用户中心

资讯 > 自动化软件

林雪萍 | 戏法、铁锈与软件 缔造汽车的速度与激情

www.cechina.cn2022.01.27阅读 576

  戏法、铁锈与软件
  世界层出不穷的花样翻新,正是软件最擅长的戏法。
  新年伊始,工业最大的嵌入式操作系统风河公司,这两天居然被安波福 Aptiv收购了。而安波福的祖宗,则是通用汽车。演变至今,是一个令人眼花缭乱的戏法。
  1999年,通用汽车的零部件从母体分拆出来。这是一个沉重的包袱,它的新名称就是德尔福汽车零部件厂。它的分拆,被认为是美国汽车界的一个花招,是华尔街资本家和通用高管的一次阳谋,他们联手来对付难缠的美国汽车联合工会UAW。通用将无数坏资产,塞给了德尔福。而这步棋的阴阳术,要等六年之后,才能看清楚。2004年德尔福销售额将近300亿美元。这是它的巅峰时刻。而转过年,作为全球最大的汽车零部件厂商,德尔福首次被德国博世超越。最重要的是 ,它破产了。尽管通用汽车也承担了将近20亿美元的债务,但最大的输家是德尔福的美国工人CONTROL ENGINEERING China版权所有,和美国基地。作为德尔福生产基地,俄亥俄州的扬斯敦这个城市的就业,被横扫一片。强势的工会的金钟罩被击碎,工业阶层被出卖了。德尔福,就是一艘与巨舰分离的大船,然后被分解、被下沉,最终抛弃了它上面的工人。扬斯顿早就失去了昔日荣光的钢铁产业,然后又丢失了汽车零部件,最后化为铁锈地带。锈与铁的貌合神离,就是美国社会撕裂性的一部分,也是美国制造业解体的信号。
  然而破产,只是美国公司重生的一种形式而已。
  德尔福很快重组——丢掉了那些沉重的工人和包袱,重新回到欢快的跑道上。而在2017年内它将动力总成业务,分拆出去成为现在的Aptiv安波福,提供主动安全及用户体验,以及信号与动力分配。德尔福依旧存在,但安波福则更像是被上帝吻过的翅膀,越飞越高。作为新型的零部件供应商,软件是它的强项。现在则收购了风河,意味着零部件厂商,对于汽车的未来有着全新的开发。
  风河旗下的实时操作系统VxWorks,被国内工业领域广泛依赖,很难离开。还有一个则是来自加拿大的QNX(这个名字是最早Quick Unix,一听就知道当年它的出身与Unix操作系统有关),在汽车领域的嵌入式操作系统的统治度很高,以前也是德尔福的供应商。而这次德尔福(现在的安波福),则自己一口亲自吃掉了风河,算是与老朋友QNX决裂了。
  汽车的逻辑,正在发生巨大的变化。软件,就是颠覆剂。
  汽车,也不再以钢铁的肌肉而自豪,软件才是新宠。最近,武汉光庭信息登陆深圳创业板,再次为工业软件点燃资本烈火。这家从事汽车电子软件的企业,深耕日本汽车零部件企业,在电控软件方面有着多年的积累。而市场也给予了积极的呼应,销售额3亿,而市值则达到了近百亿。
  这就是汽车,一个百年历久弥新的产业,从来不曾寂寞过。汽车行业是人类规模最大、工业化程度最高的制造业代表,工业软件自然也在这里枝繁叶茂,深扎根系。最早在计算机辅助设计CAD与制造萌芽的时候,航空和汽车行业是两张最舒适的温床。
  汽车产品研发过程中的软件和仿真,起初与其他机械产品并无不同。20世纪90年代起,模拟仿真和数字虚拟化技术,已经成为汽车研发过程的主流手段。事实上,汽车产品的复杂设计,大幅促进了三维CAD软件和仿真软件的发展。
  汽车作为一个与人身安全密切相关而且高速移动的商品,注定了它要比任何机械更强调安全性、可靠性等。为了获得足够的安全验证,一辆车必须积累足够的行驶里程。这个安全验证的过程,在汽车诞生后的100多年中,是靠一辆一辆车、一千米一千米路在全球各地用轮胎真实地跑出来的,整个过程消耗了大量的橡胶。
  汽车越来越人性化和智能化,也给汽车研发带来了更大的挑战。智能网联,是汽车设计面临的最新挑战之一。用轮胎去测量安全的时代,已经永远过去。在汽车越来越向电气化、电子化发展的过程中,芯片行业所独有的摩尔定律控制工程网版权所有,也加快了汽车自身演变的速度。面对十亿级甚至上百亿千米测试的要求,模拟仿真成为所有造车企业的唯一选择。
  这种现象背后,是大量的软件和硬件构成了一个庞大的数字空间帝国。无论是车辆动力学仿真、传感器仿真、图形处理,还是交通流、道路建模等技术,都是为了解决两大问题:一个是车辆控制CONTROL ENGINEERING China版权所有,一个是环境感知。基于模型的系统工程,在这里展开了完整的系统工程V字形之旅。

图1 简化的V形

  在汽车的设计研发领域,通用的CAD软件、CAE软件已经广泛得到应用。但更有许多隐藏的工业软件独狼不为外界所知晓。了解这些独狼的出没,需要下潜到工业的深海之处。
  速度与激情之源
  先来看最重要的动力装置。作为汽车动力总成系统开发和测试设备及仿真软件供应商,奥地利的李斯特公司(AVL)挤身世界四大权威内燃机研发机构之中。所有的发动机制造商应该都在AVL的客户名单里。
  中国无疑是跟AVL渊源最深的国家之一。它的创始人曾经在同济大学任教,回国之后在1948年建立了AVL公司。这种与中国良好的渊源,也使得它随着中国成为汽车制造大国而受益匪浅。在国内的许多汽车制造商的研发中心,都可以看到AVL的各种设备。它的排放检测设备,一套动辄价值几千万元。AVL旗下有很多软件,如AVL FIRE作为专业的发动机流动力学软件,能对发动机内部的流动、喷雾、燃烧和排放物的形成进行详细的模拟分析。它还配备尾气后处理模块,能用于各类催化转化器的研究。这些软件,都得到了大量用户经验的哺育,因此也使得它们越来越好用,用户对它们的依赖度极高。
  面对愈加普及的电气化和日益严苛的环保法规的严重挑战,新能源汽车正在快速发展。那么,这些内燃机软件公司,是不是就坐以待毙了?答案正好相反。这些源自一线工程领域的软件公司,恰好在这里体现出它们独到的敏感性。用户在转向,这些公司也随之转向。AVL的电驱软件eSuite,可以实现从电池、燃料电池、逆变器、电机、齿轮箱等部件级仿真到电驱系统、供电系统等子系统级仿真,再到整车系统级仿真的全覆盖。实际上,这些软件的功能,不再仅限于ICE(完全灵活的内燃机),而是覆盖在整个动力系统(完全灵活的动力系统)。通过软件应用可以平衡电气化和内燃机的互补特性,并且在减少污染物和二氧化碳排放方面产生协同效应。可以说,在电气化和电子控制的时代www.cechina.cn,软件的应用更加得心应手。AVL公司当前的发展方向,已经转向自动驾驶系统等新领域。就是这样一家软件公司控制工程网版权所有,2019年全球营业额将近20亿欧元,大概可以排在中国机械制造500强公司的前400强以内。
  面向汽车行业这么大的市场,很难有任何一家企业能垄断。除了奥地利的AVL之外,世界上还有三大发动机设计咨询公司,分别是德国的FEV、英国的Ricardo、美国西南研究院,这四家设计咨询公司都有着软硬一体的工程优势。由于这些机构往往有着非常深厚的工程咨询背景,因此他们也成为汽车制造商的顾问,而非简单的软件提供商。
  流体的旋涡
  各种气体、液体等澎湃流体的背后,都暗藏着物理和数学的天书。美国CSI公司开发的发动机流体仿真软件CONVERGE,也被诸多主机厂使用。网格划分是把模型分成很多小的单元,相比于经典的STAR-CD和AVL Fire等软件复杂的网格划分,CONVERGE在网格划分上独具亮点,如自适应加密网格、化学反应动力学燃烧模型等。这样的优秀软件,得到大学和燃烧实验室的厚爱也就不足为奇。CSI公司在创立的初期是一个计算流体动力学咨询公司,后来将工程经验知识固化成软件,2008年顺势进入流体分析软件领域,并一举获得成功。
  车辆动力学分析是汽车开发的重要工作之一,需要面对的是多铰链、多弹性的多体连动系统。汽车行业常用的MSC公司的ADAMS/Car软件的锻造,源自市场的需求。它最早是多体软件分析公司MDI与奥迪、宝马、沃尔沃等公司合作而开发的整车设计软件包,后来在2002年被MSC公司收购。ADAMS/Driver则是在德国的IPG-Driver软件基础上进行二次开发的成熟产品,这对于带有负反馈系统的零部件,如制动防抱死系统(ABS)、四轮转向系统(4WS)等的研发来说价值重大。尽管机械系统动力学自动分析软件ADMAS的求解器并不算是最先进的,但它按照汽车工业的标准,增加了支持一些特定运动测试的子程序。这给汽车用户带来很大的方便,因为用户无需再自己编写程序。由于ADMAS软件的用户多,可以适配多种硬件。它在汽车行业得到青睐,软件功能不断完善。就求解器的性能而言,其他软件除非优势巨大,否则只靠些许的改变根本无法得到市场翻盘的机会。更重要的是,ADMAS软件在界面上提供了非常友好的模板,可以简单地实现汽车建模。具有讽刺意味的是,ADMAS软件曾经在很长一段时间中,界面并不友好。许多汽车公司不得不去设计自己的界面,解决虚拟样机的问颙,例如福特的ADMAS/Pre,铃木的Admas/Isuzu等。汽车制造公司在既有的通用软件基础上重新开发,建立自己的虚拟样机系统,这也是行业惯例。市场上的几十个主流汽车制造商,都会进行自身的二次软件开发,只是开发程度的深浅有所不同。
  然而,企业维持自研软件并不是一件容易的事情,于是需要与软件公司紧密合作。为福特汽车公司开发专用软件ADAMAS/Pre的公司,后来被MDI公司收购。ADMAS再次跟福特紧密绑定。这款软件为福特所专门使用。ADMAS则通过这种方式,大幅提升了它的界面能力。可以说,ADAMAS/Car软件就是一个界面的胜利,通过用户界面模块ADAMAS/View和求解器的联合,使得用户因长时间使用而形成一种锁定依赖。
  这就是工业软件成为赚钱机器的奥秘,它把一切流程设计、建模都预制完毕,最后成为行业的标准。因此,从软件商追赶者的发展策略来看,面对庞大的工业软件巨头,单点突破往往是一种更加有效的战术。培养用户的使用习惯是一个漫长的过程,绝非是短时间内能用投资弥补的差距。

表1 常见仿真分析CAE软件


  缝隙里的软件
  汽车是一个移动的小城堡,它的完美需要依靠软件的贡献。各种装置的设计背后都有软件的支撑,比如,为了让乘客感到舒适,相关汽车空调的各种工程优化必不可少,如压力损失、噪声最小化、化工反应器混合效率最大化等。美国Optimal Solutions软件公司提供的Sculptor软件,提供基于任意形状变形的实时变形技术,帮助设计师解决空调管道的外形优化问题,可以大幅节省工程师在需要改变物体外形时重新构建CAD几何体和重新划分网格所需要的时间。德国P+Z工程公司开发的THESEUS-FE,则是一款面向航天航空、汽车座舱的空调系统软件,专门用于热舒适性分析。一个战斗机座舱,有着复杂的工程考量,需要从人体工程学考虑驾驶员的舒适性。P+Z公司的母公司,则是一个比较奇特的欧洲集团,既有工程软件业务,也有工装系统业务。它在2018年被日本三菱化学所收购。
  再来看看动力电池。仅仅是电池电化学模拟至少就有10种以上的软件。如美国Gamma公司的性能解析软件GT-AutoLion,基于开源的MATLAB应用程序Taufactor、电池性能和成本模型BatPaC软件等。
  某种软件验证过的结果会是一种信誉的保障。例如MSC公司的Nastran软件作为美国联邦航空管理局FAA认证的产品,成为领取飞行器适航证的唯一验证软件。在学术领域,有些期刊或者课题要求,只有研究结果得到MATLAB程序验证,才能得到发表或验收。使用软件本身,构成了二种资格。这是工业软件形成的壁垒,也是新软件在发展中难以跨越之处。
  其实,工业软件是一个全球供应商相互嵌入合作的结果。追求全面自主似乎是一个不可想象的事情。以汽车行业为例,软件方面需要建模仿真与代码生成软件系统,包括美国的系统建模软件MATLAB、美国NI的LabVIEW、法国达索系统的机电液多学科建模工具Dymola、德国工程公司ITI的SimulationX、AVL的动力总成仿真分析软件Cruse等;硬件方面则需要实时计算设备,如德国dSPACE、美国的NI、加拿大的RT-LAB等。这些国外相关软件与硬件厂商已形成类似Wintel的联盟,几乎掌控了复杂系统产品的高端开发技术体系和方法。以汽车电控领域为例,AVL公司的发动机设计分析软件,再加上德国实时计算设备dSpace,一软一硬,几乎主导了当今中国汽车电控正向设计研发技术体系。
  自动驾驶风云
  在21世纪进入第三个十年之际,汽车自动驾驶正在走向实用阶段。自动驾驶仿真也成为汽车制造商的逐鹿之地。为了获得足够的安全验证,往往需要十亿级甚至上百亿千米的模拟测试。由于真实道路测试效率较慢,目前很多车企对于自动驾驶都倾向于选择仿真测试。据称,自动驾驶测试的90%将通过仿真完成,9%通过测试场完成,只有1%在实际道路上进行。既然智能网联是未来汽车的重点,这里自然驻扎了仿真界的重兵,包括仿真平台(如VI-Grade软件)、场景仿真(如ESI公司的Pro-SiViC软件)、动力学仿真(如SimPack软件)、车联网仿真软件(如德国戴姆勒汽车信息技术创新研究所开发的VSimRTI软件)、硬件在环(如NI公司的软件和硬件)等,有三四十种软件产品聚集在这个尚未建设完全的新处女地,日以继夜地进行密集计算轰炸。成立于2005年的德国VI-grade公司,凭借着德国汽车产业界的优势,在系统级仿真领域提供高级应用软、硬件产品和服务。该公司提供的汽车驾驶模拟系统,可以大幅度减少对物理样车的需要。
  自动驾驶的仿真,可分为两大类。
  第一类是关于自动驾驶的环境交互问题,基本可以依靠仿真解决约90%。开发一个自动驾驶的系统,要经历软件仿真、硬件在环仿真、车辆在环仿真、室内实验室测试,再到室外受控场地进行测试。当这些验证合格之后,它终于可以到完全真实的公共道路上进行大规模的路测。谷歌很早就为自己的无人驾驶车辆Waymo建了模拟场景软件Carcraft,并建立了真实的测试厂Castle。实际马路、真实测试厂的路线被重新组合后,形成了复杂多样的虚拟城市。谷歌Waymo车队,天天在虚拟城市里穿梭不停,从而快速掌握了自动驾驶的本领。场景库是高级驾驶辅助系统软件中很重要的一个概念,也是中国厂商比较拿手的地方。它需要提供基于地图的场景和法规之间的逻辑,积累起来较快,例如腾讯TAD Sim场景库、百度Apollo场景库等。
  而为了应对高级驾驶辅助系统对交互环境的需要,仿真软件会加强构建各种场景的能力,将实际路线重新组合成多种不同的路线。许多自动驾驶仿真方案会采用跟谷歌Waymo车队虚拟城市Carcraft一样的思路:一个1000千米的路测场地,可以变换成数十万甚至上百万千米的道路。与此同时,这些企业也在进化,通过并购人工智能软件加强对数据的处理。
  把自动驾驶仿真看成是一个游戏场景的延续,也并无不恰当之处。从本质来讲,自动驾驶软件其实是一套非常复杂的嵌入式系统。
  第二类仿真,针对的则是整车的动力性能、安全性等。把一辆汽车的模型参数化,涉及车体、轮胎、制动等诸多因素,需要处理大量的机械动力学、电磁场、声光电等物理问题,其中许多仍然是传统的仿真问题。这与互联网企业面向以场景为主的高级驾驶辅助系统测试有所不同。早期的仿真软件主要关注车辆的动力、稳定性、制动等方面。例如创立于1996年的车辆动力学仿真软件CarSim,脱胎于美国密歇根大学交通运输研究所,其主要创始人是国际知名的车辆动力学专家。同门的TruckSim软件则主要用于仿真中型到重型卡车以及客车的动力学特性。
  一辆汽车的安全性、舒适度、操控性能、燃油效率、电池散热以及排放等,分别是由各自的子系统完成的。因此,需要用一种系统的角度,提前解决各种子系统相互交互带来的干扰。这意味着,很多子系统必须在整车环境下进行开发。但此时,物理样机根本没有介入,因此这个问题需要在数字世界进行解决。这是基于模型的系统工程最拿手的地方。如德国IPG公司的CarMaker作为乘用车的动力学仿真软件,提供了车辆动力模型,囊括了从发动机、底盘,到悬架、传动和转向等。它既可以完成开发流程前期所需要的V形山谷左坡的离线仿真,也可以在右坡接入ECU、子系统总成等做硬件在环测试。作为一个附加产品,它也能为其他高级驾驶辅助系统仿真软件提供丰富的模板库。
  PreScan是由荷兰国家应用技术研究院开发的一款测试仿真软件,重点是解决主动安全避撞系统,也可用于高级驾驶辅助系统的仿真。该软件在2017年8月被西门子公司收购。除了添加场景之外,它还可以对传感器的特性进行模拟,重点解决控制器、各种硬件与动力学模型问题。
  电控系统方面做的比较好的是德国的dSPACE公司。发动机、变速箱、传动机构的控制器开发和测试,都可用dSPACE的软硬实时机完成。汽车主机厂需要将各种不同的零部件集中在一起进行综合测试。dSPACE公司在MATLAB基础上开发的面向汽车的硬件模拟方案,可以无缝连接软硬件,快速搭建原型,一体化实现模型在环、硬件在环和系统仿真这三个完整的工作。dSPACE公司提供的仿真和验证解决方案在汽车行业中已经被广泛使用,在航空航天、电力电子、风机等领域,也都有着巨大的影响。在2008年,该软件被禁用于中国军工行业,但对汽车行业仍然是放开的。在新车型上路前的很长时间,汽车制造商及其供应商,需要使用dSPACE端到端解决方案来测试新车的软件和硬件组件。
  自动驾驶仿真软件具有非常细腻的层次,具有高度的学科交叉性。车辆动力学、电控等是最基础的研制仿真,属于传统仿真技术公司比较擅长的领域,也是制造知识最密集的地方。它所需要的环境交互,如处理地图软件、搭建路网模型、与各种摄像头、激光雷达等传感器交换数据等,则为致力于发展自动驾驶技术的公司所青睐。
  传统仿真公司正在抖擞精神,大力购买与智能网联相关的仿真软件,以便基于传统优势继续扩大市场。尽管与热火朝天的高级驾驶辅助系统仿真的互联网新贵都挤在一个赛道里。这其实只是一种错觉。它们的不同点,要多于相同点。会有一些重合,但二者赛道大部分并不相同。
  小记:最后一波国际化品牌
  电动汽车最近两年的发展,呈现了令人意外的陡峭曲线。这个陡然膨胀的悬崖,很多基石是由中国汽车制造商堆积的。这是由国际化品牌所高度主宰的汽车产业,多年都未曾出现过的现象。中国新能源汽车2021年销售超过350万辆,2022年完全有望提前完成2025的500万辆的目标。这背后,中国品牌非常耀眼。
  雷诺汽车的总裁Schweitzer在2009年前后出版的《我的雷诺岁月》曾经感慨,自从八十年代后韩国汽车作为国际化最后一波崛起的品牌,此后再无声响。尽管对中国有深入接触,但他显然忽略了中国汽车品牌的努力,法国雷诺集团也似乎对中国从未有过真心的承诺。无论是东风雷诺、江淮雷诺新能源汽车,以及最近分手甚至停发工资的华晨雷诺,都是连贯的。但是,如果要真正回应Schweitzer的国际化赛道是否还有新贵品牌的关切,事关中国汽车品牌是否可以真的可以走向国际化。这一点,我们还需要更好地施展身脚。
  未来的一辆车里,会有1000个芯片。这意味着街头上行驶的汽车,就是一座座最忙碌的移动机房。而实时嵌入式操作系统,将在这里光芒四射。这是未来的决定性力量之一。如果中国电动汽车,要想在品牌胜出,这些软件,不可不攻关。芯片、电池、嵌入式系统、交互式座舱、自动驾驶,如果汽车主机厂将这些最值钱的零部件,一一从外购买,那汽车真的就像菲亚特总裁所感慨的一个超市般的模式:买进卖出,以极低的利润率和高流水量,挣一份辛苦钱。
  汽车被改写的版本有很多种,软件是最不容易察觉的。汽车一路狂奔,重要的不是它的重量,软肋往往来自它的软件。
版权声明:版权归控制工程网所有,转载请注明出处!

频道推荐

关于我们

控制工程网 & CONTROL ENGINEERING China 全球工业控制、自动化和仪器仪表领域的先锋媒体

CE全球

联系我们

商务及广告合作
任小姐(北京)                 夏小姐(上海)
电话:010-82053688      电话:18616877918
rendongxue@cechina.cn      xiashuxian@cechina.cn
新闻投稿:王小姐

关注我们的微信

关于我们 | 网站地图 | 联系我们
© 2003-2020    经营许可编号:京ICP证120335号
公安机关备案号:110102002318  服务热线:010-82053688