汽車動力經濟性性能開發(fā)數據管理系統(tǒng)設計*

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，浙江 杭州 310000）

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

本文結合汽車性能開發(fā)中的數據管理為研究對象，以整車動力性經濟性開發(fā)為示例，對該性能開發(fā)產生的數據進行有效管理，構建以試驗驗證工作為核心的性能開發(fā)數據管理系統(tǒng)。

1 汽車性能開發(fā)經典流程

汽車性能開發(fā)最經典的開發(fā)流程是“V”字型開發(fā)流程。在橫向上，以產品各開發(fā)節(jié)點為主要參考，通常定義新項目研究與分析、概念設計、工程設計、設計驗證、試生產、投產、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、目標設定與分解、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、日常使用、人機界面、高壓安全等。各性能指標又進行進一步細分，如表1所示。

表1 整車性能指標

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達成設計與驗證，各項性能均設置技術負責人，對各指標進行量化管理。

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)會產生眾多數據，每個節(jié)點的交付物通常都是數據、模型或者試驗報告、分析報告。以整車動力性經濟性開發(fā)為例，其主要使用的設計與分析工具是：MATLAB、CARSIM、ADVISOR、CRUSE等。用到的數據庫資源有：競品車數據庫、電池數據庫、電機數據庫。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、車身風洞試驗、車輪滾阻系數試驗等零部件試驗支撐整車試驗。主要使用的標準：GB/T 18352、GB/T 18385、GB/T 18386等；主要使用的測試資源：轉鼓、環(huán)境艙、INCA、V-box、長平直性能道、標準坡道、市區(qū)及市郊道路。

2.1 整車動力性經濟性開發(fā)過程交付物清單

利用以上軟件、數據庫、標準、試驗設備等資源，在整車動力性經濟性性能開發(fā)過程中，會產生如下文件集合，如表2所示。這些文件歸為計劃文件、設計文件、試驗報告、零部件試驗報告類型。而其背后，大多是由原始數據或模型仿真支撐。

表2 整車動力性經濟性開發(fā)過程交付物清單

2.2 整車動力性經濟性開發(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、其他部門查看權限較為模糊，通常通過OA系統(tǒng)進行申請查看和反饋結果。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)應用場景，顯然需要一個數據管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。當前系統(tǒng)最突出的問題是信息共享緩慢、數據使用需要進行人工轉換，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，會造成數據更新不及時、審批流程過于冗余等問題。以電機外特性參數需求為例，性能開發(fā)依據4級目標進行匹配分析，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)部門提供電機數據；然后，專業(yè)部門若已經保存了相應的電機數據，則可直接反饋給性能開發(fā)部；若需要電機供應商提供，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算審批流程；專業(yè)部門與供應商對接上以后，由供應商提供相應的數據和報告；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)工程師進行報告結果的轉換為模型需要的輸入數據，進行匹配分析和仿真。其數據傳遞流程冗長，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，各模型需要的數據內容可能存在差異，導致每次需求可能表達不一致。而經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，但商務流程、樣件提供等過程通常都長達數周。供應商提供的報告通常是PDF格式或者自定義excel格式，不能直接導入模型中，需要性能開發(fā)工程師對數據進行二次加工，轉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致的風險。主機廠形成對電機性能評價的指標通常對零部件供應商不可見，導致零部件供應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，但由于模型數據處理、測試過程一致性、測試評價標準等不一致導致產生眾多歧義與溝通，增加開發(fā)周期和成本。

3 以測試標準為核心構建產品協(xié)同開發(fā)系統(tǒng)設計

產品數據管理需要以產品為中心，一切數據組織以服務于產品為目的。但是該思路不夠細致，導致執(zhí)行起來會產生眾多問題。隨著數字孿生技術的發(fā)展，基于產品數字孿生模型的數據管理將更便捷、高效。產品與產品數字孿生體的關系可描述為圖3所示。

圖3 數字孿生

以電動汽車動力性經濟性性能開發(fā)為例，汽車的數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據包，可以是excel表格，可以是m文件、可以是其他數據格式的模型。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 供應商電機模型

供應商的電機模型拆解后，可能由硅鋼片參數、導磁率、電感、電導率、繞組數、繞線方式等參數組成。而主機廠需求的電機參數則是以轉速、扭矩、效率等最終性能參數描述。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商開發(fā)的模型不等價

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

圖8 第三方試驗室獲得等效數據模型

改進的工作關鍵在此，依據標準構建測試設備和測試環(huán)境的數字孿生系統(tǒng)，則可以供應商交付數據包模型，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，最終實現供應商模型與主機廠模型的等效，如圖9所示。

圖9 供應商電機模型與主機廠電機模型通過仿真測試標準等效

這中間少不了一個環(huán)節(jié)，就是標準。主機廠與供應商對話，依然需要以標準作為接口。無論是實物交付還是模型交付，都繞不開標準。所有的數據都可以用二進制數據表達，但是針對不同產品的數據模型，由于使用的工業(yè)軟件不同，其數據格式難以統(tǒng)一。當前，三維造型模型數據就有多種類型，而性能開發(fā)中需要的模型更不成熟，類型更多。這時候，標準又起到了重要的作用。但標準需要在相對成熟的技術上總結規(guī)范，而目前眾多性能開發(fā)均未能實現標準的統(tǒng)一。當前，第三方提供的數據形式通常都是PDF格式的試驗報告。而機器能識別的通用數據格式通常是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。

隨著信息技術的發(fā)展，信息安全也越來越重要。當前主機廠與供應商的信息交互，通常需要簽訂保密協(xié)議。往往需要項目組織，協(xié)調采購、銷售等商務部門，經過較長的審批周期，雙方的技術人員才能對接上。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，可實現雙方數據加密傳輸，既有利于電機廠家針對主機廠進行產品優(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據交互，故而不需要簽訂保密協(xié)議，提高數據交互效率，縮短整車開發(fā)周期。

4 動力性經濟性性能開發(fā)數據管理系統(tǒng)實現

為了實現整車動力性經濟性開發(fā)過程的數據管理，開發(fā)了一個專用軟件。該軟件采用CS架構，基于JAVA語言進行開發(fā)，其中數據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 動力性經濟性性能開發(fā)軟件客戶端界面

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

動力性經濟性開發(fā)主要分為3個大模塊，分別為：仿真分析模塊、試驗數據處理模塊、云數據分析模塊。①仿真分析模塊下分為：工況仿真、增程器、滑行阻力、整車經濟性、整車動力性、滑行跟線、競品數據分析；②試驗數據分析模塊下分為：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云數據分析模塊下分為：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研部、產品定義部、性能集成部。數據上傳權限為市場調研部，主要使用方位產品定義部和性能集成部。

市場調研部通過收集工信部網站或者其他渠道獲得的競品參數，列入競品數據庫中，如表3所示示例。

表3 競品信息收集示例

產品定義部與性能集成部通過調用MATLAB分析，獲得競品分析報告，從各維度比較目標產品與競品的關系，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，有專門的數據采集部門，通過該系統(tǒng)的模型，可產生眾多仿真分析報告和試驗結果分析報告，實現性能開發(fā)的高效數據管理。

5 結論

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