自动驾驶、电气化和基于模型的 E/E 设计的兴起

2020年10月28日 评论 287 4053字

我们生活在汽车行业发生破坏性变化的时代。随着消费者要求更高程度的产品个性化和定期更新,以及自动驾驶和电驱动等新技术的成熟,新车的电气和电子化程度不断提高。与此同时,老牌汽车制造商正在与新晋 OEM 和高科技公司较劲(有时也合作),同时还必须应对车主不断变化的偏好,这在我的祖国——英国也不例外。 Business Insider 最近的一则头条新闻“英国人突然停止购买汽车”,就代表了这种更普遍的趋势。该文章列举了一系列可能的原因,从 Uber、 Gett、 Lyft 等基于手机应用的服务的兴起到居民储蓄率的降低,还有政府宣布计划到 2040 年禁止销售所有汽油和柴油车的影响。事实上,汽车供应链中的所有公司,从原有的业界翘楚到硅谷和中国的初创公司,都面临着前所未有的竞争压力,当然也有赢得客户和市场份额的新机遇。而当涉及如今车辆的电气/电子架构设计(其比以往任何时候都更复杂)时,所有这些剧烈变化都会带来一些非常实际的影响。

EE(电气和电子)复杂性表现在网络和架构设计的不断变化上。面对广泛的技术要求(带宽、重量、成本、 CPU 利用率等),手动设计流程正在让位于指标驱动的自动化方法。先进的设计工具支持迭代,通过内置可配置的指标来帮助工程师及时完善网络架构或设计规则检查。此类工具还支持网络子网可视化和覆盖参数,例如网络节点 ID、优先级或值表,从而可以在设计过程早期进一步优化报文和信号。所有这些数据都可以过滤到其他域中,因为这些网络信息可以作为 DBC 或 XML 文件轻松导出到平台、子网或 ECU 中。

自动驾驶、电气化和基于模型的 E/E 设计的兴起

当然,复杂性与消费者需求直接相关,尤其是在兑现“大规模定制化”的承诺时,即在批量生产的现实情况下,允许客户选择其想要的车辆选项特定组合,但仅支付单位成本。这需要在设计过程早期对车辆电气和电子架构进行平台级优化。一款典型车辆有数百种可能的选项组合,所以制造商必须管理数以亿计的潜在电气配置来满足该需求。解决这一挑战主要有两种方法,分别以 Porsche Cayenne 选项手册和 Lexus 车辆选项手册为代表,前者有 160 页,而后者只有 14 页。然而,无论是汽车还是卡布奇诺,奢侈品市场的规范几乎总是会流向更主流的市场,因此定制的 EE 架构在整个品牌层次结构中将日益凸显。

目前,德国汽车制造商在采用 KSK 方法方面似乎处于领先地位,该方法是一种客户特定的模块化设计与制
造方法,其中个别线束需要特别构建以涵盖多种选择。另一种广泛使用的替代方案是采用“封装”或复合方法,即对可用选项进行分组,从而减少需要支持的可能选项总数。

全球趋势影响 EE 架构

自动驾驶和电气化要求对EE架构进行重大变革。其部分原因是电气化引入的高电压,更多安全考量,以及显著减轻车重以使 EV 行驶距离最大化。自动驾驶的影响包括需要“失效运行”的设计,大大增加的数据网
络负载和更高的虚拟验证要求。

尽管存在一些业内炒作,但这些趋势即将到来,在很多方面甚至已经来临。最近的统计表明,约有 300 家公司正在研发电动汽车和轻型卡车,其中大约 100 家公司已宣布自动驾驶计划。已宣布禁止化石燃料汽车计划的国家涵盖了包括中国在内的一些最重要市场,中国官方新闻机构新华社最近发表的文章宣布新政策将在“不久的将来”实施。去年夏天被问及关于实行禁令的计划时,德国总理默克尔表示:“我不能明确说是哪一年,但这种做法是正确的,如果我们在电动汽车的充电设施和技术上加快投资,这种结构上的转换是可能实现的。”同样值得注意的是大众宣布的 “Roadmap E” 计划,这可能是业内最全面的电气化举措之一。该路线图包括到 2025 年推出 80 款新电动车,并计划投入超过 500 亿欧元用于电池采购,这是行业历史上最大的采购之一。

电动汽车主宰了当今所有汽车领导者的思维。根据毕马威对汽车业高管的调查,过去三年对电驱动技术的关注从第 10 位跃升至第 1 位。根据该调查,电动汽车相关技术占据了前四大关注点中的三点,取代了新兴市场增长或大数据等通常的商业关注点。

虽然电动汽车浪潮首先到来,但自动驾驶汽车竞赛也已开始。几乎所有领先的汽车制造商都计划推出自动驾驶汽车,包括通用(计划在 2018 年)、福特(2021 年)、 现代、雷诺日产、丰田、本田(计划在 2025 年)。今年一月,优步CEO Dara Khosrowshahi对彭博社表示,他预计 18 个月内优步自动驾驶汽车就会在美国公路上投入使用。 Elon Musk 曾经许下“完全自动驾驶的特斯拉电动车会在 2018 年之前遍布美国”这一惊世豪言,不过最近他收紧了口风,其中的部分原因恰恰在于,要在合理的功率预算内处理大量视觉传感器数据,需要面临严峻挑战(不巧的是, Mentor 的工程师门也在开展这方面的工作)。中国近 300 个城市和地区引入了“智慧城市”项目,激励人们使用自动驾驶汽车。今年九月,中国搜索公司百度宣布设立 15 亿美元(100 亿元人民币)的自动驾驶基金,以在未来三年投资中国的 100 个自动驾驶项目。

汽车领域新秀的激增主要由新型自动化和电气化技术驱动,这与伴随每一次行业新颠覆的变革是一致的。在美国汽车工业的早期,情况也是如此: 1909 年有接近 300 家汽车生产商。但是到 1930 年,只有 27 家幸存下来。类似的颠覆性风潮正在吹遍整个行业,无疑会导致又一次波澜壮阔的整合和变革。现在的主导者与新来者谁能够在新的汽车世界里繁荣昌盛,将取决于其发展和调整商业模式及产品开发流程的能力。旧的交互式流程不足以满足快速行动的需要,只有在产品生命周期的各个阶段整合高水平的设计自动化、合成和验证,才能在此新世界里生存下去。

数字化双胞胎

虽然软件和服务比以往任何时候都更重要,但全球汽车工业仍是制造业的主宰者。该行业每年生产近 1 亿辆汽车,尽管自动化水平在提高,但仍然直接雇佣大约 900 万人,并且间接创造了数倍于该数字的就业机会。制造汽车(实际上制造几乎任何东西)的流程已被数字化双胞胎工具改造,这些工具反映了从设计和测试到制造乃至服务的完整价值链。 Siemens 已经成为数字化双胞胎领导者,尤其是在产品生命周期整体管理,以及机械系统的仿真和测试方面。举个说明该方法威力的例子: Siemens工具帮助Maserati仅用16个月便让 Ghibli 跑车投产,几乎只花费通常设计周期的一半时间,这主要是通过削减许多物理原型的需求来实现的。

自动驾驶、电气化和基于模型的 E/E 设计的兴起

Mentor 工具系列在 EE 架构、系统和网络设计方面具有优势,与 Siemens 在工业和机械领域的成熟专业知识相得益彰。这种强强组合支持真正的多领域系统工程,其对于有效开发当今高度集成的汽车产品是绝对必要的。特别是, Mentor Capital产品组合支持电气系统和网络领域,代表了我们跨组织变革设计能力的方式。通过使 用 基 于 模 型 的 设 计 范式, Capital 可以定义系统架构,然后利用内置指标和设计规则检查比较和对比多种潜在架构,以确保平台设计符合最初的意图。采用 Mentor 先进的生成式工程方法,Capital 可以根据逻辑连接设计并在考虑机械约束的情况下,自动合成接线原理图。系统设备自动放置并互连,整个布线系统利用 OEM 嵌入软件中的规则和约束自动生成。其结果是以前要花费数月的设计任务现在可以在几小时或几天内完成,并且极为重要的是,设计可以在创建时进行验证。数据可以在不同车辆计划和下游制造与服务流程中重复使用。

事实上,几乎所有类型的设计工具的基本原理和最大价值都在于极大地改善前期功能系统设计,确保设计即正确,并通过可靠的数据与最终物理实施保持紧密联系。至少在历史上,许多由工程团队创建的早期功能模型并未包含所有影响软件、电气分配、网络和机械等其他设计领域的必要信息。这不是工程师本身的能力缺陷造成的(大家都见识过热衷于亲自实践、自创流程的技术人员常常对他们设计的系统有令人惊讶的本能)。只是,无论工程师的技能和培训如何,技术领域内部和跨技术领域的巨大复杂性都根本无法用任何具体方式来解释。

现在,像 Capital(其通过 XML 模式与 NX 集成,参见 Mentor 白皮书“汽车 ECAD-MCAD 协同设计让设计一次成功”)这样的新型强大设计工具,能够绘制细微功能设计的数字化且数据丰富的图片,从而提供关于信号、报文、元件定义和其他属性的数据。一旦获得这些数据,构建稳健的网络和平台拓扑结构,应用设计规则检查、客户选项和变型,以及最终创建逻辑和物理拓扑结构(这是实际生成物理线束之前的
最后一步),就会容易得多。

要旨如下:影响当今汽车行业的 EE 设计趋势有很多,其中最重要的是日益强大的软件自动将输入模型转换为确定性输出。在设计和制造过程的各个层面都是如此 —— 从 IC 到电气和机械系统再到装配线。在消费者层面,这一点也非常明显。如何从 A 点到 B 点的问题,最好的办法是越来越多地通过软件、智能手机和云服务来解决,而不是停在家庭车道上的汽车。

如果说当今的汽车制造涉及到数以亿计的可能软件、电气、机械和制造配置,那么未来汽车行业的可能结果必定要多出许多倍。可以肯定的是,尽管各地的自动化程度不断提高,但交通运输将更加以人为本,通达方式比以往更加广泛。

从 A 点移动到 B 点可能不仅仅是去街角商店一趟。长久以来,设计和制造一直以隐喻方式被描述为其自己的旅程,无论其任务是评估线束的成本、重量和功能权衡,还是从人体工程学角度模拟装配线上的工人。因此,对于目光长远的汽车制造商和供应商,最好的建议是寻求工具供应商以满足客户对运输系统越来越高的需求 —— 也就是说,提供一种全面高效的以软件为中介的体验来解决新旧问题。

作者简介
Martin O'Brien(副总裁兼总经理)和 Dan Scott(市场总监)均在英国工作,是 Mentor, a Siemens business。集成电气系统部高级管理人员。联系方式: martin_obrien@mentor.com, dan_scott@mentor.com。

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