張 永，孟 凱，何 浩，龔春忠，吳生玉

（1.合眾新能源汽車有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310000）

汽車是產(chǎn)業(yè)鏈極為龐大的制造業(yè)終端產(chǎn)品，汽車制造業(yè)被稱為“工業(yè)皇冠上的明珠”，其產(chǎn)品開發(fā)過程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作較為迫切，在生產(chǎn)與銷售環(huán)節(jié)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理都相對成熟。而在汽車性能開發(fā)中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用依然有大量工作需要開展。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)誕生之初，主要是為了解決“信息孤島”問題，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的作用就是將所有產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)文件以一定的結(jié)構(gòu)歸檔數(shù)據(jù)庫，便于檢索查詢、修改調(diào)整、統(tǒng)計分析等。而如今，產(chǎn)品管理系統(tǒng)已經(jīng)遠遠超出了文件集合的概念，目前數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬驗證、虛擬交付等領(lǐng)域都有前沿探索。

本文結(jié)合汽車性能開發(fā)中的數(shù)據(jù)管理為研究對象，以整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)為示例，對該性能開發(fā)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行有效管理，構(gòu)建以試驗驗證工作為核心的性能開發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 汽車性能開發(fā)經(jīng)典流程

汽車性能開發(fā)最經(jīng)典的開發(fā)流程是“V”字型開發(fā)流程。在橫向上，以產(chǎn)品各開發(fā)節(jié)點為主要參考，通常定義新項目研究與分析、概念設(shè)計、工程設(shè)計、設(shè)計驗證、試生產(chǎn)、投產(chǎn)、項目驗收等節(jié)點，并分別命名為P0～P9等。在縱向上，則分布競品分析、目標(biāo)設(shè)定與分解、驗證計劃、虛擬驗證、實物驗證/性能開發(fā)與集成匹配、驗證樣車、策略和支持等工作。由于某項性能開發(fā)在橫向與縱向分布工作流程呈“V”字型分布，故被稱為“V”字型開發(fā)流程，如圖1所示。

圖1 某汽車產(chǎn)品性能開發(fā)“V”字型開發(fā)流程

以某款純電動汽車開發(fā)為例，其性能開發(fā)分為15個子項目，包括振動噪聲、車輛行駛性能、整車能量管理、熱管理、安全、耐久可靠性、環(huán)境保護、密封性、信息娛樂、電磁兼容、電平衡、感官品質(zhì)、日常使用、人機界面、高壓安全等。各性能指標(biāo)又進行進一步細分，如表1所示。

表1 整車性能指標(biāo)

通常，由性能集成部來組織各專業(yè)部門進行各項性能指標(biāo)達成設(shè)計與驗證，各項性能均設(shè)置技術(shù)負(fù)責(zé)人，對各指標(biāo)進行量化管理。

2 汽車性能開發(fā)過程中的文件集及其存在問題

一個車型開發(fā)的過程中，某一項性能開發(fā)會產(chǎn)生眾多數(shù)據(jù)，每個節(jié)點的交付物通常都是數(shù)據(jù)、模型或者試驗報告、分析報告。以整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)為例，其主要使用的設(shè)計與分析工具是：MATLAB、CARSIM、ADVISOR、CRUSE等。用到的數(shù)據(jù)庫資源有：競品車數(shù)據(jù)庫、電池數(shù)據(jù)庫、電機數(shù)據(jù)庫。試驗類別主要有：滑行、動力性、能量消耗率與續(xù)駛里程、道路續(xù)航。此外，充電效率、電機性能試驗、電池性能試驗、車身風(fēng)洞試驗、車輪滾阻系數(shù)試驗等零部件試驗支撐整車試驗。主要使用的標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 18352、GB/T 18385、GB/T 18386等；主要使用的測試資源：轉(zhuǎn)鼓、環(huán)境艙、INCA、V-box、長平直性能道、標(biāo)準(zhǔn)坡道、市區(qū)及市郊道路。

2.1 整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)過程交付物清單

利用以上軟件、數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)、試驗設(shè)備等資源，在整車動力性經(jīng)濟性性能開發(fā)過程中，會產(chǎn)生如下文件集合，如表2所示。這些文件歸為計劃文件、設(shè)計文件、試驗報告、零部件試驗報告類型。而其背后，大多是由原始數(shù)據(jù)或模型仿真支撐。

表2 整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)過程交付物清單

2.2 整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)過程文件管理問題

目前，針對性能開發(fā)工作，雖然已實現(xiàn)無紙化辦公，各類文件均以電子文檔形式編輯、保存、發(fā)布。各類文件均有歸口管理部門、其他部門查看權(quán)限較為模糊，通常通過OA系統(tǒng)進行申請查看和反饋結(jié)果。OA系統(tǒng)是較為通用的辦公管理軟件，但對于交流繁多、信息時效性較強、交互自動化需求迫切的性能開發(fā)應(yīng)用場景，顯然需要一個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。當(dāng)前系統(tǒng)最突出的問題是信息共享緩慢、數(shù)據(jù)使用需要進行人工轉(zhuǎn)換，容易造成人為失誤和信息遺漏。同時，使用OA系統(tǒng)進行文件管理，會造成數(shù)據(jù)更新不及時、審批流程過于冗余等問題。以電機外特性參數(shù)需求為例，性能開發(fā)依據(jù)4級目標(biāo)進行匹配分析，需要執(zhí)行如下流程，如圖2所示。

圖2 性能仿真電機匹配流程及其過程問題

由圖2可知，執(zhí)行電機選型匹配仿真工作，是跨部門、跨企業(yè)協(xié)作的一個工作活動。首先，由性能開發(fā)部發(fā)起OA申請，需要專業(yè)部門提供電機數(shù)據(jù)；然后，專業(yè)部門若已經(jīng)保存了相應(yīng)的電機數(shù)據(jù)，則可直接反饋給性能開發(fā)部；若需要電機供應(yīng)商提供，則專業(yè)部門需要額外發(fā)起新的流程由項目管理進行審批，若涉及費用還需要走預(yù)算審批流程；專業(yè)部門與供應(yīng)商對接上以后，由供應(yīng)商提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)和報告；接著，專業(yè)部門提供給性能開發(fā)部報告；最后，由性能開發(fā)工程師進行報告結(jié)果的轉(zhuǎn)換為模型需要的輸入數(shù)據(jù)，進行匹配分析和仿真。其數(shù)據(jù)傳遞流程冗長，各環(huán)節(jié)均存在時間損耗、人為操作失誤風(fēng)險增加等問題。

由于開發(fā)模型有可能使用Cruise、MATLAB、AMESim等，各模型需要的數(shù)據(jù)內(nèi)容可能存在差異，導(dǎo)致每次需求可能表達不一致。而經(jīng)過項目申請的流程一旦涉及費用，將變得極為冗長，以電機性能測試為例，測試周期通常為2個工作日，但商務(wù)流程、樣件提供等過程通常都長達數(shù)周。供應(yīng)商提供的報告通常是PDF格式或者自定義excel格式，不能直接導(dǎo)入模型中，需要性能開發(fā)工程師對數(shù)據(jù)進行二次加工，轉(zhuǎn)換為模型可識別的格式，才可以進行仿真分析，從而增加人為操作失誤導(dǎo)致的風(fēng)險。主機廠形成對電機性能評價的指標(biāo)通常對零部件供應(yīng)商不可見，導(dǎo)致零部件供應(yīng)商不能及時針對整車性能開展優(yōu)化工作。在必要的時候雙方共享了仿真分析和測試的方法，但由于模型數(shù)據(jù)處理、測試過程一致性、測試評價標(biāo)準(zhǔn)等不一致導(dǎo)致產(chǎn)生眾多歧義與溝通，增加開發(fā)周期和成本。

3 以測試標(biāo)準(zhǔn)為核心構(gòu)建產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理需要以產(chǎn)品為中心，一切數(shù)據(jù)組織以服務(wù)于產(chǎn)品為目的。但是該思路不夠細致，導(dǎo)致執(zhí)行起來會產(chǎn)生眾多問題。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，基于產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)管理將更便捷、高效。產(chǎn)品與產(chǎn)品數(shù)字孿生體的關(guān)系可描述為圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生

以電動汽車動力性經(jīng)濟性性能開發(fā)為例，汽車的數(shù)字孿生模型可進一步分解為電機、電池、車身等子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 汽車數(shù)字孿生模型及其分解

其中，汽車整車模型需要保護電機模型，該電機模型由主機廠通過不同的模型工具定義出的電機數(shù)據(jù)包，可以是excel表格，可以是m文件、可以是其他數(shù)據(jù)格式的模型。主機廠的電機模型如圖5所示。而對于電機供應(yīng)商，也可提供類似的模型，如圖6所示。

圖5 主機廠的電機模型

圖6 供應(yīng)商電機模型

供應(yīng)商的電機模型拆解后，可能由硅鋼片參數(shù)、導(dǎo)磁率、電感、電導(dǎo)率、繞組數(shù)、繞線方式等參數(shù)組成。而主機廠需求的電機參數(shù)則是以轉(zhuǎn)速、扭矩、效率等最終性能參數(shù)描述。因此，兩個模型是不等價的，如圖7所示。

圖7 主機廠需求的電機模型與供應(yīng)商開發(fā)的模型不等價

為獲取公正客觀的供應(yīng)商電機性能，主機廠通常會購買供應(yīng)商樣件，委托第三方試驗室進行測試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試獲得測試報告。測試報告的結(jié)果方可作為性能開發(fā)模型的輸入數(shù)據(jù)。第三方試驗室獲得等效數(shù)據(jù)模型如圖8所示。

圖8 第三方試驗室獲得等效數(shù)據(jù)模型

改進的工作關(guān)鍵在此，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建測試設(shè)備和測試環(huán)境的數(shù)字孿生系統(tǒng)，則可以供應(yīng)商交付數(shù)據(jù)包模型，通過第三方模擬測試提供模擬測試報告與試驗報告的等效，最終實現(xiàn)供應(yīng)商模型與主機廠模型的等效，如圖9所示。

圖9 供應(yīng)商電機模型與主機廠電機模型通過仿真測試標(biāo)準(zhǔn)等效

這中間少不了一個環(huán)節(jié)，就是標(biāo)準(zhǔn)。主機廠與供應(yīng)商對話，依然需要以標(biāo)準(zhǔn)作為接口。無論是實物交付還是模型交付，都繞不開標(biāo)準(zhǔn)。所有的數(shù)據(jù)都可以用二進制數(shù)據(jù)表達，但是針對不同產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，由于使用的工業(yè)軟件不同，其數(shù)據(jù)格式難以統(tǒng)一。當(dāng)前，三維造型模型數(shù)據(jù)就有多種類型，而性能開發(fā)中需要的模型更不成熟，類型更多。這時候，標(biāo)準(zhǔn)又起到了重要的作用。但標(biāo)準(zhǔn)需要在相對成熟的技術(shù)上總結(jié)規(guī)范，而目前眾多性能開發(fā)均未能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。當(dāng)前，第三方提供的數(shù)據(jù)形式通常都是PDF格式的試驗報告。而機器能識別的通用數(shù)據(jù)格式通常是txt文本或者表格。兩者進行統(tǒng)一，在模型不夠成熟的情況下，均使用表格形式將模型以對象形式存儲、交互是相對較優(yōu)的選擇。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息安全也越來越重要。當(dāng)前主機廠與供應(yīng)商的信息交互，通常需要簽訂保密協(xié)議。往往需要項目組織，協(xié)調(diào)采購、銷售等商務(wù)部門，經(jīng)過較長的審批周期，雙方的技術(shù)人員才能對接上。而如果采用模型對模型的交互方式，參考姚氏百萬富翁問題，可實現(xiàn)雙方數(shù)據(jù)加密傳輸，既有利于電機廠家針對主機廠進行產(chǎn)品優(yōu)化，也有利于主機廠對多家電機廠家進行帥選對比，但雙方均基于保密算法完成的數(shù)據(jù)交互，故而不需要簽訂保密協(xié)議，提高數(shù)據(jù)交互效率，縮短整車開發(fā)周期。

4 動力性經(jīng)濟性性能開發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)

為了實現(xiàn)整車動力性經(jīng)濟性開發(fā)過程的數(shù)據(jù)管理，開發(fā)了一個專用軟件。該軟件采用CS架構(gòu)，基于JAVA語言進行開發(fā)，其中數(shù)據(jù)保存與交互主要采用excel表格形式，客戶端界面如圖10所示。

圖10 動力性經(jīng)濟性性能開發(fā)軟件客戶端界面

該軟件內(nèi)部文件采用樹狀管理，與windows系統(tǒng)的數(shù)狀目錄兼容。各操作者通過超級賬戶進行管理，通常根據(jù)增、刪、查、改與功能模塊不同，設(shè)置不同的權(quán)限。由于當(dāng)前使用的計算模型有部分依靠MATLAB，所以在選擇功能后，執(zhí)行調(diào)用MATLAB運行，可以將新加入的數(shù)據(jù)進行模型帶入，生成仿真分析報告。

動力性經(jīng)濟性開發(fā)主要分為3個大模塊，分別為：仿真分析模塊、試驗數(shù)據(jù)處理模塊、云數(shù)據(jù)分析模塊。①仿真分析模塊下分為：工況仿真、增程器、滑行阻力、整車經(jīng)濟性、整車動力性、滑行跟線、競品數(shù)據(jù)分析；②試驗數(shù)據(jù)分析模塊下分為：底盤測功機能量消耗量與續(xù)駛里程、底盤測功機縮短法、底盤測功機測試電機效率、底盤測功機減速法測試機械阻力、加速性能試驗、實際道路續(xù)駛里程試驗；③云數(shù)據(jù)分析模塊下分為：里程表校核、能耗與里程統(tǒng)計、充電統(tǒng)計/充電習(xí)慣分析、某區(qū)間段能耗分布分析、某區(qū)間段能量流分析、電機工作狀態(tài)分析、電池工作狀態(tài)分析。

以競品分析為例，其對接部門包括市場調(diào)研部、產(chǎn)品定義部、性能集成部。數(shù)據(jù)上傳權(quán)限為市場調(diào)研部，主要使用方位產(chǎn)品定義部和性能集成部。

市場調(diào)研部通過收集工信部網(wǎng)站或者其他渠道獲得的競品參數(shù)，列入競品數(shù)據(jù)庫中，如表3所示示例。

表3 競品信息收集示例

產(chǎn)品定義部與性能集成部通過調(diào)用MATLAB分析，獲得競品分析報告，從各維度比較目標(biāo)產(chǎn)品與競品的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 競品分析功能模塊示例

其他功能模塊思路類似，有專門的數(shù)據(jù)采集部門，通過該系統(tǒng)的模型，可產(chǎn)生眾多仿真分析報告和試驗結(jié)果分析報告，實現(xiàn)性能開發(fā)的高效數(shù)據(jù)管理。

5 結(jié)論

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理在汽車性能開發(fā)工作中應(yīng)用還不成熟，雖然目前已實現(xiàn)無紙化辦公，但真正做到快速、高效的多方協(xié)作，還需要對產(chǎn)品性能開發(fā)過程的數(shù)據(jù)進行有效管理。產(chǎn)品性能開發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計過程中，遇到最大的問題是基于相同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)化問題。本文提出基于標(biāo)準(zhǔn)測試為對接口，將測試設(shè)備與被測樣本都進行數(shù)字孿生操作，仿真替代試驗，仿真報告與試驗分析報告等效，最終實現(xiàn)多方加密數(shù)據(jù)交互。降低開發(fā)周期，降低開發(fā)過程的人力投入，提高產(chǎn)品性能開發(fā)效率。