背 景 介 紹 ?

 Background 

近幾年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)及技術(shù)革新，汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)換代變得越來(lái)越頻繁。留給車(chē)型開(kāi)發(fā)的周期已經(jīng)越來(lái)越短，無(wú)論是設(shè)計(jì)仿真還是試驗(yàn)、測(cè)試以及標(biāo)定工作，每一個(gè)主機(jī)廠都在盡力壓縮開(kāi)發(fā)的每一個(gè)環(huán)節(jié)從而確保新車(chē)型盡早地投入到市場(chǎng)。

作為汽車(chē)行業(yè)客戶長(zhǎng)久以來(lái)的合作伙伴，SISW的工程服務(wù)即ES團(tuán)隊(duì)也一直在探索新的技術(shù)方案，如何給客戶帶來(lái)新技術(shù)新方法從而提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率、縮短研發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)成本。

通過(guò)和客戶的項(xiàng)目合作以及對(duì)行業(yè)的理解，目前汽車(chē)行業(yè)OEM客戶的一大需求就是如何通過(guò)“虛擬標(biāo)定”來(lái)提升車(chē)型開(kāi)發(fā)流程的效率、質(zhì)量，最終提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。畢竟無(wú)論是元部件或整車(chē)的標(biāo)定工作，在哪個(gè)客戶的研發(fā)流程中都是要調(diào)用大量人力物力去完成，并且通常標(biāo)定工作都是車(chē)型開(kāi)發(fā)的收尾階段，馬上要面臨車(chē)型上市的時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求，壓縮的標(biāo)定周期也會(huì)對(duì)標(biāo)定工作的交付有一定影響。

隨著“數(shù)字化雙胞胎”的理念越來(lái)越被廣泛的接受，各行各業(yè)的客戶都在探索數(shù)字化的工業(yè)實(shí)踐，希望通過(guò)數(shù)字化或者虛擬技術(shù)來(lái)更好地服務(wù)于產(chǎn)品研發(fā)流程。依靠積累大量的CAD及CAE技術(shù)的應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)，那么孕育出虛擬標(biāo)定的需求就是最自然不過(guò)的事情了。尤其是在CAE領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累，讓工程師們敢于暢想通過(guò)虛擬的模型去做更多的開(kāi)發(fā)支持工作；同時(shí)對(duì)于標(biāo)定工程師來(lái)說(shuō)如果有更多更有效的手段來(lái)協(xié)助或支撐他們繁重的標(biāo)定工作，那自然可以緩解車(chē)型上市前的標(biāo)定工作壓力了：比如可以將一部分標(biāo)定工作前移，而不必非要等到最后的道路標(biāo)定；亦或是采用腳本的自動(dòng)化標(biāo)定或優(yōu)化方法來(lái)縮短標(biāo)定周期提高標(biāo)定質(zhì)量。

目前來(lái)講，“虛擬標(biāo)定”的工程方法還處在探索和嘗試階段，還并沒(méi)有大規(guī)模地應(yīng)用到日常的開(kāi)發(fā)工作中。因此本文的內(nèi)容也是基于有限的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和虛擬標(biāo)定可能的落地方案來(lái)展開(kāi)論述，歡迎大家提供反饋意見(jiàn)多多交流。

軟件定義汽車(chē)

眾所周知，近些年隨著汽車(chē)的電動(dòng)化，智能化的高速發(fā)展，車(chē)輛的軟硬件系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越復(fù)雜。“三電系統(tǒng)”的引入，直接給整車(chē)研發(fā)的難度提升了可能不止一個(gè)等級(jí)，從整車(chē)布置到電氣系統(tǒng)選型、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，以及最終的標(biāo)定，每個(gè)環(huán)節(jié)都有不少的仿真計(jì)算、驗(yàn)證和試驗(yàn)工作要完成。而讓新加入的硬件統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成車(chē)輛對(duì)駕駛員操作的及時(shí)準(zhǔn)確地動(dòng)作響應(yīng)，再同時(shí)兼顧能耗、續(xù)航里程等硬指標(biāo)，難度可想而知。底層硬件的設(shè)計(jì)決定了車(chē)輛能有多大的潛力，但車(chē)輛性能能發(fā)揮多出色就主要取決于在軟件層面上下的功夫了。

我們知道過(guò)去傳統(tǒng)車(chē)的配置在二三十年前含有的電控系統(tǒng)很少，發(fā)動(dòng)機(jī)還配置的是化油器，變速箱也是手動(dòng)檔，甚至當(dāng)時(shí)有的車(chē)還沒(méi)有防抱死；真碰到需要緊急制動(dòng)的情況，只能寄希望于老司機(jī)的“腳動(dòng)防抱死”操作?，F(xiàn)如今發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱底盤(pán)等總成已經(jīng)配備了很成熟的電控系統(tǒng)，幾乎榨盡了硬件的性能；而且無(wú)論是車(chē)輛的基本性能還是更高階的安全性、舒適性、便捷性還是娛樂(lè)性都比之前有了質(zhì)的飛躍。

此外，新能源車(chē)的普及也對(duì)軟件開(kāi)發(fā)提出了新的挑戰(zhàn)：電機(jī)MCU和電池BMS這兩大控制系統(tǒng)的策略開(kāi)發(fā)就有一套完整的流程，然后還需要在集成到整車(chē)后進(jìn)行調(diào)整，最后再統(tǒng)一由VCU進(jìn)行調(diào)度和控制。尤其是對(duì)于混動(dòng)車(chē)型，相當(dāng)于兩套動(dòng)力總成需要按駕駛需求來(lái)切換不同模式，對(duì)于開(kāi)發(fā)工作著實(shí)是一種新的挑戰(zhàn)。

圖表1 – 軟件在占整車(chē)系統(tǒng)的比重（McKinsey）

另外，隨著市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)于自動(dòng)駕駛的渴望，ADAS系統(tǒng)的功能優(yōu)劣甚至影響到品牌競(jìng)爭(zhēng)力。而ADAS系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)由于要考慮和測(cè)試的工況可以說(shuō)是不計(jì)其數(shù)，光是一個(gè)控制模塊比如AEB或者LKA就需要大量的測(cè)試和驗(yàn)證。

因此，行業(yè)里現(xiàn)在流行的“軟件定義汽車(chē)”的說(shuō)法也從某種程度上反應(yīng)了大家對(duì)軟件的重視程度已經(jīng)遠(yuǎn)超以前。從圖表 1的柱狀圖中可以看出McKinsey對(duì)于未來(lái)整車(chē)中軟件所占比重的預(yù)測(cè)，在2030年可以達(dá)到三成；而機(jī)械部分或者說(shuō)傳統(tǒng)的硬件部分從2010年的占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，到2030年的時(shí)候可能下降到只占四成了。

圖表 2 – 電控及軟件系統(tǒng)復(fù)雜程度– 通用汽車(chē)

作為OEM，從原來(lái)主要專(zhuān)注于機(jī)械相關(guān)的整車(chē)設(shè)計(jì)及制造，到現(xiàn)在必須要大力投入到整車(chē)電動(dòng)化及軟件開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。許多主機(jī)廠也早已經(jīng)開(kāi)始了自己的布局，比如像圖表 2中展示的美國(guó)通用汽車(chē)公司中和“整車(chē)電氣/控制/軟件”業(yè)務(wù)領(lǐng)域相關(guān)的數(shù)字。無(wú)論是涉及到的工程師人數(shù)，產(chǎn)品線數(shù)量（比如新能源車(chē)型和主動(dòng)安全引入后帶來(lái)大量新的衍生車(chē)型）可能遠(yuǎn)超我們的想像；而且全球不同區(qū)域不同法規(guī)下產(chǎn)品多樣化的要求，以及市場(chǎng)化的競(jìng)爭(zhēng)壓力下，每年并行開(kāi)發(fā)的車(chē)型數(shù)量，原型產(chǎn)品數(shù)量目前似乎已經(jīng)到了上限，那么企業(yè)要么就繼續(xù)擴(kuò)大人員、設(shè)備、工具等資源的投入來(lái)應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，要么就要從開(kāi)發(fā)流程的質(zhì)量和效率入手，尋找新的技術(shù)或新的工程解決方案。

虛擬標(biāo)定技術(shù)路線探討

當(dāng)然，能夠提升開(kāi)發(fā)流程效率或者縮短周期的方法有很多，尤其對(duì)于整車(chē)相關(guān)的軟件和策略的開(kāi)發(fā)每個(gè)主機(jī)廠都有自己獨(dú)特的流程，在本文中我們只針對(duì)軟件的標(biāo)定工作如何拓展為“虛擬標(biāo)定”來(lái)展開(kāi)。而且這里只從通用的方法或技術(shù)路線方案上做一些探討，不涉及具體的技術(shù)實(shí)施內(nèi)容。

一般來(lái)說(shuō)進(jìn)行傳統(tǒng)的標(biāo)定工作需要等到ECU軟硬件到位后，在零部件臺(tái)架或者整車(chē)路試的階段才能進(jìn)行。但因?yàn)檐浖姹居布O(shè)計(jì)等已經(jīng)基本定型，所以但凡需要更改任何參數(shù)或設(shè)計(jì)，那么涉及到的時(shí)間周期、成本投入，包括重新進(jìn)行計(jì)算仿真，調(diào)試調(diào)教甚至試驗(yàn)驗(yàn)證等工作在車(chē)型開(kāi)發(fā)的收尾階段都是不小的投入，而且還要同時(shí)面對(duì)車(chē)型上市的時(shí)間壓力。

圖表 3 – 基于模型的虛擬標(biāo)定

但是隨著虛擬仿真及數(shù)字模型的開(kāi)發(fā)工作在主機(jī)廠里越來(lái)越廣泛地得到應(yīng)用；而且不只是廣度，在任何一個(gè)專(zhuān)業(yè)科室或領(lǐng)域，應(yīng)用的深度也是不斷得到突破。這種切實(shí)的“數(shù)字孿生”落地，不僅本身豐富了系統(tǒng)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)手段，提高了開(kāi)發(fā)流程的效率并保證了輸出物的質(zhì)量，而且更重要的一點(diǎn)是讓工程師們更加敢于暢想如何將這種虛擬的和數(shù)字化的方法用到其它環(huán)節(jié)的開(kāi)發(fā)工作上。其實(shí)結(jié)合虛擬仿真已經(jīng)有成熟的應(yīng)用了，現(xiàn)在無(wú)非是更近一步地探究?；蛘咔懊孢@段說(shuō)人話就是：系統(tǒng)仿真模型已經(jīng)成熟地用在了MiL/HiL等環(huán)境來(lái)驗(yàn)證控制策略；那么我們能不能更進(jìn)一步地讓系統(tǒng)仿真模型來(lái)支持虛擬標(biāo)定工作，從而獲得“縮短標(biāo)定周期，提前開(kāi)展標(biāo)定工作，減少后期設(shè)計(jì)或參數(shù)更改”的收益。

也就是說(shuō)在傳統(tǒng)的標(biāo)定工作流程中，我們提前在軟件策略開(kāi)發(fā)好后，就利用系統(tǒng)仿真模型來(lái)和策略模型/代碼進(jìn)行閉環(huán)，爭(zhēng)取開(kāi)展一部分標(biāo)定工作，或是為了后續(xù)的臺(tái)架及整車(chē)標(biāo)定提供參考，或是暴露一些技術(shù)問(wèn)題，或是替代一部分基本的標(biāo)定工作，從而將工作量前移，為后續(xù)標(biāo)定省出寶貴的時(shí)間。如圖表 3所示，在軟件開(kāi)發(fā)/版本確定后，引入基于模型（MBD）的虛擬標(biāo)定環(huán)節(jié)，既可以提前著手開(kāi)始標(biāo)定，又可以節(jié)約后續(xù)開(kāi)發(fā)工作的成本，給車(chē)型項(xiàng)目留出更多的裕度。

如果我們將標(biāo)定工作的完整流程和想要實(shí)施的虛擬標(biāo)定融合或銜接，其可能的流程會(huì)如圖表 4所示。其實(shí)這種流程也無(wú)非是在“XX在環(huán)”的基礎(chǔ)上一個(gè)直接的拓展，如果主機(jī)廠已經(jīng)有了HiL平臺(tái)，或者M(jìn)iL和HiL兼?zhèn)洌?/span>亦或是MiL/SiL/HiL的環(huán)境都具備，那在現(xiàn)有平臺(tái)上拓展新功能新用法即可以節(jié)省投入，又可以提升效率擴(kuò)展用途。

圖表 4 – 虛擬標(biāo)定的流程之一

既然是從現(xiàn)有的MiL/SiL/HiL的方案上衍生出來(lái)的新用法，那“虛擬標(biāo)定”的內(nèi)容也要按照模型在環(huán)到硬件在環(huán)的步驟來(lái)規(guī)劃。如果從被控對(duì)象模型開(kāi)發(fā)的角度來(lái)看，在進(jìn)行任何“XX在環(huán)”的測(cè)試之前，都要先確定開(kāi)環(huán)模型的結(jié)果（圖表 4中最左側(cè)的第一步工作）。說(shuō)白了就是對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行建模和驗(yàn)證，確保模型仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性或可信度。這一步雖然也被稱(chēng)作了“Analytical calibration”（暫且翻譯為分析性/解析性標(biāo)定），但畢竟這個(gè)環(huán)節(jié)還沒(méi)有引入控制的影響，是純物理系統(tǒng)的性能驗(yàn)證，比如圖示中列舉的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性，換檔曲線等特性參數(shù)。

接下來(lái)當(dāng)控制開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了策略模型，或者模型和代碼都已經(jīng)具備，那么就可以利用已經(jīng)成熟的MiL或SiL環(huán)境來(lái)開(kāi)展部分虛擬標(biāo)定工作。因?yàn)楸豢貙?duì)象模型中包含了一定量的物理細(xì)節(jié)，所以理論上和這些物理細(xì)節(jié)相關(guān)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中涉及到的控制參數(shù)都可以進(jìn)行初步的調(diào)教。比如一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閾值大小，變量的飽和上下限設(shè)定，觸發(fā)標(biāo)志位的條件設(shè)定等，只要模型中包含了的內(nèi)容，都可以里用MiL或SiL的虛擬環(huán)境來(lái)進(jìn)行初步標(biāo)定。當(dāng)然，整車(chē)標(biāo)定參數(shù)的種類(lèi)及數(shù)量成百上千，在這個(gè)環(huán)節(jié)可以做哪些參數(shù)的虛擬標(biāo)定或者預(yù)標(biāo)定，能做到什么程度，后續(xù)環(huán)節(jié)是否還需要重復(fù)驗(yàn)證等問(wèn)題，目前看就只能根據(jù)在開(kāi)發(fā)車(chē)型的特點(diǎn)、主機(jī)廠開(kāi)發(fā)流程的成熟度和工具鏈等具體情況來(lái)分析并提前規(guī)劃了。

當(dāng)控制器ECU的軟硬件都已具備，那么能夠通過(guò)虛擬標(biāo)定來(lái)提前檢驗(yàn)比如控制器的I/O接口相關(guān)的參數(shù)，診斷相關(guān)的閾值參數(shù)設(shè)定等。因?yàn)樵谶@個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)引入了控制器硬件，所以測(cè)試和標(biāo)定的重點(diǎn)也需要圍繞和控制器硬件相關(guān)的參數(shù)。理論上來(lái)說(shuō)，這個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該不再去標(biāo)定和車(chē)輛穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能相關(guān)的物理系統(tǒng)參數(shù)了，畢竟HiL平臺(tái)有實(shí)時(shí)條件的限制，模型的計(jì)算精確度有可能滿足不了特定標(biāo)定參數(shù)的要求。

最后，原型車(chē)已有并可以進(jìn)行試驗(yàn)了，此時(shí)是傳統(tǒng)標(biāo)定工作的起點(diǎn)。但借助于虛擬標(biāo)定我們?cè)谶@之前已經(jīng)積累的不少標(biāo)定結(jié)果，所以我們可以利用整車(chē)的一些測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)做進(jìn)一步的虛擬標(biāo)定，或者說(shuō)對(duì)于一些關(guān)鍵參數(shù)，之前在MiL或HiL環(huán)節(jié)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)初步標(biāo)定的，可以在這個(gè)階段進(jìn)行復(fù)核。

除此之外，由于某些參數(shù)可能無(wú)法通過(guò)建模手段來(lái)（準(zhǔn)確）模擬，那么這類(lèi)參數(shù)就需要在規(guī)劃虛擬標(biāo)定的工作時(shí)，劃歸到最終有整車(chē)可進(jìn)行測(cè)試和試驗(yàn)后去進(jìn)行標(biāo)定：比如像之前提到的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性或換檔曲線這種參數(shù)也和駕駛員主觀踏板感覺(jué)相關(guān)；或者一些極端工況比如極低溫下模型無(wú)法準(zhǔn)確模擬的工況，都留到最后的整車(chē)道路標(biāo)定環(huán)節(jié)上去實(shí)施，就沒(méi)必要在之前的環(huán)節(jié)浪費(fèi)時(shí)間做任何初步的標(biāo)定工作。

虛擬模擬的開(kāi)發(fā)助力虛擬標(biāo)定

既然我們討論的是“虛擬”標(biāo)定，那么其核心其實(shí)應(yīng)該是虛擬模型，而并不是標(biāo)定。將系統(tǒng)仿真模型引入到標(biāo)定工作中，并不會(huì)改變標(biāo)定工作的本質(zhì)，而是提供了額外的技術(shù)手段來(lái)使標(biāo)定工作更加高效且穩(wěn)妥。

圖表 5 – 模型的層級(jí)劃分示意圖

面對(duì)紛繁復(fù)雜的眾多標(biāo)定參數(shù)，是不可能用一個(gè)龐大且詳細(xì)的模型就能滿足虛擬標(biāo)定的要求的；現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)不了，未來(lái)短期內(nèi)也不可能。所以勢(shì)必要從模型的詳細(xì)程度出發(fā)，根據(jù)想要標(biāo)定的參數(shù)內(nèi)容來(lái)將模型進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)的開(kāi)發(fā)，這樣才能在準(zhǔn)確的、恰當(dāng)?shù)哪Ｐ椭С窒氯ミM(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。如圖表 5所示，一個(gè)簡(jiǎn)單的整車(chē)動(dòng)力模型，如果按照發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、懸置、整車(chē)負(fù)載和車(chē)輪輪胎等幾個(gè)子系統(tǒng)按橫向展開(kāi)后，再按照詳細(xì)程度縱向拓展，那么就可以形成一種矩陣式的模型庫(kù)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于不同的標(biāo)定參數(shù)項(xiàng)，我們需要事先規(guī)劃每個(gè)子系統(tǒng)需要的模型詳細(xì)程度。比如，如果標(biāo)定怠速相關(guān)的參數(shù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)模型我們可能需要細(xì)化到考慮缸內(nèi)燃燒，計(jì)算出高頻的缸壓曲線及扭矩波動(dòng)曲線；并且加入懸置模型，來(lái)適應(yīng)需要標(biāo)定的參數(shù)；而變速箱及整車(chē)負(fù)載我們可能只需要考慮成簡(jiǎn)單的速比和一維動(dòng)力學(xué)模型即可。但當(dāng)我們需要標(biāo)定的參數(shù)比如說(shuō)是變速箱的選換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電磁閥特性時(shí)，那么像發(fā)動(dòng)機(jī)的部分我們很可能就是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)施加到變速箱輸入軸即可，而變速箱部分我們就需要擴(kuò)展到詳細(xì)的液壓加機(jī)械的模型才可以。

 圖表 6 – 不同層級(jí)的電機(jī)模型

對(duì)于新能源車(chē)型我們也需要對(duì)最關(guān)鍵的電機(jī)和動(dòng)力電池的模型進(jìn)行提前規(guī)劃，如圖表 6和圖表 7所示，電機(jī)的模型最簡(jiǎn)單的層級(jí)只需要“最大最小扭矩特性”和“損失/效率特性”曲線就可以描述扭矩轉(zhuǎn)速及功率的變化，但對(duì)于電機(jī)MCU相關(guān)的虛擬標(biāo)定要求，能提供的細(xì)節(jié)就太少了。對(duì)于電機(jī)的等效電路模型來(lái)說(shuō)，其電氣特性相關(guān)的參數(shù)以及產(chǎn)熱傳熱相關(guān)的參數(shù)引入后，那么此時(shí)模型能夠表征的物理現(xiàn)象就可以關(guān)聯(lián)到MCU中的標(biāo)定參數(shù)。比如不同的勵(lì)磁電流下，轉(zhuǎn)子的響應(yīng)快慢以及扭矩輸出的曲線可以通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)定項(xiàng)來(lái)進(jìn)行調(diào)整；同時(shí)，由于熱模型計(jì)算出的生熱及傳熱過(guò)程，可以獲得電機(jī)本體或殼體的溫度，再結(jié)合外部冷卻系統(tǒng)模型，可以對(duì)電機(jī)冷卻回路中的水泵轉(zhuǎn)速或者控制閥的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初步標(biāo)定。

動(dòng)力電池的模型層級(jí)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)也和電機(jī)的模型類(lèi)似，包含電氣特性和熱學(xué)特性；而對(duì)于更細(xì)致的需求，比如考慮電化學(xué)反應(yīng)或者老化的仿真，也有對(duì)應(yīng)的子模型可供選擇。通常來(lái)講主機(jī)廠客戶一般不會(huì)關(guān)注電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)或者特性，這是電池供應(yīng)商需要做的設(shè)計(jì)仿真工作，所以電池的物理模型一般做到整包或者詳細(xì)到模組的層級(jí)就可以滿足虛擬標(biāo)定的基本要求了。如果希望盡量多的將BMS的虛擬標(biāo)定工作前移，那么電池包的物理模型則需要考慮到電芯級(jí)別的模型；因?yàn)锽MS中的一些策略模塊（比如cell balancing）是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電芯來(lái)進(jìn)行調(diào)整的。

綜上所述，對(duì)于不同的控制器和不同的標(biāo)定參數(shù)項(xiàng)，其被控對(duì)象的模型復(fù)雜度需要根據(jù)標(biāo)定目的去提前規(guī)劃好，而且如果同時(shí)要對(duì)多個(gè)控制器進(jìn)行虛擬標(biāo)定，那么勢(shì)必需要不同詳細(xì)程度的子模型以及集成的系統(tǒng)模型來(lái)準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)實(shí)際物理過(guò)程，而且每一個(gè)模型并不是越詳細(xì)越好，畢竟受限于硬件資源和CPU的速度，怎么合理組合子系統(tǒng)模型也是需要實(shí)際工程項(xiàng)目去探索和總結(jié)的。

圖表 7 – 不同層級(jí)的動(dòng)力電池模型

除此之外，還有更重要的一點(diǎn)是虛擬模型的精度水平以及模型的可預(yù)測(cè)性。這直接決定了虛擬標(biāo)定的最終受益效果，也直接決定了虛擬標(biāo)定和實(shí)車(chē)標(biāo)定的工作劃分。我們?cè)诮y(tǒng)籌虛擬標(biāo)定的工作內(nèi)容時(shí)，需要綜合考慮控制器的數(shù)量，信號(hào)接口數(shù)量，每個(gè)控制器是否需要不僅標(biāo)定應(yīng)用層策略相關(guān)的參數(shù)，也需要對(duì)診斷和通訊進(jìn)行標(biāo)定；被控對(duì)象系統(tǒng)的物理模型可以做到哪種詳細(xì)程度，是否有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作為模型驗(yàn)證的依據(jù)；在模型驗(yàn)證好后，怎么評(píng)估模型的預(yù)測(cè)性以及變參數(shù)后的結(jié)果可信度，這也是虛擬標(biāo)定如何劃分工作步驟和內(nèi)容的依據(jù)。

引入優(yōu)化手段助力虛擬標(biāo)定

圖表 8 – 依托優(yōu)化工具輔助虛擬標(biāo)定

借助優(yōu)化工具在虛擬模型的平臺(tái)上去尋找最佳的參數(shù)設(shè)定，從而讓系統(tǒng)的特定目標(biāo)最優(yōu)；所以在虛擬標(biāo)定中引入優(yōu)化手段就順理成章了。畢竟在實(shí)際標(biāo)定工作中，標(biāo)定工程師們清楚地知道自己可以調(diào)教哪些參數(shù)，更加知道自己想要最終達(dá)到的目標(biāo)是什么。如圖表 8所示，將優(yōu)化工具加入到虛擬標(biāo)定過(guò)程中，其實(shí)就是依據(jù)工程師的實(shí)際標(biāo)定工作步驟和流程，在虛擬模型的平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)（比如通過(guò)編寫(xiě)腳本等方式）。優(yōu)化工具在這里起到的作用就是代替人力，去自動(dòng)尋優(yōu)；每次尋優(yōu)后的參數(shù)值自動(dòng)帶入到模型后，去檢驗(yàn)仿真輸出的目標(biāo)是否達(dá)到設(shè)定值，如果未達(dá)到則繼續(xù)尋優(yōu)迭代，直至找到最優(yōu)值。

比如在MiL環(huán)境下，我們可以將優(yōu)化工具Heeds集成到Simulink控制模型和AMESim的被控對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)中，如圖表 9所示：在設(shè)定好成本函數(shù)和標(biāo)定參數(shù)初值后，由Heeds通過(guò)優(yōu)化算法去尋優(yōu)，生成的參數(shù)值傳遞給Simulink以及AMESim的模型來(lái)設(shè)定運(yùn)行工況，給參數(shù)賦值。當(dāng)然，需要提前在控制模型中開(kāi)放相應(yīng)的參數(shù)值或參數(shù)表給外部環(huán)境，這樣才能讓Heeds訪問(wèn)并修改這些量。

圖表 9 – Heeds優(yōu)化工具用于虛擬標(biāo)定閉環(huán)控制系統(tǒng)

可以看到在這個(gè)過(guò)程中，只要提前定義好標(biāo)定參數(shù)的數(shù)量及標(biāo)定值的范圍，在Heeds中定義成本函數(shù)以及優(yōu)化目標(biāo)（可以是多個(gè)），那么通過(guò)優(yōu)化過(guò)程就可以大大提高尋優(yōu)效率，生成的標(biāo)定值即便只是MiL環(huán)境的仿真結(jié)果，但對(duì)于后面的開(kāi)發(fā)工作可以提供相應(yīng)參考。

總結(jié)

在“數(shù)字孿生”的大潮下，“虛擬”技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛且迅速，甚至說(shuō)到了野蠻生長(zhǎng)的地步也不為過(guò)。但越是在這種情形下，越要保持清醒并明確引入新技術(shù)手段的目的是什么。對(duì)于虛擬標(biāo)定來(lái)說(shuō)，不能妄圖一步到位，應(yīng)該規(guī)劃出階段性的工作，控制項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，確保步進(jìn)式的項(xiàng)目收益。

最后，總結(jié)如下幾點(diǎn)作為本文的概括：

1First

虛擬標(biāo)定的核心是“虛擬”而非標(biāo)定，整車(chē)傳統(tǒng)標(biāo)定工作的目的和流程是梳理虛擬標(biāo)定工作內(nèi)容的依據(jù)。只有在充分了解標(biāo)定工程師的標(biāo)定流程和目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真工程師的技術(shù)能力，以及項(xiàng)目相關(guān)的所有輸入數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)參數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)等）后，才能規(guī)劃好建立“虛擬”環(huán)境的步驟和內(nèi)容，搭建好虛擬標(biāo)定工作的平臺(tái)。

2Second

虛擬的模型要根據(jù)標(biāo)定內(nèi)容進(jìn)行層級(jí)劃分：不同的控制器標(biāo)定項(xiàng)對(duì)應(yīng)了不同的物理過(guò)程，模型的開(kāi)發(fā)勢(shì)必要提前統(tǒng)籌。需要用幾種模型，幾種不同復(fù)雜程度，如何組合和集成，模型間接口定義等工作，都是要考慮的方面。而且從MiL到HiL還要涉及到模型的實(shí)時(shí)化處理，模型在不同階段也需要有效的銜接來(lái)支持虛擬標(biāo)定工作。

3Third

優(yōu)化工具的使用可以進(jìn)一步助力虛擬標(biāo)定，將本來(lái)是人工的參數(shù)調(diào)教工作，轉(zhuǎn)化為優(yōu)化工具里設(shè)定的步驟，最終通過(guò)工具來(lái)自動(dòng)尋找最佳的標(biāo)定參數(shù)，從而達(dá)到標(biāo)定目的。但優(yōu)化結(jié)果可信度的大小是取決于物理模型本身的精度和可預(yù)測(cè)性的。

最后的最后，感謝各位的閱讀，也歡迎大家討論交流，虛擬標(biāo)定以后會(huì)是一個(gè)很有趣的業(yè)務(wù)方向。