車輛的“真實(shí)”安全性

汽車安全問題仍然是當(dāng)下消費(fèi)者熱衷的、汽車廠最受挑戰(zhàn)的問題之一。通過不斷提高國家強(qiáng)制性法規(guī)以及消費(fèi)者評價(jià)體系對車輛碰撞安全的要求，促使汽車廠研發(fā)出更加“安全”、星級更高的車輛；智能駕駛、自動駕駛的技術(shù)，也大大降低了因駕駛員疲勞駕駛、誤操作等因素而導(dǎo)致事故的發(fā)生。然而，據(jù)世界衛(wèi)生組織2020年12月7日公布的一項(xiàng)數(shù)據(jù)：全世界道路交通意外事件每年導(dǎo)致全球135萬人死亡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)每年因交通事故死亡人數(shù)也高達(dá)6萬之多。除了部分意外情況以及人為因素問題，作為汽車安全工程師，我們更應(yīng)該有責(zé)任，去提高車輛的“真實(shí)”安全性，而不應(yīng)該僅僅滿足“應(yīng)試式”的法規(guī)要求和消費(fèi)者評價(jià)體系的星級。

(圖表源自網(wǎng)絡(luò))

車輛的“真實(shí)”安全性就是指現(xiàn)實(shí)交通事故場景的車輛安全和人員安全。而提高和檢驗(yàn)車輛的“真實(shí)”安全性，最普遍、最有效的手段就是仿真和測試。其中物理的碰撞測試已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于驗(yàn)證車輛的碰撞安全，然后其局限性仍然非常明顯。目前的物理碰撞測試在驗(yàn)證“真實(shí)”安全性的廣度和深度上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此對于車輛的“真實(shí)”安全性的開發(fā)和驗(yàn)證，必須將物理測試和虛擬仿真測試結(jié)合起來，才能以有限的時間、較低的成本、可靠安全的方式實(shí)現(xiàn)車輛的真正安全。

虛擬測試與評價(jià)

在航空領(lǐng)域，美國航空適航法規(guī)早就已經(jīng)規(guī)定了對航空飛行的適航虛擬認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有的Euro NCAP，NHTSA對車輛安全的評價(jià)方法中，或多或少都已經(jīng)有虛擬測試驗(yàn)證的影子。從2025年開始，Euro NCAP、C-NCAP的車輛安全評價(jià)中，也將加入更多的虛擬測試工況。在未來20年，虛擬測試評價(jià)將會越來越多，逐步形成并完善具有廣度和深度意義上的車輛“真實(shí)”安全性的測試評價(jià)和認(rèn)證體系。

乘員約束虛擬測試與評價(jià)的框架FORTE

對于虛擬測試與評價(jià)，西門子有著獨(dú)特的理解以及領(lǐng)先行業(yè)的前沿性虛擬仿真技術(shù)，尤其是在乘員約束的安全性方面。近幾年，西門子開發(fā)并完善了乘員約束虛擬測試與評價(jià)的框架FORTE（framework of Occupant Restraint Testing and evaluation）。該框架給用戶提供一個模塊化、參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的主模型。用戶可以根據(jù)實(shí)際車型，自行替換屬于用戶車型的各個模塊系統(tǒng)；可以根據(jù)交通場景工況，靈活切換碰撞工況；可以根據(jù)人體的個體差異，調(diào)整肌肉強(qiáng)度和意識反應(yīng)速度，等等。

乘員約束虛擬測試與評價(jià)的框架能夠幫助各個層次的工程師，如安全工程師、仿真分析工程師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師等，能夠非常容易、快速地搭建虛擬測試所要求的仿真模型，并快速完成大規(guī)模的虛擬測試算例，給出評價(jià)結(jié)果。

FORTE主模型默認(rèn)包含了3種常見的交通場景，即：

?正常NCAP車輛碰撞的場景，即56 km/h的初始速度，隨后發(fā)生車輛碰撞的場景。過程經(jīng)歷時長為180ms。

?自動緊急制動伴隨車輛碰撞的場景，即初始速度為77 km/h，在750ms左右自動緊急制動下，以56 km/h的速度發(fā)生車輛碰撞的場景。過程經(jīng)歷時長為約1s。

?車輛緊急避讓（緊急變換車道）的場景。過程經(jīng)歷時長為約3s。

其他的場景則可通過用戶自定義的方式，任意調(diào)整和修改。

Simcenter Madymo重啟功能

要保證車輛的“真實(shí)”安全性，虛擬測試與評價(jià)的場景工況的數(shù)量至少是上百個工況。而開發(fā)車輛安全中，需要進(jìn)行乘員約束安全的虛擬開發(fā)工況數(shù)量至少需要上萬。同時，對于如AEB場景，緊急避讓場景等，其整個仿真場景所經(jīng)歷的時長都在1s~3s。對于當(dāng)前的計(jì)算能力來說，上萬個工況，F(xiàn)ORTE模型的計(jì)算總時間至少在2萬小時（~2年）至6萬小時；如果以純FE的模型仿真，則總時間至少在50萬小時（~57年）以上。

如此巨大的計(jì)算量，除了利用超級計(jì)算機(jī)、大規(guī)模計(jì)算外，一個“重啟”功能能夠大大減少計(jì)算所花的時間。而Simcenter Madymo的重啟功能，就是可以重復(fù)利用上一次計(jì)算完的結(jié)果數(shù)據(jù)，作為下一次計(jì)算的“初始狀態(tài)”，再計(jì)算在“初始狀態(tài)”之后，約束系統(tǒng)參數(shù)改變對乘員的影響。

例如前面第2種自動緊急制動伴隨車輛碰撞的場景，如果750 ms的AEB制動條件不變的情況下，對約束系統(tǒng)參數(shù)做匹配。則750 ms的AEB制動的仿真結(jié)果，就可以作為碰撞發(fā)生前的“初始狀態(tài)”，也就不需要計(jì)算碰撞前的仿真。在這種情況下，省去了750ms仿真的計(jì)算，可以節(jié)約67%左右的計(jì)算時間。下圖對多種場景，使用重啟功能和不使用重啟功能，進(jìn)行詳細(xì)說明和對比：

當(dāng)碰撞前的階段時間歷程越長，利用重啟功能，所能節(jié)省的計(jì)算時間也就越多，從而大大縮短虛擬仿真所需的總計(jì)算時間。

結(jié)束語

虛擬測試與評價(jià)技術(shù)的落地，將會大大提高車輛的“真實(shí)”安全性能。西門子的乘員約束虛擬測試與評價(jià)之框架FORTE，將為廣大安全開發(fā)工程師帶來的是建模簡單、標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、穩(wěn)定可靠的開發(fā)應(yīng)用體驗(yàn)。