引言

西門子Simcenter平臺針對xEV動力總成在不同項目開發(fā)階段提供不同工具，流程及工程咨詢服務賦能企業(yè)電驅(qū)總成開發(fā)工作。

當電驅(qū)供應商根據(jù)上游需求輸入計劃開發(fā)一款產(chǎn)品時，面臨早期概念階段架構(gòu)選型的問題。通常有經(jīng)驗的工程師會在現(xiàn)有架構(gòu)基礎上做調(diào)整優(yōu)化，這種設計固定的現(xiàn)象限制了創(chuàng)新。另外一種方式是依據(jù)設計工程師的經(jīng)驗，通過手工方式生成和評估架構(gòu)。由于時間的限制，這種方法生成的架構(gòu)是有限的，對人員要求較高，可能會錯過更優(yōu)方案。

本文將介紹一個新產(chǎn)品Simcenter Studio,它可以使用基于人工智能的生成工程方法快速生成海量獨特的系統(tǒng)架構(gòu)，并通過系統(tǒng)仿真工具（如Amesim）對生成的大量架構(gòu)方案進行閉環(huán)評估，即利用Simcenter Studio及 Amesim軟件進行電驅(qū)系統(tǒng)多架構(gòu)方案生成及尋優(yōu)優(yōu)化，也就是下面流程圖黃色線框區(qū)域所列工作內(nèi)容。

Studio簡介及使用必要

Studio簡介：Simcenter Studio是Simcenter產(chǎn)品組合中的一款新應用程序，用于在早期概念階段生成新穎的系統(tǒng)架構(gòu)。Simcenter Studio結(jié)合了系統(tǒng)仿真、最優(yōu)控制方法和強化學習等方式，運用最先進的機器學習和科學計算技術，使數(shù)據(jù)科學家和工程師能夠在“計算筆記本”中創(chuàng)建用戶定義的程序，用于生成工程設計。

優(yōu)勢：基于人工智能的系統(tǒng)架構(gòu)生成；利用系統(tǒng)仿真進行早期概念階段的架構(gòu)權(quán)衡研究；自動化控制器生成，實現(xiàn)真實的權(quán)衡研究；通過計算筆記本重現(xiàn)和記錄設計決策。

特點：采用專利技術的創(chuàng)新生成工程方法；基于可信賴的開放生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建的多用戶、本地和基于Web的工具；和系統(tǒng)仿真（Simcenter Amesim）的無縫完全集成連接；通過Python 和/或集成的領域特定語言進行前處理和后處理；具有專門用于控制和強化學習的工具箱。

使用必要性：為什么要使用基于人工智能生成工程的Studio進行架構(gòu)探索優(yōu)化。首先讓我們來回顧一下傳統(tǒng)簡單的但是具有代表性的產(chǎn)品開發(fā)過程。第一階段（概念和需求）：項目經(jīng)理，車輛架構(gòu)工程師或者CTO等會根據(jù)高等級的需求進行高等級的設計決策，比如選用混動或純電，是否輪邊驅(qū)動，前驅(qū)后驅(qū)或四驅(qū)等。這種設計決策通常通過一些簡單的計算工具如計算器，excel等以直覺和經(jīng)驗制定。第二階段（功能層級）：車輛架構(gòu)工程師和系統(tǒng)架構(gòu)工程師從第一階段定義的高等級的架構(gòu)開始進行分解，考慮功能實現(xiàn)方式和邏輯，制定功能和邏輯架構(gòu)。通過excel, ppt, cameo, system composer等工具創(chuàng)建手動的權(quán)衡研究。第三階段（物理層級）：針對一個已經(jīng)確定的架構(gòu)方案進行配置研究及優(yōu)化，如零部件選型，控制器創(chuàng)建及優(yōu)化等。針對可能存在的最優(yōu)架構(gòu)方案，所得到的優(yōu)化結(jié)果可能只是次優(yōu)解。這是一個典型的遞進式，仿真最后的路線。

基于人工智能的生成工程可以實現(xiàn)真正的模式轉(zhuǎn)變，依賴仿真而非人工來生成符合要求的設計。它通過創(chuàng)建機械、電氣、電子和軟件領域的系統(tǒng)架構(gòu)，利用仿真和人工智能驅(qū)動的概念，加速創(chuàng)新的步伐。與傳統(tǒng)方式，從確定的設計方案開始，然后驗證其性能是否符合需求相比，這一過程是從需求、約束和背景信息的定義開始的。前置仿真和基于人工智能的方法用于生成創(chuàng)新設計，從而實現(xiàn)更短的確認和驗證周期。

現(xiàn)在可以將生成工程應用于系統(tǒng)級架構(gòu)，提供跨多個工程領域進行優(yōu)化的能力。在設計過程的每個步驟，從需求階段到可以完全運行的系統(tǒng)階段，都存在一個持續(xù)的循環(huán)生成設計方案，根據(jù)關鍵指標來驗證這些方案，并驗證設計是否符合日益復雜的設計要求。

Simcenter Studio在某重型機械主機廠應用案例

背景信息：某重型機械主機廠在過去近百年歷史中開發(fā)了一系列大型高功率柴油機，該主機廠有意進入新能源領域，所面臨重要問題之一為如何選擇正確的架構(gòu)方案，尤其是很多架構(gòu)可能是從未被工程師考慮過的，何種架構(gòu)方案可以更好的實現(xiàn)模塊化，最大化實現(xiàn)不同平臺不同部件的重用。

西門子工程咨詢服務利用Simcenter Studio和Amesim定義了工作流程支持客戶對電驅(qū)總成進行架構(gòu)及配置探索，尋優(yōu)以及每個特定領域的方案篩選。主要針對三部分內(nèi)容，電驅(qū)系統(tǒng)核心動力總成（機械結(jié)構(gòu)，如不同的電機數(shù)量，類型，功率等級，扭矩水平，峰值轉(zhuǎn)速，變速器檔位，速比，類型，主減速器，差速器，前驅(qū)/后驅(qū)/四驅(qū)等）；功率轉(zhuǎn)換單元（不同的DC/DC轉(zhuǎn)換器，不同的逆變器，每個部件不同的拓撲結(jié)構(gòu)，多級轉(zhuǎn)換器和逆變器，不同的PWM形式和不同的開關頻率等）；能量源（不同類型電池，燃料電池，架空電力線以及不同組合形式等）。本文著重介紹核心動力總成部分工作流程。

我們將該部分工作內(nèi)容主要劃分為以下主要步驟：

業(yè)務理解： 與客戶進行深入討論，確保問題描述清晰。幫助客戶創(chuàng)建一個工作流程，來識別和評估不同的機械傳動系統(tǒng)架構(gòu)，以適用于不同的車輛，哪些架構(gòu)在預定義的指標上表現(xiàn)良好。

系統(tǒng)定義： 在該階段，至少在高層級上，我們需要在Studio環(huán)境中定義系統(tǒng)的不同組件是什么。如下面示例中我們需要一個電機，變速箱，電池包，除此之外還有很多其他選項和模塊。我們需要確定每個模塊交換的端口信息是什么，每個組件在草圖中允許的數(shù)量是多少。在這個特定的例子中，你可以看到電機上面的數(shù)字1..4，這意味著我們允許在架構(gòu)中最多有四個電機。因此，用戶有能力提供或定義所有這些組件。同時我們還需要定義這些組件間的連接規(guī)則和限制。比如系統(tǒng)里有兩個電機，我們定義一個電機不能直接連接到另外一個電機上等等。

架構(gòu)生成： 我們定義一個電機不能直接連接到另外一個電機上等等。我們在上一階段定義的系統(tǒng)定義信息可以被工具用來自動生成這些塊可以連接在一起的所有不同方式。在現(xiàn)實中，取決于所提供的約束和規(guī)則的數(shù)量，它可以生成成千上萬的架構(gòu)。但在大多數(shù)例子中，客戶都希望以某種方式約束研究。所以我們與客戶共同定義了一些額外的約束和過濾條件，這樣可以將可行設計的數(shù)量限制在一定數(shù)量之內(nèi)。

實現(xiàn)： 到目前為止，我們只討論了架構(gòu)的元件模塊，我們?nèi)绾味x骨架模塊以及這些骨架模塊如何使用Studio自動連接在一起以生成不同的架構(gòu)。還有一個方面，我們需要將這些架構(gòu)骨架模型映射到物理模型上，這些模型可以用不同的工具表示。在這個例子中，我們使用Amesim。下圖可以看到每個模塊都被映射到一個Amesim超級組件，在Amesim超級組件中，我們可以有不同的復雜度等級，這取決于我們所要分析的kpi。每一個架構(gòu)方案都將有一個對應的Amesim物理模型。

評估： 在評估階段，可以使用預定義的負載循環(huán)或駕駛循環(huán)從Studio環(huán)境中仿真自動生成的每個模型，并且可以提取感興趣的特定KPI。所以，Studio的工作基本上是自動發(fā)布所有這些模型，根據(jù)我們設定的特定規(guī)則對其進行參數(shù)化，將駕駛循環(huán)數(shù)據(jù)加到每個模型上，仿真提取感興趣的變量，然后將這些結(jié)果以一種美觀的格式呈現(xiàn)在用戶界面中，用戶可以據(jù)此進行選擇最優(yōu)架構(gòu)和配置。