数字孪生在车辆电子系统设计和实现的应用

数字孪生“Digital Twin”概念最早提出是在航空航天领域。在2010年，NASA提出了数字孪生概念，当时数字孪生定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统仿真过程”当时数字孪生在飞行器设计、维修、故障情况预测和性能评估中有大规模的应用。

数字孪生在汽车技术中车辆结构设计和制造及使用方面得到了广泛应用。例如汽车车辆结构件设计和制造，虚拟汽车生产产线等应用。但是在车辆电子系统设计和实现的相关的数字孪生应用，目前没有广泛的应用。

目前为了适应车辆开发需求的变化，车辆开发体系也在寻找新的开发方式，不论是在ASPICE流程体系下，还是引入Agile，车辆功能的验证周期还是相对较长，如下图所示在车辆电子系统开发过程中MIL，SIL和HIL，相互独立，相互关联较少。

如上图所示，西门子整合相关工具，形成一套基于车辆电子系统设计和验证的系统。通过Prescan工具对车辆行驶环境建模和仿真，环境模型将车辆行驶的相关数据传递给控制模型（simulink 建立的控制模型），也可以将数据传递给中间件（LoLa），中间件中可以建立容器，容器包含了对环境数据处理、数据融合、控制策略的程序。可以将控制策略的信号传递给Prescan，在搭建的仿真环境中，仿真车辆对环境的识别和控制策略的执行。同时，可以将车辆相关环境和车辆控制数据传递到HMI的界面，在路测车辆行驶的过程中，观察车辆行驶的情况。

在底层西门子也提供虚拟化仿真的工具，仿真ECU的硬件功能，中间件将相关数据传递给底层虚拟化的硬件，虚拟化的硬件对处理，同LoLa交互，从而实现整个电子架构的验证。

如上图所示，有一条数据路径，Prescan将仿真数据发送到嵌入式环境或是PC仿真的环境，嵌入式环境和PC仿真环境将数据发送到HMI显示，另一条数据路径，西门子Scraptor 工具可以采集真实驾驶环境，路采数据发送到嵌入式环境或是PC仿真的环境，嵌入式环境和PC仿真环境将数据发送到HMI显示。

LoLa作为中间件，传递数据，LoLa可以建立数据节点，作为功能抽象的基本单元，节点可以部署在开发平台，也可以部署在目标平台（例如嵌入式系统）。

如上图所示，除了虚拟硬件的方式建立虚拟ECU，还可以通过，建立节点模型，抽象ECU功能，建立虚拟系统，系统的抽象定义级别，级别范围在CORE级别，SOC级别，ECU级别，车辆级别。

LoLa中的节点，对功能抽象，既可以作为MIL中的模型节点，也可以作为SIL中的模型节点。

节点接口有监控功能，可以将节点的运行情况导出，观察节点运行状态。

开发流程方面，节点设计，节点部署，仿真验证形成一个开发循环，能高效的将开发反馈，用来指导功能设计。

在开发过程中，可以将功能项目部署在不同平台，例如开发的环境、目标环境或是影子环境中。这样在系统不明确的情况下，开发进程依旧可以进行。

在大规模验证的要求下，也可以使用数字孪生的体系，建立虚拟ECU，通过开发流程，将ECU的功能和性能进行评估，然后通过LoLa建立ECU的节点（功能节点的集合可以定义为ECU），节点间接口通信用来模拟总线。这样就可以搭建一个虚拟的整车电子系统。

为了适应整车电子电器架构的体系开发，中间件LoLa支持ARXML文件，通过ARXML文件，可以将整车电子电器架构的设计导入数字孪生系统。

协议栈方面，体系通过LoLa的接口将不同的体系串联起来，客户也可以将之前开发的内容在数字孪生体系中做仿真和验证，也可以通过数字孪生体系对之前开发的产品进行优化和更新。

依托于西门子完整开发体系，可以使用Capital建模，再结合Prescan和Scraptor，通过中间件LoLa建立模型节点，模型节点作为数字孪生的依托，建立一个包括环境、电子控制系统和系统验证仿真的平台。

在数字孪生的体系下，节点可以兼容不同产品功能，节点可以作为ECU的抽象或是模型，对ECU开发或是整车电子可以进行仿真和验证。

审核编辑：彭静