞爾大學，減少快速試制樣品臺架試驗時間，同時可以對系統進一步更好的理解。由于擁有模擬環境，可以對系統特性進行綜合分析，高效試驗以及最終基于此模型功能在試驗臺架上按開發流程進行確認。

在為現代乘用車開發機電動力總成組件時，須考慮許多影響因素。因此把可確定特性并可模擬現實操作條件，如精確溫度控制或特殊行駛狀態下動態特性的試驗臺架系統用于試驗和生產中。通過這樣廣泛測試可以在開發流程早期就會得出系統特性和總成功能性結果。一旦試驗臺能夠正確再現所有操作條件，例如動態模擬動力系，那么就可以開發用于控制總成的功能。借助快速控制試制（RCP-Rapid Con?trol Prototyping）開發方法，建模流程、編程與基于模擬和試驗臺架-驅動驗證總成相融合[1]。

由卡塞爾大學汽車機電系設計的動力系試驗臺架，用于檢驗濕式多片離合器系統特性并開發作動總成功能[1]。正如圖1（文中FIGURE 1）所示，配備液壓作動裝置由兩臺驅動離合器電機構成。借助作動器和各種傳感器，可以在各種負荷和操作場景條件下，對離合器進行測量。除了開發作動離合器功能，該設置的目的也可以模擬濕式離合器。為此，離合器配有遙測裝置，以便在離合器操作工程中記錄旋轉鋼板的溫度、結合轉速、扭矩和力測量值生成詳細的離合器模型。

圖1 虛擬動力總成試驗臺（Overview of test bed with virtualpowertrain（@University of Kassel））[1]

試驗臺架測量結果可與整體模擬直接對比。由于考慮了諸如機械設計，所包含控制電路動態性和傳感器特性等重要影響，有可能創建一個全面的、有意義的RCP開發環境。為了功能開發以及研究各種結構和參數變化，盡可能縮短加工處理時間顯得尤為重要。因此，須在模型精度和加工處理效率之間達成妥協。整體模擬環境為開發人員提供了快速試驗、不占用試驗臺架的一套工具。模擬的高水平細節允許預先優化功能，因此在理想情況下，測試臺架僅用于驗證模擬，使用快速控制試制方法，縮短試驗臺架時間，更好地了解系統，尤其是在動態切換運行狀態下，快速驗證復雜算法。

2 通過虛擬樣機降低樣機數量、縮短研發流程

由于現代車輛系統的逐步互聯化的發展，主機廠（OEM）和供應商開發部門日益面臨新挑戰。在實際應用當中，IPG公司使用虛擬樣機技術，能將實際樣機數量減少多達30%[2]。

缺少真實樣機是汽車研發的主要瓶頸，傳統上基于擁有真實樣機而建立起的開發、應用和驗證方法達到其極限。普遍缺少真實樣機是開發階段的特別問題，這通常指在開發過程中后期階段剛剛得到樣機，而且所能提供的真實樣機又很有限，不能確保所有開發工程師在所需時間獲取需要的樣機。另外為避免日益繁多變型出現錯誤，而且還有縮短開發周期的巨大壓力。汽車系統工程方法基于車輛系統應該在其網絡內，整車中以及現實試驗條件下完成試驗。鑒于上述原因，如果在開發早期階段使用虛擬樣機，才能滿足要求。

增加開發工作量一個重要方面體現在現代車輛配備大量彼此聯網互聯的控制單元，還涉及到車輛動態性、高級駕駛輔助系統和動力傳動系領域網聯互聯。為了能開發、標定和試驗配備交通擁堵輔助系統的ACC（自適應巡航控制系統）,由于該系統結合上述三個領域所含內容，系統間相互作用只能從整車角度加以識別、檢驗和優化。汽車系統工程原理代表了在實際測試條件下，從整車整個體系統盤考量。它可能適用于任何開發階段—無論是跨學科還是單獨使用。增加測試工作內容的另一面體現在加班加點的測試案例，而且復雜度越來越高以至于其測試很難在單獨真實試驗完成。除此之外，可以在OEM和供應商之間以加密形式交換虛擬樣機，以提升聯合開發過程中的安全性和效率。因此OEM可以在早期建立虛擬車輛模型，使得供應商在真實車輛出現前把其系統與車輛集成一體并進行預標定。對于OEM而言，由于標定軟件比常規開發流程更早提供，對于OEM而言擁有很大優勢。該方法提供了應對更短開發周期的一種手段的可能性。由于在模擬中集成真實車輛部件，還是可以獲得車輛開發的其它顯著優點。通過采用HiL方法，可以測試任何真實車輛部件，同時完全模擬剩余車輛及其環境。以實際駕駛排放（RDE）測試設置為例，包括排氣系統的真實發動機可以安裝在一個發動機試驗臺架上，其中由Carmaker提供所需信號。模擬所有其它車輛部件，例如變速器或懸架。車輛在虛擬測試軌道上行駛，該軌道可基于現實世界的GPS測量，而且包括額外數據，例如與車輛速度和負載相關的高度輪廓，交通標志或交通燈。為對應交通中各種行為模式，針對不同司機特性而建模。因此可獲取切實可行的模擬結果。如果在完成虛擬測試后，明顯需要改變參數，由于測試條件完全可再現，隨后可查找變化是否達到所想的效果。每一次所完成的測試運行都與先前測試相同。與現實中的便攜式排放測量系統（PERMS）相比，在成本和最終結果質量方面擁有巨大優勢。

圖1 虛擬樣機—集成車間[2]

虛擬樣機的構建流程[2]：

（1）整車與零部件

整車數據；

額外措施；

模型集成。

（2）整車模型參數化

包括車身、懸架、轉向、輪胎、制動系統、動力總成、空氣動力學和傳感器等。

（3）整車模型的確認

這一過程包括整車動態模擬和環境確認。

（1a）車輛動態測量

包括實車在試車場的動態試驗和機動性目錄。

虛擬樣機構建確認的最后階段是（3）+（1a）,即動態虛擬確認與整車動態試驗的相互對比。虛擬樣機構建是汽車系統工程的重要步驟，汽車系統工程方法具有連接一個組織各個部門的潛能-虛擬樣機是這方面的關鍵組份。

3 動力系統標定數字化，提升開發效率

數字化要求對開發流程改變思維。為了考慮開發、生產和批量生產，IAV公司草擬了動力傳動系標定和量產陪伴數字化方案。由此該企業把傳統的標定技術與高效和自動評估產生數據流現代分析-算法連接到一起。數字化不僅改變車輛功能—它還要求有改變開發流程。須以兩個尺度考量：一方面由于發動機控制單元內依賴性增加系統復雜度提升，而且整個驅動系聯網形態也變得越來越復雜。另一方面由于Car2X和云-溝通通訊，功能性關聯遠遠超出系統。以時間軸為坐標，數字化實現產品壽命期不同階段增值，需統籌考量開發、生產和量產，錄入和利用好共享的數據庫。

由于驅動系標定和要求不斷增加，標定、分析和認證需要考量和產生更多的數據，使得以傳統方式找到問題答案變得越來越困難。在量產陪伴過程中，另外要把生產-和車間，還包括天氣、交通和地理數據聯系到一起，要求對數據量高效和自動評估。把傳統應用技術與現代分析-算式聯系到一起，為優化整個驅動系和量產陪伴提供解決問題的巨大潛能?，F在IAV公司越來越強化利用數字化領域如大數據和人工智能，包括高效數據處理。為了尋找和柔性分析測量數據，IAV公司開發出Mara軟件。沒有編程知識，也可按照自己需求配置復雜分析和目視化。為了更高要求，可基于云系統，實現對再現的任務自動計算。機器學習再一次把評價提升到更高一個層次。通過集群分析，例如利用類似縱向動態特性，了解到行駛狀況。利用回歸-和有效分析，自動生成一個足以描述所尋找事件的模型。利用數據分析第一步就是采用IAV公司Mara軟件。此軟件除了承擔信號加工處理和-目視化之外，還會通過利用分析功能尋找潛在標定問題。按照事先規定的規則，把整個關鍵情形反映和目視化在行駛情境中，大大提升了效率。Mara軟件還可以使用互聯網對遠程動力系統進行標定，批量生產車輛可以通過遠程更新軟件功能。

總之車輛開發過程中不斷強化，利用大數據和機器學習，其中一個關鍵功能就是數據評價性能不斷改進，評價數據的產生與開發、生產和量產陪伴的聯系越來越緊密。認證也越來越強化，利用生產車輛、通過云自學不斷優化或更新軟件功能。因此可以提前識別缺陷特性并加以消除。通過不斷擴展功能，用戶獲得更多的益處。投放市場時間縮短，IAV公司按照Engineering 4.0 End-End-流程方式（見文中FIGURE 2）始終如一貫徹動力傳動系標定和量產陪伴數字化運作方針作為整個系統前提條件[3]。

圖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 使用靈活試驗環境進行自動駕駛功能確定

伴隨著現代駕駛輔助系統技術的逐漸發展，正在引發車輛引導自動化程度的不斷提升。在驗證電控系統過程中，虛擬開發和試驗方法一直以來就成為車輛開發流程標準的重要組成部分。為了在市場上推廣自動駕駛功能，必須讓用戶獲得更多的受益以及更可靠地滿足功能性要求。在這些系統開發中，確保駕駛性能、可用性、舒適性和駕駛員接受度都起著關鍵作用。斯圖加特汽車工程和車輛發動機研究所正在與斯圖加特大學合作，開發了一種能夠使駕駛員與新型系統進行交互的方法。

早期開發階段，在軟件在環（SiL）和硬件在環（HiL）測試中使用硬件來對子功能和整體功能范圍進行測試和驗證。由于技術和法律的限制，自動駕駛級別為L3到L5目前無法使用普通司機（沒有經過特殊培訓）在公共道路上進行測試。在早期開發階段，在一臺動態駕駛模擬器中進行虛擬車輛高性價比，無風險以及可再現自動駕駛測試是一項非常好的選項。

可再現的試驗規程對于提供統計可靠試驗結果特別重要：如果每次測試對象都面對絕對相同場景的話，才能進行結果評價對比。為了完成虛擬車輛測試，目前試驗環境允許整個自動駕駛等級更靈活地實現自動駕駛功能。消除不確定性參數可確保自動駕駛再現試驗規程。當由司機臨時控制進行試驗設置時，測試階段已經開始，此時就不能確保可確定試驗規程。由于有可能在試驗環境內針對性地操控模擬環境，在開始調研相關試驗前，建立了一個再現狀態。因此從這時起，確保一個確定性試驗規程。

靈活試驗環境可以使用對司機行為影響最小的、面向未來控制和溝通的設計理念開展研究工作。特別是對缺少實際道路交通經驗的L3到L5的自動駕駛技術，這種方法應該確?，F實的司機行為，包括未來L3到L5在實際駕駛當中的應用。為了進一步減少與試驗相關要求對司機影響，試驗環境正在發生不斷變化。另外為增加駕駛模擬真實性，其它駕駛模擬器組件要進一步擴展[4]（見圖4和文中FIGURE 4）。

5 使用虛擬現實輔助ADAS技術創新

德國Bertrandt已經將IT部門/連接和高級駕駛輔助系統（ADAS）領域部門進行整合，使得整合后的部門可以專注于Connected ADAS整體環境的應用?；谑袌錾铣墒斓腁CC技術，該公司創新性地建立了智能自適應巡航控制（iACC）[5]，為此Bertrandt創建了縱向車輛引導原型車，這種智能擴展利用附加信息創建自然和安全的速度控制。iACC考慮準穩狀態信息，例如對速度限制交通標志的反應，此外還實現了轉彎控制。為此，在模擬試駕期間，系統利用保存在地圖中的信息。

圖4 靈活試驗環境功能圖[4]（FIGURE 4 Functional diagram of the configurable test environment（University of Stuttgart）

Bertrandt公司的iACC設定了3大速度限制功能[5]，包括關于在道路的錯誤一側駕駛、危險天氣（霧和結冰道路）和道路養護3大事件，針對每一事件車輛的速度都會在危險前提前減速，根據嚴重程度、駕駛員的個人駕駛風格以及當前的車速來預先確定危險。這3大功能是通過Human Machine Interface（HMI）向駕駛員發出警告。

在V2X互聯技術的前提下，必要的數據必須在車輛移動時可靠地傳輸到車輛。Bertrandt在模擬器中使用增強現實（VR）技術，在模擬驗證中HMI顯示在擋風玻璃上，iACC為激活狀態，可以把道路前方的危險類型顯示在擋風玻璃上，危險地點如道路維護地點到車輛的距離、車輛當前的速度以及限速信息等，即使沒有限速要求，iACC也會自動將速度降低到80 km/h。

ADAS系統功能開發的第1步是進行概念測試，通常包括可以在開發過程中連續實現的不同抽象級別的測試，包括軟件和硬件模塊測試，即完整的軟件測試（Software in the Loop，SIL）和電子控制單元集成測試（Hardware in the Loop，HIL）[5]。

ADAS系統功能開發的第2步是將生產件批準后的系統部件集成整車，在汽車試驗場進行系統功能測試[5]。最后，是在公共道路上使用生產件批準后的整車在實時條件下完成車輛確認。通過這樣的開發流程可以降低ADAS系統開發的風險。

為測試人員創建盡可能真實的環境，以便可靠地預測在道路交通中的反應。使用VR環境減少此類研究所涉及開發工作量的一種方法是將虛擬現實（VR）環境用于駕駛模擬器。為iACC創建了這樣的環境可以更快、更好進行ADAS系統研發。

6 結束語

數字化技術是汽車技術創新和研發的基礎，加快數字化轉型是汽車主機廠和產業供應鏈在激烈的國內外競爭環境中生存的基礎；

加快技術創新和產品研發過程中快速控制試制，節省樣品數量和試制時間；

加速虛擬與物理標定融合，通過互聯與云服務實現標定與軟件快速升級，通過深度機械學習和優化算法，不斷優化產品性能；

通過靈活的試驗環境功能配置，實現零風險、高質量和快速的自動駕駛L3-L5功能技術開發與創新；

不斷應用數字化、互聯化技術，加快汽車產品技術創新步伐，為中國汽車產品做大做強貢獻一份力量。

使用VR技術可以加快ADAS系統開發速度，確保系統功能準確有效。