數(shù)字孿生在車輛電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用

數(shù)字孿生“Digital Twin”概念最早提出是在航空航天領(lǐng)域。在2010年，NASA提出了數(shù)字孿生概念，當(dāng)時(shí)數(shù)字孿生定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)仿真過(guò)程”當(dāng)時(shí)數(shù)字孿生在飛行器設(shè)計(jì)、維修、故障情況預(yù)測(cè)和性能評(píng)估中有大規(guī)模的應(yīng)用。

數(shù)字孿生在汽車技術(shù)中車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造及使用方面得到了廣泛應(yīng)用。例如汽車車輛結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)和制造，虛擬汽車生產(chǎn)產(chǎn)線等應(yīng)用。但是在車輛電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的相關(guān)的數(shù)字孿生應(yīng)用，目前沒(méi)有廣泛的應(yīng)用。

目前為了適應(yīng)車輛開(kāi)發(fā)需求的變化，車輛開(kāi)發(fā)體系也在尋找新的開(kāi)發(fā)方式，不論是在ASPICE流程體系下，還是引入Agile，車輛功能的驗(yàn)證周期還是相對(duì)較長(zhǎng)，如下圖所示在車輛電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中MIL，SIL和HIL，相互獨(dú)立，相互關(guān)聯(lián)較少。

如上圖所示，西門子整合相關(guān)工具，形成一套基于車輛電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的系統(tǒng)。通過(guò)Prescan工具對(duì)車輛行駛環(huán)境建模和仿真，環(huán)境模型將車輛行駛的相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給控制模型（simulink 建立的控制模型），也可以將數(shù)據(jù)傳遞給中間件（LoLa），中間件中可以建立容器，容器包含了對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、控制策略的程序?？梢詫⒖刂撇呗缘?a target="_blank">信號(hào)傳遞給Prescan，在搭建的仿真環(huán)境中，仿真車輛對(duì)環(huán)境的識(shí)別和控制策略的執(zhí)行。同時(shí)，可以將車輛相關(guān)環(huán)境和車輛控制數(shù)據(jù)傳遞到HMI的界面，在路測(cè)車輛行駛的過(guò)程中，觀察車輛行駛的情況。

在底層西門子也提供虛擬化仿真的工具，仿真ECU的硬件功能，中間件將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給底層虛擬化的硬件，虛擬化的硬件對(duì)處理，同LoLa交互，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電子架構(gòu)的驗(yàn)證。

如上圖所示，有一條數(shù)據(jù)路徑，Prescan將仿真數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式環(huán)境或是PC仿真的環(huán)境，嵌入式環(huán)境和PC仿真環(huán)境將數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI顯示，另一條數(shù)據(jù)路徑，西門子Scraptor 工具可以采集真實(shí)駕駛環(huán)境，路采數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式環(huán)境或是PC仿真的環(huán)境，嵌入式環(huán)境和PC仿真環(huán)境將數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI顯示。

LoLa作為中間件，傳遞數(shù)據(jù)，LoLa可以建立數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，作為功能抽象的基本單元，節(jié)點(diǎn)可以部署在開(kāi)發(fā)平臺(tái)，也可以部署在目標(biāo)平臺(tái)（例如嵌入式系統(tǒng)）。

如上圖所示，除了虛擬硬件的方式建立虛擬ECU，還可以通過(guò)，建立節(jié)點(diǎn)模型，抽象ECU功能，建立虛擬系統(tǒng)，系統(tǒng)的抽象定義級(jí)別，級(jí)別范圍在CORE級(jí)別，SOC級(jí)別，ECU級(jí)別，車輛級(jí)別。

LoLa中的節(jié)點(diǎn)，對(duì)功能抽象，既可以作為MIL中的模型節(jié)點(diǎn)，也可以作為SIL中的模型節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)接口有監(jiān)控功能，可以將節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況導(dǎo)出，觀察節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)。

開(kāi)發(fā)流程方面，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)部署，仿真驗(yàn)證形成一個(gè)開(kāi)發(fā)循環(huán)，能高效的將開(kāi)發(fā)反饋，用來(lái)指導(dǎo)功能設(shè)計(jì)。

在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以將功能項(xiàng)目部署在不同平臺(tái)，例如開(kāi)發(fā)的環(huán)境、目標(biāo)環(huán)境或是影子環(huán)境中。這樣在系統(tǒng)不明確的情況下，開(kāi)發(fā)進(jìn)程依舊可以進(jìn)行。

在大規(guī)模驗(yàn)證的要求下，也可以使用數(shù)字孿生的體系，建立虛擬ECU，通過(guò)開(kāi)發(fā)流程，將ECU的功能和性能進(jìn)行評(píng)估，然后通過(guò)LoLa建立ECU的節(jié)點(diǎn)（功能節(jié)點(diǎn)的集合可以定義為ECU），節(jié)點(diǎn)間接口通信用來(lái)模擬總線。這樣就可以搭建一個(gè)虛擬的整車電子系統(tǒng)。

為了適應(yīng)整車電子電器架構(gòu)的體系開(kāi)發(fā)，中間件LoLa支持ARXML文件，通過(guò)ARXML文件，可以將整車電子電器架構(gòu)的設(shè)計(jì)導(dǎo)入數(shù)字孿生系統(tǒng)。

協(xié)議棧方面，體系通過(guò)LoLa的接口將不同的體系串聯(lián)起來(lái)，客戶也可以將之前開(kāi)發(fā)的內(nèi)容在數(shù)字孿生體系中做仿真和驗(yàn)證，也可以通過(guò)數(shù)字孿生體系對(duì)之前開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化和更新。

依托于西門子完整開(kāi)發(fā)體系，可以使用Capital建模，再結(jié)合Prescan和Scraptor，通過(guò)中間件LoLa建立模型節(jié)點(diǎn)，模型節(jié)點(diǎn)作為數(shù)字孿生的依托，建立一個(gè)包括環(huán)境、電子控制系統(tǒng)和系統(tǒng)驗(yàn)證仿真的平臺(tái)。

在數(shù)字孿生的體系下，節(jié)點(diǎn)可以兼容不同產(chǎn)品功能，節(jié)點(diǎn)可以作為ECU的抽象或是模型，對(duì)ECU開(kāi)發(fā)或是整車電子可以進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。