當(dāng)汽車(chē)行業(yè)遇到數(shù)字孿生，將會(huì)發(fā)生什么？

在美國(guó)洛杉磯，交通部門(mén)正在合作開(kāi)發(fā)一種解決方案，致力于創(chuàng)建市內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生。在世界的其他地方，數(shù)字孿生的汽車(chē)用例也在不斷增加。鑒于數(shù)字孿生具有深遠(yuǎn)的能力，已經(jīng)有多個(gè)行業(yè)整合了這種技術(shù)，汽車(chē)行業(yè)就是其中之一。

隨著電氣化和自動(dòng)駕駛等新趨勢(shì)的出現(xiàn)，如今的汽車(chē)可以被描述為一個(gè)不斷發(fā)展的子系統(tǒng)，通常包含不同的電子模塊，有時(shí)多達(dá)100個(gè)或更多。子系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)虛擬。這就是數(shù)字孿生的精髓：一個(gè)物理對(duì)象或系統(tǒng)的虛擬副本，可以用來(lái)模擬真實(shí)世界的情況，并在虛擬環(huán)境中測(cè)試不同的場(chǎng)景。它通過(guò)使用傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來(lái)監(jiān)測(cè)和反映物理對(duì)象。每種類(lèi)型的數(shù)字孿生都有其獨(dú)特的功能和優(yōu)勢(shì)，可以搭配使用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)全面的汽車(chē)數(shù)字模型。

▲表1：基于分層結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生分類(lèi)

基于海量數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生不僅會(huì)生成關(guān)于物理對(duì)象的大量數(shù)據(jù)，而且還需要從物理對(duì)象捕獲數(shù)據(jù)來(lái)提供其全部功能。在汽車(chē)中，傳感器固定在汽車(chē)的幾個(gè)部件上，用于產(chǎn)生和傳遞有關(guān)汽車(chē)功能和狀態(tài)的大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流是現(xiàn)代數(shù)字孿生的重要組成部分，可以在汽車(chē)的整個(gè)壽命周期內(nèi)提供多個(gè)好處。

圖1：數(shù)字孿生生態(tài)體系的組成和特征

監(jiān)測(cè)汽車(chē)部件是數(shù)據(jù)可用性帶來(lái)諸多特殊好處。跟蹤電池的健康狀態(tài) (SoH) 就是一個(gè)例子，這對(duì)糾正異常情況至關(guān)重要。與SoH類(lèi)似，數(shù)字孿生還可以幫助跟蹤汽車(chē)部件的剩余使用壽命 (RUL)。SoH可能有助于汽車(chē)制造商管理電池充電和零部件的熱控制等，而RUL則可以幫助保險(xiǎn)公司評(píng)估受損車(chē)輛的價(jià)值，或提醒車(chē)主訂購(gòu)新部件。例如，如果電池系統(tǒng)的剩余使用壽命 (RUL) 很短，則可更換電池并將其重新用于其他應(yīng)用。

所有這些可能性都需要大量的數(shù)據(jù)。盡管數(shù)字孿生對(duì)數(shù)據(jù)的依賴(lài)并不是汽車(chē)特有的，但現(xiàn)代汽車(chē)已經(jīng)變得更加復(fù)雜，彰顯了這項(xiàng)技術(shù)可以發(fā)揮的重要作用。這些復(fù)雜的汽車(chē)不僅產(chǎn)生了越來(lái)越多的數(shù)據(jù)，而且需要盡快對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化和傳輸，以獲得良好的性能。

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數(shù)據(jù)孿生與汽車(chē)架構(gòu)變遷

汽車(chē)架構(gòu)必須變得更加靈活，才能適應(yīng)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。具體而言，需要高性能的車(chē)載網(wǎng)絡(luò) (IVN)，以滿(mǎn)足增加數(shù)據(jù)使用的處理要求。這方面的一個(gè)持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)是向區(qū)域電子電氣架構(gòu)的遷移。

區(qū)域電子電氣架構(gòu)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展汽車(chē)功能，可以將問(wèn)題具體到汽車(chē)架構(gòu)的特定部分。這樣可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)和錯(cuò)誤確認(rèn)。數(shù)字孿生可以位于汽車(chē)端節(jié)點(diǎn)附近 (靠近執(zhí)行器和傳感器)，更集中在高性能計(jì)算集群中，也可以位于連接的云端。延遲和決策響應(yīng)時(shí)間決定了數(shù)字孿生應(yīng)該部署的位置。工具和處理功能可在信號(hào)到云空間移植各項(xiàng)功能和數(shù)字孿生，使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員能夠便捷地遷移各種特性。

圖2：架構(gòu)演變趨勢(shì)：從域到區(qū)域

此外，通過(guò)提高汽車(chē)中央計(jì)算機(jī)的處理能力，區(qū)域電子電氣架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了由軟件和無(wú)線(xiàn)更新驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)創(chuàng)新。架構(gòu)的分區(qū)簡(jiǎn)化了對(duì)多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)的集成，這可以促進(jìn)數(shù)字孿生的使用。

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為汽車(chē)原型設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化賦能

虛擬原型設(shè)計(jì)雖然很復(fù)雜，但它清楚地說(shuō)明了汽車(chē)部件在不同場(chǎng)景中如何協(xié)同工作。對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生不僅能促進(jìn)虛擬原型設(shè)計(jì)，而且為升級(jí)汽車(chē)設(shè)計(jì)、部署新功能提供更多可能性，并最終降低成本。通過(guò)收集和分析運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，他們模擬車(chē)輛的性能，并分享潛在改進(jìn)的見(jiàn)解。這可以為優(yōu)化汽車(chē)部件的性能帶來(lái)多個(gè)好處。

一是改進(jìn)了電池管理 (BMS)，以延長(zhǎng)電池壽命。使用人工智能解決方案可以在電池健康狀況變化時(shí)進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)，特別是在控制決策方面。這有助于解決電動(dòng)汽車(chē)電池和BMS的主要問(wèn)題，包括提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程、確保電池安全和延長(zhǎng)電池壽命。

除了提升BMS外，還能實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，允許實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汽車(chē)部件和系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)可用于預(yù)測(cè)何時(shí)需要進(jìn)行維護(hù)，從而減少停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。該技術(shù)在汽車(chē)業(yè)的其他用例包括模擬自動(dòng)駕駛汽車(chē)在不同駕駛場(chǎng)景中的行為。這有助于對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的軟件和硬件組件進(jìn)行改進(jìn)和測(cè)試，然后再將其運(yùn)用到道路上。

總體而言，數(shù)字孿生在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加普遍，特別是隨著汽車(chē)數(shù)字化的不斷進(jìn)步。它有助于改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造流程和汽車(chē)維護(hù)，從而打造更好的產(chǎn)品和更高效、更可靠的汽車(chē)業(yè)。隨著這一演變的推進(jìn)，一個(gè)重要的優(yōu)先事項(xiàng)將是滿(mǎn)足各種汽車(chē)流程的功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全要求。

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本文作者

Curt Hillier，恩智浦半導(dǎo)體汽車(chē)工程解決方案技術(shù)總監(jiān)，在恩智浦工作了13年，他的職責(zé)范圍包括雷達(dá)、混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)推進(jìn)、電池管理和車(chē)輛連接域等。他擁有應(yīng)用工程背景，涵蓋客戶(hù)支持以及為貿(mào)易展、會(huì)議和客戶(hù)研討會(huì)提供高級(jí)解決方案和演示。最近，他重點(diǎn)研究互聯(lián)電動(dòng)汽車(chē)。在這一領(lǐng)域，恩智浦與合作伙伴正在開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)推進(jìn) (如能源管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制和電芯狀態(tài)估計(jì)) 和非實(shí)時(shí)汽車(chē)健康應(yīng)用的解決方案。