在美國洛杉磯，交通部門正在合作開發(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)動數(shù)字孿生。在世界的其他地方，數(shù)字孿生的汽車用例也在不斷增加。鑒于數(shù)字孿生具有深遠(yuǎn)的能力，已經(jīng)有多個行業(yè)整合了這種技術(shù)，汽車行業(yè)就是其中之一。

隨著電氣化和自動駕駛等新趨勢的出現(xiàn)，如今的汽車可以被描述為一個不斷發(fā)展的子系統(tǒng)，通常包含不同的電子模塊，有時多達(dá)100個或更多。子系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要實時虛擬。這就是數(shù)字孿生的精髓：一個物理對象或系統(tǒng)的虛擬副本，可以用來模擬真實世界的情況，并在虛擬環(huán)境中測試不同的場景。它通過使用傳感器、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能來監(jiān)測和反映物理對象。每種類型的數(shù)字孿生都有其獨(dú)特的功能和優(yōu)勢，可以搭配使用來創(chuàng)建一個全面的汽車數(shù)字模型。

▲表1：基于分層結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生分類

基于海量數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生不僅會生成關(guān)于物理對象的大量數(shù)據(jù)，而且還需要從物理對象捕獲數(shù)據(jù)來提供其全部功能。在汽車中，傳感器固定在汽車的幾個部件上，用于產(chǎn)生和傳遞有關(guān)汽車功能和狀態(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，可以在汽車的整個壽命周期內(nèi)提供多個好處。

圖1：數(shù)字孿生生態(tài)體系的組成和特征

監(jiān)測汽車部件是數(shù)據(jù)可用性帶來諸多特殊好處。跟蹤電池的健康狀態(tài) (SoH) 就是一個例子，這對糾正異常情況至關(guān)重要。與SoH類似，數(shù)字孿生還可以幫助跟蹤汽車部件的剩余使用壽命 (RUL)。SoH可能有助于汽車制造商管理電池充電和零部件的熱控制等，而RUL則可以幫助保險公司評估受損車輛的價值，或提醒車主訂購新部件。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)字孿生對數(shù)據(jù)的依賴并不是汽車特有的，但現(xiàn)代汽車已經(jīng)變得更加復(fù)雜，彰顯了這項技術(shù)可以發(fā)揮的重要作用。這些復(fù)雜的汽車不僅產(chǎn)生了越來越多的數(shù)據(jù)，而且需要盡快對數(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)孿生與汽車架構(gòu)變遷

汽車架構(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，需要高性能的車載網(wǎng)絡(luò) (IVN)，以滿足增加數(shù)據(jù)使用的處理要求。這方面的一個持續(xù)發(fā)展的趨勢是向區(qū)域電子電氣架構(gòu)的遷移。

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

圖2：架構(gòu)演變趨勢：從域到區(qū)域

此外，通過提高汽車中央計算機(jī)的處理能力，區(qū)域電子電氣架構(gòu)實現(xiàn)了由軟件和無線更新驅(qū)動的汽車創(chuàng)新。架構(gòu)的分區(qū)簡化了對多個來源的數(shù)據(jù)的集成，這可以促進(jìn)數(shù)字孿生的使用。

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為汽車原型設(shè)計、性能優(yōu)化賦能

虛擬原型設(shè)計雖然很復(fù)雜，但它清楚地說明了汽車部件在不同場景中如何協(xié)同工作。對于汽車制造商來說，數(shù)字孿生不僅能促進(jìn)虛擬原型設(shè)計，而且為升級汽車設(shè)計、部署新功能提供更多可能性，并最終降低成本。通過收集和分析運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，他們模擬車輛的性能，并分享潛在改進(jìn)的見解。這可以為優(yōu)化汽車部件的性能帶來多個好處。

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

除了提升BMS外，還能實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，允許實時監(jiān)測汽車部件和系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)可用于預(yù)測何時需要進(jìn)行維護(hù)，從而減少停機(jī)時間和維護(hù)成本。該技術(shù)在汽車業(yè)的其他用例包括模擬自動駕駛汽車在不同駕駛場景中的行為。這有助于對自動駕駛汽車的軟件和硬件組件進(jìn)行改進(jìn)和測試，然后再將其運(yùn)用到道路上。

總體而言，數(shù)字孿生在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將更加普遍，特別是隨著汽車數(shù)字化的不斷進(jìn)步。它有助于改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、制造流程和汽車維護(hù)，從而打造更好的產(chǎn)品和更高效、更可靠的汽車業(yè)。隨著這一演變的推進(jìn)，一個重要的優(yōu)先事項將是滿足各種汽車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)、混合動力汽車和電動汽車推進(jìn)、電池管理和車輛連接域等。他擁有應(yīng)用工程背景，涵蓋客戶支持以及為貿(mào)易展、會議和客戶研討會提供高級解決方案和演示。最近，他重點研究互聯(lián)電動汽車。在這一領(lǐng)域，恩智浦與合作伙伴正在開發(fā)實時推進(jìn) (如能源管理系統(tǒng)、電動機(jī)控制和電芯狀態(tài)估計) 和非實時汽車健康應(yīng)用的解決方案。