朱 君，李長朋，趙 甲

模型驅(qū)動的可視化工業(yè)App集成開發(fā)平臺分析

朱 君，李長朋，趙 甲

（中汽數(shù)據(jù)有限公司，天津 300380）

工業(yè)軟件及工業(yè)應(yīng)用程序（App）涉及的專業(yè)領(lǐng)域多、范圍廣，需要一線專業(yè)人員深度參與調(diào)研與調(diào)試。為解決此問題，文章面向研發(fā)設(shè)計領(lǐng)域聚焦工業(yè)App的開發(fā)及應(yīng)用，提出了一種基于汽車機(jī)理模型的工業(yè)App集成開發(fā)技術(shù)及平臺，論述了該平臺的設(shè)計思路和技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，并重點(diǎn)論述了以汽車機(jī)理模型編譯分析及求解引擎、工業(yè)軟件集成與適配、可視化模型組件拼裝發(fā)布為核心的平臺關(guān)鍵技術(shù)，同時列舉在汽車行業(yè)的應(yīng)用案例及實(shí)施效果。結(jié)果表明，該平臺能夠輔助研發(fā)設(shè)計工程師快速開發(fā)工業(yè)App，并借助工業(yè)App有效提高工作效率，促進(jìn)企業(yè)提質(zhì)降本增效。

工業(yè)App；工業(yè)App集成開發(fā)平臺；機(jī)理模型組件

當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺以生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)為主要服務(wù)對象，但是在研發(fā)設(shè)計仿真領(lǐng)域缺乏相關(guān)工業(yè)軟件開發(fā)平臺，并且傳統(tǒng)軟件開發(fā)模式很難滿足快速變化的業(yè)務(wù)需求?；谝陨蠁栴}，本文以汽車行業(yè)研發(fā)設(shè)計仿真領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，面向一線設(shè)計仿真人員，提出了該領(lǐng)域工業(yè)應(yīng)用程序（Application, App）集成開發(fā)平臺的解決方案。企業(yè)設(shè)計仿真工程師通過基礎(chǔ)模型庫和簡單拖拉拽組件的方式可以快速開發(fā)以及應(yīng)用工業(yè)App來解決業(yè)務(wù)訴求[1]。經(jīng)過驗(yàn)證，達(dá)到預(yù)期的效果。

1 平臺設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 平臺總體框架

汽車行業(yè)工業(yè)App集成開發(fā)平臺（簡稱“平臺”）基于云計算總體框架分為IaaS層、PaaS層、SaaS層三個層面。如圖1所示。

圖1 汽車行業(yè)工業(yè)App集成開發(fā)平臺內(nèi)容框架

在IaaS層，利用混合云納管系統(tǒng)搭建了華為云和中汽數(shù)據(jù)云互通的混合云基礎(chǔ)環(huán)境。其中中汽數(shù)據(jù)云相當(dāng)于具有訪問權(quán)限控制的網(wǎng)關(guān)+企業(yè)私有云或者私有存儲區(qū)，用于保存、調(diào)用用戶的機(jī)理模型數(shù)據(jù)，確保用戶未公開的數(shù)據(jù)、模型、算法等知識資產(chǎn)在上云過程中的數(shù)據(jù)安全。而華為云則屬于公有云，為所有上云用戶提供平臺級別的算力支持、功能服務(wù)以及知識輸出渠道[2]。

在PaaS層，為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與底層的分離，將PaaS層分為業(yè)務(wù)PaaS環(huán)境與基礎(chǔ)PaaS環(huán)境。在基礎(chǔ)PaaS環(huán)境中，利用K8S和docker技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化運(yùn)維、服務(wù)器動態(tài)發(fā)現(xiàn)、容器化等功能。在業(yè)務(wù)PaaS環(huán)境中，搭建具體的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)邏輯，包括工業(yè)機(jī)理模型開發(fā)環(huán)境、工業(yè)軟件集成與適配環(huán)境、工業(yè)App開發(fā)環(huán)境以及工業(yè)機(jī)理模型資源組件庫。

在SaaS層，建設(shè)工業(yè)App生態(tài)體系，包括工業(yè)App云商城、供需對接中心、開發(fā)者社區(qū)，促進(jìn)工業(yè)知識的輸出并提供工業(yè)App在線使用的云化應(yīng)用服務(wù)。

1.2 平臺關(guān)鍵技術(shù)

基于平臺總體框架設(shè)計，平臺關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容包括機(jī)理模型編譯分析及求解引擎研究、工業(yè)軟件集成與適配環(huán)境研究、面向汽車行業(yè)的工業(yè)App開發(fā)環(huán)境研究。

1.機(jī)理模型編譯分析及求解引擎

本平臺采用基于統(tǒng)一建模語言規(guī)范（Modelica）的建模方法[2]構(gòu)建統(tǒng)一的多領(lǐng)域機(jī)理模型編譯、分析及求解引擎，采用統(tǒng)一的方式表達(dá)工業(yè)過程不同機(jī)理；提供基于輸入處理輸出（Input Process Output, IPO）方法的機(jī)理建模工具，并構(gòu)建基于標(biāo)準(zhǔn)功能樣機(jī)接口規(guī)范（Functional Mockup Interface, FMI）的模型集成環(huán)境，兼容工業(yè)過程已成熟應(yīng)用的主流機(jī)理模型建模工具。

機(jī)理模型編譯分析及求解引擎構(gòu)建包括機(jī)理模型開發(fā)工具、機(jī)理模型集成環(huán)境兩部分。

（1）機(jī)理模型開發(fā)工具。面向汽車工業(yè)領(lǐng)域整車、總成、分總成、生產(chǎn)設(shè)備、故障機(jī)理等研究對象進(jìn)行工業(yè)模型建模。采用自主統(tǒng)一的機(jī)理模型編譯、分析及求解引擎實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計仿真關(guān)鍵環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化的異構(gòu)模型交換與數(shù)據(jù)互聯(lián)互通機(jī)制，支持多領(lǐng)域機(jī)理模型庫統(tǒng)一開發(fā)及統(tǒng)一的建模仿真。

（2）機(jī)理模型集成環(huán)境。機(jī)理模型集成工具調(diào)用機(jī)理模型協(xié)同開發(fā)與模型管理工具提供的服務(wù)，完成模型的上傳與下載，實(shí)現(xiàn)機(jī)理模型庫綜合管理服務(wù)，提升設(shè)計仿真人員的工作效率。通過機(jī)理模型集成平臺，實(shí)現(xiàn)多源工具異構(gòu)模型的系統(tǒng)級集成仿真。

2.工業(yè)軟件集成與適配環(huán)境

工業(yè)軟件集成與適配環(huán)境研究主要分為工業(yè)軟件集成和適配環(huán)境建設(shè)兩個方面。

在工業(yè)軟件集成方面，根據(jù)目前已有工業(yè)軟件的現(xiàn)狀分析，工業(yè)軟件集成平臺所涉及到的軟件工具的集成一般包括數(shù)據(jù)集成、功能集成和界面集成三個部分。數(shù)據(jù)集成為功能集成提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，界面集成為用戶的使用提供交互基礎(chǔ)，同時功能集成為界面集成提供了服務(wù)基礎(chǔ)。

在適配環(huán)境建設(shè)方面，將工程方法及工具軟件封裝為可重用組件單元，基于這些可重用的組件，工程人員可根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求通過“搭積木”的方式將這些組件進(jìn)行任意組合，建立具體業(yè)務(wù)流程以實(shí)現(xiàn)流程的模板化，模板內(nèi)部既包含了各業(yè)務(wù)操作流程節(jié)點(diǎn)間的邏輯關(guān)系，又包含了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。

3.面向汽車行業(yè)的工業(yè)App開發(fā)環(huán)境

為打破汽車行業(yè)設(shè)計仿真人員和IT開發(fā)人員之間的專業(yè)屏障，加速技術(shù)經(jīng)驗(yàn)沉淀。本平臺建設(shè)可視化工業(yè)App開發(fā)環(huán)境，提供可視化的編程方式，拖拽完成基于機(jī)理模型微服務(wù)組件的工業(yè)App流程構(gòu)建。同時集成多種工業(yè)軟件微服務(wù)[3]，直接對接云端代碼倉庫[4]，使開發(fā)者不再受限于本地環(huán)境，在線完成工業(yè)App的開發(fā)。

面向汽車行業(yè)的工業(yè)App開發(fā)環(huán)境建設(shè)包括可視化的工業(yè)App開發(fā)環(huán)境研發(fā)、工業(yè)App關(guān)鍵技術(shù)與模型集成研發(fā)。功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 可視化工業(yè)App開發(fā)環(huán)境功能架構(gòu)

可視化的工業(yè)App開發(fā)環(huán)境支持通過拖、拉、拽的方式集成工業(yè)組件庫中的工業(yè)軟件微服務(wù)組件、工業(yè)機(jī)理模型微服務(wù)組件等[5]，通過組件定義和流程建模，完成對各種工業(yè)模型與工業(yè)化軟件接口的封裝與組裝，幫助開發(fā)者快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)App的低代碼化開發(fā)。如圖3所示。

圖3 汽車行業(yè)工業(yè)App開發(fā)環(huán)境界面

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)App平臺的應(yīng)用案例

2.1 后視鏡電動折疊分析工具

在使用車輛時，受現(xiàn)實(shí)場景中溫度、角度等因素的影響，電動后視鏡時常出現(xiàn)折疊未到位的情況[6]。

基于此問題，利用工業(yè)機(jī)理模型開發(fā)環(huán)境，需要先對車輛后視鏡的仿真模型進(jìn)行開發(fā)。建模完成并測試基本符合實(shí)際場景的模型以標(biāo)準(zhǔn)FMU格式導(dǎo)入到工業(yè)App開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)會自動進(jìn)行模型識別及組件化封裝。封裝好的模型可作為拖拉拽的組件實(shí)現(xiàn)拼裝，包括前端界面和后端業(yè)務(wù)邏輯。如圖4所示。

圖4 工業(yè)App開發(fā)環(huán)境設(shè)計畫布

搭建完成的工程文件還需要進(jìn)行一系列的軟件級測試，最終由系統(tǒng)基于文件路徑自動生成具有獨(dú)立訪問地址可共享的工業(yè)App應(yīng)用。界面如圖5所示，研發(fā)工程師在預(yù)置的輸入框中輸入關(guān)鍵參數(shù)并點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕，云化的工業(yè)App就可以調(diào)用云端算力加載參數(shù)運(yùn)行機(jī)理模型并在web頁面返回計算結(jié)果，如圖6所示。

圖5 后視鏡電動折疊分析App參數(shù)輸入

圖6 后視鏡電動折疊分析App輸出計算結(jié)果

2.2 雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合電動汽車前向仿真工具

在工程師進(jìn)行整車研發(fā)設(shè)計過程中，需要根據(jù)市場化要求設(shè)計包括百米加速度、最大行駛距離、電池容量、整車質(zhì)量等車輛指標(biāo)，通過不斷調(diào)整車輛參數(shù)如雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩策略、質(zhì)量、輪胎半徑、電機(jī)轉(zhuǎn)矩功率以及電池串并聯(lián)數(shù)量等，使得整車的百米加速度、最大行駛距離滿足車輛既定的需求。因此，平臺選取模型庫中整車動力性模型、雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合模型、電機(jī)效率模型、前向仿真模型以及荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）模型搭建了如圖的雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合電機(jī)汽車前向仿真工具。工程師可以通過此工具快速校核車輛性能參數(shù)。界面如圖7所示。

首先，輸入“目標(biāo)車速、工況車速、坡度”等工況參數(shù)以及步長、結(jié)束時間等仿真參數(shù)，點(diǎn)擊按鈕得出雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合電動汽車前向仿真后的具體數(shù)據(jù)，包括極限加速曲線、行駛距離、電池荷電狀態(tài)等曲線。通過曲線可以獲得百米加速度、最大續(xù)航里程等數(shù)據(jù)，然后通過調(diào)整左側(cè)工程師預(yù)設(shè)的變量信息對結(jié)果進(jìn)行校核，最終得到滿足要求的參數(shù)。

圖7 雙電機(jī)轉(zhuǎn)矩耦合電動汽車前向仿真工具

3 應(yīng)用成效

相較于工業(yè)App的傳統(tǒng)軟件項(xiàng)目的開發(fā)方式，本應(yīng)用案例中一線工程師利用工業(yè)App集成開發(fā)平臺可以實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)，并能夠很好地將已有知識經(jīng)驗(yàn)固化沉淀。從圖8可以看出，由于工業(yè)App對原有知識經(jīng)驗(yàn)的封裝，使得原有開發(fā)工作的準(zhǔn)備時間大幅降低，從平均7天完成一個試驗(yàn)變?yōu)槠骄?天，工程師的工作效率得到提升，單位時間內(nèi)工程師可以開展更多的研發(fā)實(shí)驗(yàn)，單一實(shí)驗(yàn)人工成本率從1.1降到了0.6，促進(jìn)了整體研發(fā)工作效率提升，從原來68.2%提升到97.9%。

其中：單一實(shí)驗(yàn)人工成本率=（一定時期內(nèi)人工成本總額/同期同口徑實(shí)驗(yàn)數(shù)量）/人工總成本；

平均設(shè)計仿真時間=（一定時期內(nèi)實(shí)驗(yàn)總耗時/同期同口徑實(shí)驗(yàn)數(shù)量）；

研發(fā)設(shè)計仿真效率=（研發(fā)設(shè)計仿真實(shí)驗(yàn)時間總額/同期工作時間總額）。

4 結(jié)束語

本文研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺工業(yè)App方向在研發(fā)設(shè)計仿真領(lǐng)域的平臺架構(gòu)和應(yīng)用場景，基于汽車行業(yè)工業(yè)App集成開發(fā)平臺面向汽車研發(fā)設(shè)計仿真領(lǐng)域研發(fā)工程師的業(yè)務(wù)需求，采用Modelica建模技術(shù)、異構(gòu)模型庫管理技術(shù)、工業(yè)軟件集成與適配技術(shù)、低代碼開發(fā)技術(shù)等，開展了聚焦典型業(yè)務(wù)場景的工業(yè)App平臺搭建，提高了研發(fā)設(shè)計仿真工作效率，滿足了工程師對軟件產(chǎn)品快速響應(yīng)業(yè)務(wù)變化的訴求。此外，本文實(shí)現(xiàn)的對設(shè)計仿真領(lǐng)域異構(gòu)機(jī)理模型的解析及管理，以及基于機(jī)理模型組件的流程化封裝也是目前同行業(yè)唯一的，為其他行業(yè)開展相關(guān)工作提供了借鑒。在后續(xù)工作中將進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)治理技術(shù)實(shí)現(xiàn)混合云環(huán)境下數(shù)據(jù)庫資源貫通、擴(kuò)展復(fù)雜模型參數(shù)定義自由度以及豐富低代碼平臺組件內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)更多場景的適配。汽車行業(yè)工業(yè)App集成開發(fā)平臺的建設(shè)與應(yīng)用，為汽車產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供了助力。

[1] 潘燕,方文,程睿遠(yuǎn),等.基于中小企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺的研究與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī),2021,34 (12):1-3.

[2] 王星薇,趙甲.汽車行業(yè)機(jī)理模型的封裝及部署技術(shù)[J].汽車實(shí)用技術(shù),2022,47(15):69-76.

[3] 蔡金瑩,向峰,周平,等.基于微服務(wù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)制造服務(wù)協(xié)作平臺應(yīng)用研究[J].智能計算機(jī)與應(yīng)用, 2022,12(7):95-100.

[4] 陳綺語.云計算資源管理平臺建設(shè)及運(yùn)用[J].中國信息化,2021,328(8):54-55.

[5] 曹嚴(yán)明,曹蕤.模型驅(qū)動的低代碼平臺及其在金融業(yè)務(wù)系統(tǒng)遷移中的應(yīng)用[J].中國金融電腦,2021,385(8): 60-64.

[6] 安陽.北京現(xiàn)代索納塔后視鏡折疊功能為何失效[J].汽車與駕駛維修(維修版),2022,535(2):15.

Analysis on Integrated Development Platform of Visual Industrial App Driven by Automobile Model

ZHU Jun, LI Changpeng, ZHAO Jia

( Automotive Data of China Company Limited, Tianjin 300380, China )

Industrial software and industrial application(App) involve many professional fields and a wide range, requiring the in-depth participation of front-line professional and technical personnel in research and debugging. In order to solve this problem, the paper focuses on the development and Application of industrial App in the field of research and development(R&D) and design, proposes an integrated development technology and platform of industrial App based on automobile mechanism model, discusses the design ideas and technical implementation paths of the platform, and focuses on the key technologies of the platform with the compilation, analysis and solution engine of automobile mechanism model, the integration and adaptation of industrial software, and the assembly and release of visual model components as the core. At the same time, the Application cases and implementation effects in the automobile industry are listed. The results show that the platform can assist R&D and design engineers to quickly develop industrial Apps, effectively improve work efficiency with the help of industrial Apps, and promote enterprises to improve quality, reduce cost and increase efficiency.

Industrial App; Industrial App integrated development platform; Mechanism model component

TP319

A

1671-7988(2023)03-215-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.040

朱君（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槠嚬I(yè)App產(chǎn)品、汽車工業(yè)機(jī)理模型、工業(yè)App集成開發(fā)平臺、工業(yè)技術(shù)軟件化，E-mail:zhujun@catarc.ac.cn。