劉杰暢，黃兵鋒，羅永革，李崢，盛俏，楊蕓蕓

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，湖北 十堰 442002；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430056）

前言

在汽車V型開發(fā)模式中，動力性和經(jīng)濟(jì)性計算是整車設(shè)計及總成、零部件匹配的重要一環(huán)。目前，針對傳統(tǒng)車、純電動、混合動力及燃料電池等車型的計算理論和仿真平臺較為完善，其中使用最廣的是ADVISOR和AVL Cruise。前者可自由配置計算任務(wù)，后者可從汽車建模開始，參數(shù)配置精細(xì)到零部件，軟件的仿真自由度更大，但同時降低了便捷性。企業(yè)中，通常需要對大量車型進(jìn)行動力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)驗證，每次仿真前重新對每一款車型進(jìn)行細(xì)致的參數(shù)配置會降低工作效率。為在滿足功能的前提下提高仿真便捷性，Excel成為企業(yè)中較為普遍的計算平臺[1]，但其無法避免人工輸入導(dǎo)致容易出錯且精度不高。本文結(jié)合Matlab強(qiáng)大的計算性能和C#友好的人機(jī)交互特性，以Simulink為仿真內(nèi)核，Winform應(yīng)用窗體為仿真界面，平臺繼承了ADVISOR和Cruise的仿真對象的通用性、動力總成的可調(diào)性、計算指標(biāo)的可自定義性。并以數(shù)據(jù)庫提取整車參數(shù)的方式作為創(chuàng)新點，避免了繁雜的參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)了工程實用性與功能性的平衡。

1 C#與MATLAB混合編程技術(shù)

1.1 C#與Matlab的簡介

Microsoft Visual C# 是 Microsoft 專門為. NET 平臺而開發(fā)的一種強(qiáng)大的、面向?qū)ο蟮恼Z言，可方便快捷的在． NET公共語言運行庫 ( common language runtime， CLR) 上創(chuàng)建Windows應(yīng)用 程序[2]。C# 簡單、功能強(qiáng)大、類型安全，可縮短軟件開發(fā)周期，但是在數(shù)值計算分析和曲線繪圖方面的操作繁瑣，功能薄弱。

將數(shù)據(jù)可視化和數(shù)值計算功能集成在一起的 Matlab軟件被廣泛地應(yīng)用于圖像處理、控制系統(tǒng)、數(shù)學(xué)建模等領(lǐng)域，具有強(qiáng)大精準(zhǔn)的仿真計算能力。Maltab的函數(shù)庫種類豐富，且接口設(shè)計完善，結(jié)構(gòu)開放易于擴(kuò)充，但Matlab軟件在用戶界面上的開發(fā)功能比較簡單、執(zhí)行效率低，難以實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)輸入輸出的管理。Matlab軟件在用戶界面的功能上的開發(fā)還比較簡單，執(zhí)行效率低，難以實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)輸入輸出的管理[3]。

為保證軟件的便捷性和工程實用性并兼顧軟件開發(fā)周期和成本，利用Matlab提供的API接口和C#COM組件將兩者聯(lián)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，同時將主程序與仿真內(nèi)核隔離開來，方便了后續(xù)的代碼修改和升級。

1.2 混合編程的實現(xiàn)

Matlab軟件提供了三種應(yīng)用程序接口（API）方式[4]:1）調(diào)用Matlab模塊所生成的動態(tài)鏈接庫（DLL）。2）通過引用Matlab COM組件，訪問Matlab內(nèi)置函數(shù)。3）利用 Matlab 編譯器來創(chuàng)建 C #語言共享庫，創(chuàng)建一個能提供方法入口的包裝類[5]。其中，方法一的編程接口和編程方式較特殊，需另外學(xué)習(xí)，降低了開發(fā)周期。方法三使用的函數(shù)有一定局限性，僅限于數(shù)學(xué)函數(shù)庫且無法使用 Matlab強(qiáng)大的圖形處理功能[6]。而方法二是嵌入式編程，調(diào)試簡單方便，不需要進(jìn)行復(fù)雜的接口設(shè)計，并能執(zhí)行所有Matlab命令，因此本文選用第二種方式， 結(jié)果證明此方法能在縮短開發(fā)周期的同時充分發(fā)揮Matlab強(qiáng)大函數(shù)庫的優(yōu)勢。

方法二的調(diào)用原理如下：利用.NET 環(huán)境的運算庫可調(diào)用包裝（Runtime Callable Wrapperm, RCW），將 COM 組件提供的 COM 接口轉(zhuǎn)換為與.NET 框架兼容的接口，使托管客戶端（C#）在調(diào)用一個 COM 組件時認(rèn)為是在自身的環(huán)境中調(diào)用對象，而不需要處理 COM 特性。通過 RCW，C#可以在.NET 環(huán)境下作為一個 COM 應(yīng)用的客戶端訪問 COM組件，提出數(shù)據(jù)請求。實現(xiàn)步驟如下：

1）添加 COM(Matlab Application(Version7.11) Type Library)引用。加入對程序集文件“MWArray.dll”的引用，并加入命名空間：

usingMathWorks.Matlab.NET.Arrays;

using MathWorks.Matlab.NET.Utility

2）在Main函數(shù)中添加如下代碼：

MLApp.MLAppClass matlab = new MLApp. MLApp Class();

利用Matlab com組件中的函數(shù)執(zhí)行Matlab命令，所調(diào)用的函數(shù)及功能如下表1所示：

表1 Matlab com組件調(diào)用函數(shù)

2 軟件設(shè)計

圖1 軟件架構(gòu)設(shè)計

平臺的仿真對象涵蓋傳統(tǒng)汽車、混合動力、純電動汽車、燃料電池汽車四大類型。為提高工程實用性，避免繁雜的參數(shù)設(shè)置，平臺需支持Excel格式和數(shù)據(jù)庫格式的參數(shù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能。平臺以C#應(yīng)用窗體（Winform）作為人機(jī)交互界面，以Simulink程序作為仿真內(nèi)核，并將指標(biāo)計算的函數(shù)封裝，通過Matlab的COM組件執(zhí)行運算。軟件架構(gòu)設(shè)計如圖1所示：

2.1 流程設(shè)計

根據(jù)軟件的需求定義，采用 “自上而下”的模塊式開發(fā)流程完成各個子系統(tǒng)架構(gòu)，模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)流和接口設(shè)計。軟件的流程圖如圖2所示：

圖2 軟件流程圖

2.2 界面設(shè)計

指標(biāo)的仿真分三個過程：1.汽車配置。2.計算指標(biāo)配置.3.執(zhí)行運算顯示結(jié)果?？紤]到界面的友好性，將主界面針對過程1和2分為兩個窗口。如圖3所示。建模部分可從外部導(dǎo)入數(shù)據(jù)也可手動填寫，計算指標(biāo)根據(jù)汽車類型的選擇而變化，通過工具欄中的Matlab按鈕調(diào)用仿真內(nèi)核開始計算。整個界面主體突出，交互友好，使用方便。

圖3 軟件主界面

3 批量數(shù)據(jù)傳輸

平臺的計算對象涉及傳統(tǒng)車、純電動、混合動力、燃料電池汽車，因此仿真內(nèi)核的參數(shù)高達(dá) 470個。為實現(xiàn) C#與matlab平臺的大量數(shù)據(jù)傳輸，采用C#類屬性反射遍歷技術(shù)。

反射是C#.NET的一種重要機(jī)制，它表示在程序運行時對一個程序集的類型元數(shù)據(jù)的使用，好比我們可以將一個程序集進(jìn)行映像，在此映像中我們可以從中獲取需要的類型元數(shù)據(jù)，從而完成相應(yīng)的功能[7]。

對應(yīng)某個類的實例化的對象采用遍歷反射技術(shù)，可以動態(tài)地取得類的成員：類、接口、結(jié)構(gòu)、枚舉和委托等。建立變量類，通過反射技術(shù)訪問變量的get、set屬性，獲取變量名和相應(yīng)的值，便可進(jìn)行跨平臺傳輸。關(guān)鍵代碼如下：

4 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理涉及用戶登錄，文件新建、打開、保存。歷史記錄存儲、對比等。仿真過程中，車輛的輸入?yún)?shù)及結(jié)果狀態(tài)如圖4所示。

圖4 窗體切換時的數(shù)據(jù)狀態(tài)圖

狀態(tài)圖中的變量定義如下表：

表2

對于非靜態(tài)變量，每一次狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，都需要實例化一個新的變量類，而變量類中的數(shù)據(jù)量龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜， C#提供的淺拷貝函數(shù)只對頂級對象進(jìn)行復(fù)制，不足以滿足克隆全部數(shù)據(jù)的要求，但深拷貝技術(shù)術(shù)不僅可以復(fù)制對象，還可以復(fù)制其子對象。

利用這一技術(shù)編寫拷貝構(gòu)造函數(shù)，實現(xiàn)基于同一類的其他對象的構(gòu)造和初始化，從而將同類變量在不同窗體和不同狀態(tài)之間完整傳遞。代碼應(yīng)用序列化和反序列化的思路將變量逐個檢索并復(fù)制。

5 計算分析實例

軟件對一輛EV汽車進(jìn)行了動力經(jīng)濟(jì)性仿真，配置了車型參數(shù)，定制了計算任務(wù)。在參數(shù)、計算任務(wù)均相同的情況下，將采用了混合編程技術(shù)的仿真平臺計算結(jié)果與仿真內(nèi)核獨立運行的結(jié)果進(jìn)行對比，如表3：

表3 平臺與仿真內(nèi)核結(jié)果對比

結(jié)果表明采用C#調(diào)用Matlab的混合編程方式對計算結(jié)果不會產(chǎn)生影響。并且，良好的人機(jī)交互界面使仿真更為簡單，同時與Excel數(shù)據(jù)的交互避免了繁雜的參數(shù)設(shè)置，增強(qiáng)了工程實用性，說明C#與Matlab混合編程技術(shù)在整車動力性經(jīng)濟(jì)性仿真中的應(yīng)用是切實可行的。

6 結(jié)論

系統(tǒng)以人機(jī)交互界面調(diào)用仿真內(nèi)核的形式將車型及任務(wù)配置程序與動力性經(jīng)濟(jì)性計算模型隔離開來，通過嚴(yán)格定義的接口相連，降低了代碼耦合性，從而提升了功能擴(kuò)展性。仿真內(nèi)核以Simulink作為建模平臺，可充分發(fā)揮matlab強(qiáng)大的計算性能。界面采用C#winform應(yīng)用窗體，利用C#COM組件調(diào)用matlab運行仿真內(nèi)核，將matlab強(qiáng)大的仿真性能和c#友好的人機(jī)交互界面統(tǒng)一起來，揚長避短，在有限的開發(fā)周期內(nèi)充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。

通過C#調(diào)用Matlab進(jìn)行的性能仿真與Matlab單獨仿真的計算結(jié)果完全一致，證明了本文的方法可行，且為整車性能仿真平臺的開發(fā)提供了新思路。

[1] 謝衛(wèi)兵. MATLAB在汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真中的應(yīng)用[A]. 全國各省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會、云南省機(jī)械工程學(xué)會.2015年第五屆全國地方機(jī)械工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會暨中國制造2025發(fā)展論壇論文集[C].全國各省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會、云南省機(jī)械工程學(xué)會:2015:18.

[2] 馬煜,陳海軍.Visual C#.NET 案例開發(fā)集錦[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2008.

[3] 柯彪,高躍飛,羅炳華,徐鳳軍.C#與MATLAB混合編程在內(nèi)彈道設(shè)計中的應(yīng)用[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2013,(05):129-132.

[4] 秦春影,喻曉鋒,仝海燕,唐淑萍. C#與Matlab集成方式的比較研究[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,21(04):42-46.

[5] 張望.一種基于COM的改進(jìn)組件創(chuàng)建的研究[D].西南大學(xué),2010.

[6] 楊成,申麗然,李雪耀. Matlab引擎的VC++6.0接口調(diào)用及其面向?qū)ο缶幊蘙J].應(yīng)用科技,2001,(11):41-44.

[7] 斯梅切爾.C#和.NET2.0實戰(zhàn):平臺.語言與框架[M].施凡.人民郵電出版社.2008.168-169.