在信息與物理融合發(fā)展的大趨勢下，汽車主機(jī)廠和供應(yīng)商產(chǎn)品研發(fā)面臨很大的機(jī)遇。作為顛覆式創(chuàng)新的汽車數(shù)字化和互聯(lián)化的發(fā)展，為加速汽車主機(jī)廠技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)速度奠定了基礎(chǔ)，大力增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，也為汽車主機(jī)廠延伸價值鏈創(chuàng)造了條件。汽車數(shù)字化和互聯(lián)化加速技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)速度的應(yīng)用，主要是加速新技術(shù)試制以及開發(fā)車輛新功能，通過虛擬樣機(jī)與實(shí)體樣機(jī)協(xié)同研發(fā)，縮短研發(fā)流程和研發(fā)周期，節(jié)省研發(fā)樣品數(shù)量，提升研發(fā)質(zhì)量，通過Car2X、云通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程產(chǎn)品誕生不同階段的數(shù)據(jù)更新和軟件更新，通過機(jī)器深度自學(xué)習(xí)和算法優(yōu)化產(chǎn)品標(biāo)定數(shù)據(jù)，自動識別產(chǎn)品數(shù)據(jù)和功能方面的缺陷，大大提升了產(chǎn)品誕生過程中的效率，通過不斷拓展功能，提升了用戶體驗(yàn)感。

本文最后展示了德國Bertrandt公司iACC研發(fā)歷程，即在虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的基礎(chǔ)上，以駕駛模擬器為基礎(chǔ)，研發(fā)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(xué)研發(fā)的靈活試驗(yàn)環(huán)境，即在軟件在環(huán)（SiL）和硬件在環(huán)（HiL）測試中，使用硬件來對子功能和整體功能范圍進(jìn)行測試和驗(yàn)證，這樣的動態(tài)模擬器的應(yīng)用對于早期研發(fā)自動駕駛SAE L3-L5的功能至關(guān)重要。

1 快速控制試制開發(fā)車輛功能

為了功能開發(fā)，在快速控制試制情況下，采用模擬和擁有相同動態(tài)特性真實(shí)的臺架試驗(yàn)。在卡塞爾大學(xué)，減少快速試制樣品臺架試驗(yàn)時間，同時可以對系統(tǒng)進(jìn)一步更好的理解。由于擁有模擬環(huán)境，可以對系統(tǒng)特性進(jìn)行綜合分析，高效試驗(yàn)以及最終基于此模型功能在試驗(yàn)臺架上按開發(fā)流程進(jìn)行確認(rèn)。

在為現(xiàn)代乘用車開發(fā)機(jī)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(xiàn)實(shí)操作條件，如精確溫度控制或特殊行駛狀態(tài)下動態(tài)特性的試驗(yàn)臺架系統(tǒng)用于試驗(yàn)和生產(chǎn)中。通過這樣廣泛測試可以在開發(fā)流程早期就會得出系統(tǒng)特性和總成功能性結(jié)果。一旦試驗(yàn)臺能夠正確再現(xiàn)所有操作條件，例如動態(tài)模擬動力系，那么就可以開發(fā)用于控制總成的功能。借助快速控制試制（RCP-Rapid Con?trol Prototyping）開發(fā)方法，建模流程、編程與基于模擬和試驗(yàn)臺架-驅(qū)動驗(yàn)證總成相融合[1]。

由卡塞爾大學(xué)汽車機(jī)電系設(shè)計(jì)的動力系試驗(yàn)臺架，用于檢驗(yàn)濕式多片離合器系統(tǒng)特性并開發(fā)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(qū)動離合器電機(jī)構(gòu)成。借助作動器和各種傳感器，可以在各種負(fù)荷和操作場景條件下，對離合器進(jìn)行測量。除了開發(fā)作動離合器功能，該設(shè)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(zhuǎn)鋼板的溫度、結(jié)合轉(zhuǎn)速、扭矩和力測量值生成詳細(xì)的離合器模型。

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

試驗(yàn)臺架測量結(jié)果可與整體模擬直接對比。由于考慮了諸如機(jī)械設(shè)計(jì)，所包含控制電路動態(tài)性和傳感器特性等重要影響，有可能創(chuàng)建一個全面的、有意義的RCP開發(fā)環(huán)境。為了功能開發(fā)以及研究各種結(jié)構(gòu)和參數(shù)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(dá)成妥協(xié)。整體模擬環(huán)境為開發(fā)人員提供了快速試驗(yàn)、不占用試驗(yàn)臺架的一套工具。模擬的高水平細(xì)節(jié)允許預(yù)先優(yōu)化功能，因此在理想情況下，測試臺架僅用于驗(yàn)證模擬，使用快速控制試制方法，縮短試驗(yàn)臺架時間，更好地了解系統(tǒng)，尤其是在動態(tài)切換運(yùn)行狀態(tài)下，快速驗(yàn)證復(fù)雜算法。

2 通過虛擬樣機(jī)降低樣機(jī)數(shù)量、縮短研發(fā)流程

由于現(xiàn)代車輛系統(tǒng)的逐步互聯(lián)化的發(fā)展，主機(jī)廠（OEM）和供應(yīng)商開發(fā)部門日益面臨新挑戰(zhàn)。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，IPG公司使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，能將實(shí)際樣機(jī)數(shù)量減少多達(dá)30%[2]。

缺少真實(shí)樣機(jī)是汽車研發(fā)的主要瓶頸，傳統(tǒng)上基于擁有真實(shí)樣機(jī)而建立起的開發(fā)、應(yīng)用和驗(yàn)證方法達(dá)到其極限。普遍缺少真實(shí)樣機(jī)是開發(fā)階段的特別問題，這通常指在開發(fā)過程中后期階段剛剛得到樣機(jī)，而且所能提供的真實(shí)樣機(jī)又很有限，不能確保所有開發(fā)工程師在所需時間獲取需要的樣機(jī)。另外為避免日益繁多變型出現(xiàn)錯誤，而且還有縮短開發(fā)周期的巨大壓力。汽車系統(tǒng)工程方法基于車輛系統(tǒng)應(yīng)該在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，整車中以及現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)條件下完成試驗(yàn)。鑒于上述原因，如果在開發(fā)早期階段使用虛擬樣機(jī)，才能滿足要求。

增加開發(fā)工作量一個重要方面體現(xiàn)在現(xiàn)代車輛配備大量彼此聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的控制單元，還涉及到車輛動態(tài)性、高級駕駛輔助系統(tǒng)和動力傳動系領(lǐng)域網(wǎng)聯(lián)互聯(lián)。為了能開發(fā)、標(biāo)定和試驗(yàn)配備交通擁堵輔助系統(tǒng)的ACC（自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)）,由于該系統(tǒng)結(jié)合上述三個領(lǐng)域所含內(nèi)容，系統(tǒng)間相互作用只能從整車角度加以識別、檢驗(yàn)和優(yōu)化。汽車系統(tǒng)工程原理代表了在實(shí)際測試條件下，從整車整個體系統(tǒng)盤考量。它可能適用于任何開發(fā)階段—無論是跨學(xué)科還是單獨(dú)使用。增加測試工作內(nèi)容的另一面體現(xiàn)在加班加點(diǎn)的測試案例，而且復(fù)雜度越來越高以至于其測試很難在單獨(dú)真實(shí)試驗(yàn)完成。除此之外，可以在OEM和供應(yīng)商之間以加密形式交換虛擬樣機(jī)，以提升聯(lián)合開發(fā)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(yīng)商在真實(shí)車輛出現(xiàn)前把其系統(tǒng)與車輛集成一體并進(jìn)行預(yù)標(biāo)定。對于OEM而言，由于標(biāo)定軟件比常規(guī)開發(fā)流程更早提供，對于OEM而言擁有很大優(yōu)勢。該方法提供了應(yīng)對更短開發(fā)周期的一種手段的可能性。由于在模擬中集成真實(shí)車輛部件，還是可以獲得車輛開發(fā)的其它顯著優(yōu)點(diǎn)。通過采用HiL方法，可以測試任何真實(shí)車輛部件，同時完全模擬剩余車輛及其環(huán)境。以實(shí)際駕駛排放（RDE）測試設(shè)置為例，包括排氣系統(tǒng)的真實(shí)發(fā)動機(jī)可以安裝在一個發(fā)動機(jī)試驗(yàn)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(xiàn)實(shí)世界的GPS測量，而且包括額外數(shù)據(jù)，例如與車輛速度和負(fù)載相關(guān)的高度輪廓，交通標(biāo)志或交通燈。為對應(yīng)交通中各種行為模式，針對不同司機(jī)特性而建模。因此可獲取切實(shí)可行的模擬結(jié)果。如果在完成虛擬測試后，明顯需要改變參數(shù)，由于測試條件完全可再現(xiàn)，隨后可查找變化是否達(dá)到所想的效果。每一次所完成的測試運(yùn)行都與先前測試相同。與現(xiàn)實(shí)中的便攜式排放測量系統(tǒng)（PERMS）相比，在成本和最終結(jié)果質(zhì)量方面擁有巨大優(yōu)勢。

圖1 虛擬樣機(jī)—集成車間[2]

虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程[2]：

（1）整車與零部件

整車數(shù)據(jù)；

額外措施；

模型集成。

（2）整車模型參數(shù)化

包括車身、懸架、轉(zhuǎn)向、輪胎、制動系統(tǒng)、動力總成、空氣動力學(xué)和傳感器等。

（3）整車模型的確認(rèn)

這一過程包括整車動態(tài)模擬和環(huán)境確認(rèn)。

（1a）車輛動態(tài)測量

包括實(shí)車在試車場的動態(tài)試驗(yàn)和機(jī)動性目錄。

虛擬樣機(jī)構(gòu)建確認(rèn)的最后階段是（3）+（1a）,即動態(tài)虛擬確認(rèn)與整車動態(tài)試驗(yàn)的相互對比。虛擬樣機(jī)構(gòu)建是汽車系統(tǒng)工程的重要步驟，汽車系統(tǒng)工程方法具有連接一個組織各個部門的潛能-虛擬樣機(jī)是這方面的關(guān)鍵組份。

3 動力系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)字化，提升開發(fā)效率

數(shù)字化要求對開發(fā)流程改變思維。為了考慮開發(fā)、生產(chǎn)和批量生產(chǎn)，IAV公司草擬了動力傳動系標(biāo)定和量產(chǎn)陪伴數(shù)字化方案。由此該企業(yè)把傳統(tǒng)的標(biāo)定技術(shù)與高效和自動評估產(chǎn)生數(shù)據(jù)流現(xiàn)代分析-算法連接到一起。數(shù)字化不僅改變車輛功能—它還要求有改變開發(fā)流程。須以兩個尺度考量：一方面由于發(fā)動機(jī)控制單元內(nèi)依賴性增加系統(tǒng)復(fù)雜度提升，而且整個驅(qū)動系聯(lián)網(wǎng)形態(tài)也變得越來越復(fù)雜。另一方面由于Car2X和云-溝通通訊，功能性關(guān)聯(lián)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)。以時間軸為坐標(biāo)，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品壽命期不同階段增值，需統(tǒng)籌考量開發(fā)、生產(chǎn)和量產(chǎn)，錄入和利用好共享的數(shù)據(jù)庫。

由于驅(qū)動系標(biāo)定和要求不斷增加，標(biāo)定、分析和認(rèn)證需要考量和產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，使得以傳統(tǒng)方式找到問題答案變得越來越困難。在量產(chǎn)陪伴過程中，另外要把生產(chǎn)-和車間，還包括天氣、交通和地理數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起，要求對數(shù)據(jù)量高效和自動評估。把傳統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)與現(xiàn)代分析-算式聯(lián)系到一起，為優(yōu)化整個驅(qū)動系和量產(chǎn)陪伴提供解決問題的巨大潛能?，F(xiàn)在IAV公司越來越強(qiáng)化利用數(shù)字化領(lǐng)域如大數(shù)據(jù)和人工智能，包括高效數(shù)據(jù)處理。為了尋找和柔性分析測量數(shù)據(jù)，IAV公司開發(fā)出Mara軟件。沒有編程知識，也可按照自己需求配置復(fù)雜分析和目視化。為了更高要求，可基于云系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對再現(xiàn)的任務(wù)自動計(jì)算。機(jī)器學(xué)習(xí)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(tài)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(shù)據(jù)分析第一步就是采用IAV公司Mara軟件。此軟件除了承擔(dān)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(biāo)定問題。按照事先規(guī)定的規(guī)則，把整個關(guān)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(lián)網(wǎng)對遠(yuǎn)程動力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，批量生產(chǎn)車輛可以通過遠(yuǎn)程更新軟件功能。

總之車輛開發(fā)過程中不斷強(qiáng)化，利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)，其中一個關(guān)鍵功能就是數(shù)據(jù)評價性能不斷改進(jìn)，評價數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與開發(fā)、生產(chǎn)和量產(chǎn)陪伴的聯(lián)系越來越緊密。認(rèn)證也越來越強(qiáng)化，利用生產(chǎn)車輛、通過云自學(xué)不斷優(yōu)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(kuò)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(biāo)定和量產(chǎn)陪伴數(shù)字化運(yùn)作方針作為整個系統(tǒng)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(yàn)環(huán)境進(jìn)行自動駕駛功能確定

伴隨著現(xiàn)代駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)的逐漸發(fā)展，正在引發(fā)車輛引導(dǎo)自動化程度的不斷提升。在驗(yàn)證電控系統(tǒng)過程中，虛擬開發(fā)和試驗(yàn)方法一直以來就成為車輛開發(fā)流程標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)開發(fā)中，確保駕駛性能、可用性、舒適性和駕駛員接受度都起著關(guān)鍵作用。斯圖加特汽車工程和車輛發(fā)動機(jī)研究所正在與斯圖加特大學(xué)合作，開發(fā)了一種能夠使駕駛員與新型系統(tǒng)進(jìn)行交互的方法。

早期開發(fā)階段，在軟件在環(huán)（SiL）和硬件在環(huán)（HiL）測試中使用硬件來對子功能和整體功能范圍進(jìn)行測試和驗(yàn)證。由于技術(shù)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(jī)（沒有經(jīng)過特殊培訓(xùn)）在公共道路上進(jìn)行測試。在早期開發(fā)階段，在一臺動態(tài)駕駛模擬器中進(jìn)行虛擬車輛高性價比，無風(fēng)險以及可再現(xiàn)自動駕駛測試是一項(xiàng)非常好的選項(xiàng)。

可再現(xiàn)的試驗(yàn)規(guī)程對于提供統(tǒng)計(jì)可靠試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行結(jié)果評價對比。為了完成虛擬車輛測試，目前試驗(yàn)環(huán)境允許整個自動駕駛等級更靈活地實(shí)現(xiàn)自動駕駛功能。消除不確定性參數(shù)可確保自動駕駛再現(xiàn)試驗(yàn)規(guī)程。當(dāng)由司機(jī)臨時控制進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置時，測試階段已經(jīng)開始，此時就不能確?？纱_定試驗(yàn)規(guī)程。由于有可能在試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)針對性地操控模擬環(huán)境，在開始調(diào)研相關(guān)試驗(yàn)前，建立了一個再現(xiàn)狀態(tài)。因此從這時起，確保一個確定性試驗(yàn)規(guī)程。

靈活試驗(yàn)環(huán)境可以使用對司機(jī)行為影響最小的、面向未來控制和溝通的設(shè)計(jì)理念開展研究工作。特別是對缺少實(shí)際道路交通經(jīng)驗(yàn)的L3到L5的自動駕駛技術(shù)，這種方法應(yīng)該確保現(xiàn)實(shí)的司機(jī)行為，包括未來L3到L5在實(shí)際駕駛當(dāng)中的應(yīng)用。為了進(jìn)一步減少與試驗(yàn)相關(guān)要求對司機(jī)影響，試驗(yàn)環(huán)境正在發(fā)生不斷變化。另外為增加駕駛模擬真實(shí)性，其它駕駛模擬器組件要進(jìn)一步擴(kuò)展[4]（見圖4和文中FIGURE 4）。

5 使用虛擬現(xiàn)實(shí)輔助ADAS技術(shù)創(chuàng)新

德國Bertrandt已經(jīng)將IT部門/連接和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）領(lǐng)域部門進(jìn)行整合，使得整合后的部門可以專注于Connected ADAS整體環(huán)境的應(yīng)用。基于市場上成熟的ACC技術(shù)，該公司創(chuàng)新性地建立了智能自適應(yīng)巡航控制（iACC）[5]，為此Bertrandt創(chuàng)建了縱向車輛引導(dǎo)原型車，這種智能擴(kuò)展利用附加信息創(chuàng)建自然和安全的速度控制。iACC考慮準(zhǔn)穩(wěn)狀態(tài)信息，例如對速度限制交通標(biāo)志的反應(yīng)，此外還實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎控制。為此，在模擬試駕期間，系統(tǒng)利用保存在地圖中的信息。

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

Bertrandt公司的iACC設(shè)定了3大速度限制功能[5]，包括關(guān)于在道路的錯誤一側(cè)駕駛、危險天氣（霧和結(jié)冰道路）和道路養(yǎng)護(hù)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(jù)嚴(yán)重程度、駕駛員的個人駕駛風(fēng)格以及當(dāng)前的車速來預(yù)先確定危險。這3大功能是通過Human Machine Interface（HMI）向駕駛員發(fā)出警告。

在V2X互聯(lián)技術(shù)的前提下，必要的數(shù)據(jù)必須在車輛移動時可靠地傳輸?shù)杰囕v。Bertrandt在模擬器中使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，在模擬驗(yàn)證中HMI顯示在擋風(fēng)玻璃上，iACC為激活狀態(tài)，可以把道路前方的危險類型顯示在擋風(fēng)玻璃上，危險地點(diǎn)如道路維護(hù)地點(diǎn)到車輛的距離、車輛當(dāng)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(tǒng)功能開發(fā)的第1步是進(jìn)行概念測試，通常包括可以在開發(fā)過程中連續(xù)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)功能開發(fā)的第2步是將生產(chǎn)件批準(zhǔn)后的系統(tǒng)部件集成整車，在汽車試驗(yàn)場進(jìn)行系統(tǒng)功能測試[5]。最后，是在公共道路上使用生產(chǎn)件批準(zhǔn)后的整車在實(shí)時條件下完成車輛確認(rèn)。通過這樣的開發(fā)流程可以降低ADAS系統(tǒng)開發(fā)的風(fēng)險。

為測試人員創(chuàng)建盡可能真實(shí)的環(huán)境，以便可靠地預(yù)測在道路交通中的反應(yīng)。使用VR環(huán)境減少此類研究所涉及開發(fā)工作量的一種方法是將虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）環(huán)境用于駕駛模擬器。為iACC創(chuàng)建了這樣的環(huán)境可以更快、更好進(jìn)行ADAS系統(tǒng)研發(fā)。

6 結(jié)束語

數(shù)字化技術(shù)是汽車技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)的基礎(chǔ)，加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型是汽車主機(jī)廠和產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈在激烈的國內(nèi)外競爭環(huán)境中生存的基礎(chǔ)；

加快技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)過程中快速控制試制，節(jié)省樣品數(shù)量和試制時間；

加速虛擬與物理標(biāo)定融合，通過互聯(lián)與云服務(wù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)定與軟件快速升級，通過深度機(jī)械學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能；

通過靈活的試驗(yàn)環(huán)境功能配置，實(shí)現(xiàn)零風(fēng)險、高質(zhì)量和快速的自動駕駛L3-L5功能技術(shù)開發(fā)與創(chuàng)新；

不斷應(yīng)用數(shù)字化、互聯(lián)化技術(shù)，加快汽車產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新步伐，為中國汽車產(chǎn)品做大做強(qiáng)貢獻(xiàn)一份力量。

使用VR技術(shù)可以加快ADAS系統(tǒng)開發(fā)速度，確保系統(tǒng)功能準(zhǔn)確有效。