用數(shù)字化定義一個時代--西門子工業(yè)軟件仿真與測試解決方案大中華區(qū)技術(shù)總監(jiān)石銀明博士

用數(shù)字化定義一個時代，西門子工業(yè)軟件迎接各種挑戰(zhàn)！

當數(shù)字化變革的潮流席卷全球之時，汽車行業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新顯得最為迫切，因為汽車產(chǎn)品在電氣化、智能化、輕量化等多種技術(shù)變革的顛覆之中亟待浴火重生。2019年3月22日，汽車測試網(wǎng)參加了2019 Simcenter測試技術(shù)周，同時在北京理工大學振動與噪聲控制實驗室，采訪了西門子工業(yè)軟件仿真與測試解決方案大中華區(qū)技術(shù)總監(jiān)石銀明博士。

石銀明博士曾參與眾多工程項目，如ARJ21的起落架擺振，C919艙內(nèi)噪聲的目標分解，J6解放汽車的虛擬臺架項目，東風日產(chǎn)啟辰T70項目等。此外，石銀明博士還是中國振動工程學會模態(tài)分會理事，中國汽車工程學會會員。曾是國外著名刊物 Journal of Sound and Vibration, Experimental Mechanics特約審稿人。


西門子工業(yè)軟件仿真與測試解決方案大中華區(qū)技術(shù)總監(jiān) 石銀明博士

以下內(nèi)容整理自媒體群訪內(nèi)容：

西門子緊跟國家噪聲標準，提升噪聲舒適性

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于車輛的要求越來越高，大家也越來越關(guān)注車輛的安全性、噪聲舒適性等，一般對于車外的噪聲-通過噪聲，國家有非常嚴格的標準，中國、美國和歐盟的噪聲標準要求也都在不斷提高，西門子也一直緊跟這個標準。對于車內(nèi)噪聲，雖然國家現(xiàn)在沒有標準，但大家對噪聲舒適性有更高的要求，同時有市場競爭，所以標準一直在提高。 

另外，以前我們只關(guān)心噪聲的舒適性，現(xiàn)在人的要求更高了，要求噪聲帶有品牌效應，例如某些摩托車的聲音，即使在很遠的地方，聲音傳來就知道是什么品牌。所以現(xiàn)在對噪聲的要求越來越高，從噪聲的舒適性，到噪聲變成一個品牌，這需要仿真與測試去設(shè)計噪聲，聲音是可以設(shè)計出來的。特別是純電動汽車，去掉了發(fā)動機，就等于去掉了最大的聲源，整個汽車很安靜，這對行人來說很危險。所以，還要制造出來一些噪聲來，既能提示行人注意安全，又要滿足國家標準。噪聲是無處不在的，或者說聲學是無處不在的，可以利用聲學做很多事情。

數(shù)字化雙胞胎虛實結(jié)合，動態(tài)發(fā)展

數(shù)字化雙胞胎的概念目前也比較火熱，在20年前，我們叫計算，后來叫仿真，再后來叫虛擬樣機，現(xiàn)在叫數(shù)字化雙胞胎。從歷史演變過程中，可以看到計算的內(nèi)涵是最小的，仿真的內(nèi)涵要高一些，但是內(nèi)涵不夠?qū)挕Ｌ摂M樣機這個概念提出來后，“仿真”的概念進一步擴大。但是虛擬樣機這個概念有兩個問題，一個是虛擬樣機太強調(diào)“虛”，“實”沒有體現(xiàn)出來。第二個缺陷，虛擬樣機是一個靜態(tài)的概念。實際上數(shù)字化雙胞胎這個概念剛好彌補了前面的缺陷，數(shù)字化雙胞胎至少包含三層含義，所謂的數(shù)字化雙胞胎一定要有一虛一實，要虛實結(jié)合。

數(shù)字化雙胞胎這個概念包含了一層含義：所有產(chǎn)品的設(shè)計一定是三個維度的。 
第一個維度是產(chǎn)品本身，例如整車、動力總成、變速箱或某些齒輪。
第二個維度是產(chǎn)品屬性，例如振動噪聲的屬性、燃油經(jīng)濟性屬性、疲勞耐久的屬性及安全性的屬性。
第三個維度是時間軸，是產(chǎn)品研發(fā)階段的維度，從需求模型開始，到概念模型，到設(shè)計，到虛擬試驗，到實物試驗，在不同的研發(fā)階段目的不一樣，輸入不一樣，輸出也不一樣，模型的顆粒度、精細程度也不一樣。

所以數(shù)字化雙胞胎有一系列不同的產(chǎn)品對象，例如是整車還是子系統(tǒng)，或是零部件；有不同的屬性，例如是振動噪聲的屬性、疲勞耐久的屬性；有不同研發(fā)階段，例如是在概念設(shè)計，還是后面的詳細設(shè)計，或是批產(chǎn)之后。整個不同的對象、不同的屬性，在不同的研發(fā)階段一系列的模型組成數(shù)字化雙胞胎，一定是一系列的。一系列的虛擬樣機組合在一起，我們叫數(shù)字化雙胞胎。數(shù)字化雙胞胎不是一成不變的，一定是動態(tài)的，這是虛擬樣機概念包含不了的。

第三個概念是，由于數(shù)字化雙胞胎里面有一系列在虛實之間不斷交換的虛擬樣機，所以這些不同階段、不同顆粒度的模型之間一定是關(guān)聯(lián)的。早期的技術(shù)狀態(tài)變更會影響到后面的模型性能，所以就要求數(shù)字化雙胞胎是能被管理起來的，這是很重要的。以前在虛擬化樣機里面往往體現(xiàn)不了這一點，這是數(shù)字化雙胞胎的三層含義。

當然數(shù)字化雙胞胎在將來的用途非常大，我在幾周之前聽到一位國內(nèi)非常有名的做工程機械的高層談到：“我們將來給別人交付產(chǎn)品，除了交付一個實物以外，還要交付虛擬的一個數(shù)字化雙胞胎。”這樣做的一個好處是可以體現(xiàn)研發(fā)能力，把競爭對手排在外面。另一個好處是，例如我們交付的產(chǎn)品是汽車，在使用過程中，如果客戶還有一個數(shù)字化雙胞胎，就可以基于虛擬的數(shù)字化雙胞胎去進行基于模型的維護、故障評估以及故障監(jiān)控，這些都是數(shù)字化雙胞胎將來的作用。

主動聲控制和智能化NVH成為行業(yè)發(fā)展趨勢

一般要解決振動的問題，很多人會被動的改結(jié)構(gòu)的剛度、重量，上面鋪阻力材料增加一些隔聲，去減振降噪，這是被動的減振噪聲辦法。

汽車將逐漸成為一個移動智能終端，為什么？因為車里面有很多的傳感器，有很多的電控單元。我們在5年、10年之前，車里面可能也有幾十個電控單元，那個時候是圍繞機電產(chǎn)品，里面放一些嵌入式的硬件、軟件。“嵌入”這個詞說明它是附屬的，主要的還是機電產(chǎn)品。如今，在設(shè)計汽車的時候，更少關(guān)注結(jié)構(gòu)，重點會集中在軟件、信息處理、傳感和環(huán)境感知。所以汽車從機電產(chǎn)品變成一個移動智能終端，這個趨勢是非常明顯的。我們以前為什么被動的做振動降噪？第一，是因為當時的環(huán)境感知，就是傳感器這部分比較弱。第二，實時的處理能力比較弱，比如說我敲一下桌子，大家聽到噪聲，我要很快把聲音消下去，意味著傳感器或者是麥克風聽到這個聲音以后，馬上把信號給處理器，處理器很快給出控制指令，在這個結(jié)構(gòu)上加一個反向載荷，相位相反的抵消，實際上是主動消聲、主動減振的效果。以前要求一定要做到實時概念，信號輸入馬上有輸出，不要有延遲。以前的處理能力很差，如果我們要算一個一秒鐘的事件，仿真的時候可能需要一個小時。那個時候沒有辦法進行實時控制?，F(xiàn)在我們有很強大的中央處理器單元，它可以把環(huán)境感知、信息融合技術(shù)很快地生成控制指令，得到非常合適的控制策略，傳給作動器進行消聲。當然作動器有很多種，其中一種是壓電陶瓷，給它一個電信號，會引起它的結(jié)構(gòu)變化，會產(chǎn)生一個力，這個力可以跟外部的力進行相位相反抵消，達到減振降噪的目的，這個需要非常強的中央處理器單元。

還有一些主動消聲的方式，比如說我在這里說話，整個室內(nèi)有聲場，如果此時有很好的傳感器可以檢測到聲場，它會生成一些高級控制算法，給另外一些揚聲器發(fā)出指令，讓揚聲器發(fā)出來的聲音和我說話的聲音相位相反，互相抵消，實現(xiàn)主動消聲。很多人都在朝這個方向努力，但是真正用起來也就是最近十年左右。這是未來發(fā)展非常大的趨勢，目前來說一個是環(huán)境感知的能力，一個是芯片計算能力，可以實時去做控制策略的優(yōu)化。

飛機起降的時候噪聲是特別大的，讓耳膜很難受。有一款耳機戴上去之后就能生成相位相反的聲音，讓人很舒服，這就是主動消聲商品化了。但是因為耳機只是一個點，很容易生成相位相反；如果是一個場，比如說在車里面，要考慮的就不僅僅是國家標準，還要考慮一些主觀指標，例如語音清晰度、聲音陡峭度、聲音響度，跟心理聲學相關(guān)，要讓它主動去消聲，因為它是一個場，難度大一些，但是很多地方都在朝這個方向努力。

另外，我們現(xiàn)在在汽車里面，直流電通過逆變器變成交流電，交流電給很多的電機供電，這些都是非常大的噪聲源。如果要被動地改這些噪聲源的結(jié)構(gòu)，例如之前有一款車，我們被動地改車的結(jié)構(gòu)，效果很差，后來改的是逆變器的控制策略。因為逆變器的控制策略算法不完美，導致逆變器的三相交流電相位在抖動，會引起電機工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生噪聲。所以最后，我們調(diào)整了逆變器的算法。這是非常典型的一個案例，很多結(jié)構(gòu)在開模之后，到了后期沒有辦法修改，或者修改的成本非常高的時候，可以考慮修改控制策略、控制參數(shù)，考慮主動降聲的辦法，會得到很好的效果，這絕對是一個大趨勢。

同時5G技術(shù)會解決兩個瓶頸問題，大家在實驗室看到的采集過程是有傳感器的技術(shù)在內(nèi)的，把一些有物理意義的噪聲振動信號變成電信號，或者是變成數(shù)字信號。通過ADDA的轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號，這個技術(shù)發(fā)展也很快。5G出來之后會解決傳輸?shù)膯栴}，將來主動減振降噪、數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣仍礁?，后面的技術(shù)會越好，發(fā)展前景也會更好。

中國的振動噪聲正在努力與國際接軌

回到2004年、2005年的時候，國內(nèi)的振動噪聲是相當落后的。無論是從設(shè)備、軟件，還是人的經(jīng)驗，或是做事的流程，都是嚴重缺乏。我一直跟大家講做振動噪聲的研發(fā)或者是廣義的研發(fā)，一定要有“PPT”。第一個P是要有優(yōu)秀的人，人很重要。第二個P就是流程，把這個事有邏輯清晰的推下去，這個流程很重要。第三個T是工具，軟件、硬件、實驗室、臺架，都是廣義的工具。在15年之前，這真的是巨大的差距。但是經(jīng)過這么多年的發(fā)展之后，國內(nèi)的進步非?？?，像很多的大的汽車廠都有了上千通道的測試系統(tǒng)。所以說工具這部分，國內(nèi)進步是非常大的。

這么多年，西門子做了很多工程咨詢。我們跟客戶合作的模式可以有兩種，一是流程轉(zhuǎn)讓，幫客戶把問題解決了，然后把相關(guān)員工手把手帶出來，叫流程轉(zhuǎn)讓。二是可以為客戶進行流程審查，最后幫客戶繼續(xù)優(yōu)化流程。通過這些服務就解決了第二個P（流程）的問題。

而針對第一個P（人才），跟國外比有兩個差距，一個是振動噪聲的從業(yè)人數(shù)還是不夠，這是巨大的差距。在以前，企業(yè)內(nèi)負責振動噪聲部分的也就只有幾個人?，F(xiàn)在振動噪聲細化到輪胎的噪聲有一個團隊，懸架的噪聲有一個團隊，底盤的噪聲有一個團隊，變速箱的噪聲有一個團隊，把整車零部件細化到每一個部件都有對應的團隊解決噪聲問題，做的非常細，意味著需要更多的人。國家的法規(guī)越嚴格，意味著振動噪聲研究越細，每一個零部件都是振動噪聲考慮的范圍，都需要一個團隊要把它做的非常極致，人這一塊的缺乏還是很明顯的。

另外，我深切的體會到國內(nèi)做振動噪聲還缺少機制，這是我個人的想法。現(xiàn)在在OEM里面做振動噪聲的人，整個是圍繞工程、車型，實際上很多新技術(shù)、新方向、新手段和新工具往往不直接產(chǎn)生經(jīng)濟效應。例如新能源汽車，涉及很多新的東西，需要有一個專門做研發(fā)的團隊，這個團隊并不一定馬上對車型有幫助，但是長期來講對企業(yè)發(fā)展非常重要，這一塊國內(nèi)相對薄弱。很多基礎(chǔ)研究或是新技術(shù)、新方向的研究，都依賴于工程師的業(yè)余時間，或寄托于高校的教授。這一塊跟國外比還是有很大差距的。

我個人認為一個機構(gòu)里面至少要有一個做新技術(shù)、新方向研究的團隊。一方面仰望星空，一方面腳踏實地。

目前互聯(lián)網(wǎng)公司造車非常熱，互聯(lián)網(wǎng)汽車這個方向本身非常好，但是振動噪聲可能是互聯(lián)網(wǎng)公司解決不了的?；ヂ?lián)網(wǎng)領(lǐng)域有一個很重要的特色是講究輕資產(chǎn)，把很多東西外包給專業(yè)的工程咨詢公司。國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)要追求輕資產(chǎn)，也會用到工程咨詢團隊、公司去做，這個方向是對的。要把一個團隊建立起來，流程和工具達到非常高的效率，不是一朝一夕能解決的，所以外包的形式是一個好的方向，但是也不能完全過分依賴于外包。作為OEM至少要知道怎樣給外包公司定指標，至少要知道怎樣去考核交付的結(jié)果是對還是錯。V字形的兩端定指標，開發(fā)可以外包出去，驗收部分自己把握，要把住V字形的兩端。當然要把握好這兩端也沒有那么容易，也需要時間。

西門子行業(yè)資源整合之路

西門子從2007年一路走來，收購了很多仿真跟測試產(chǎn)品。這些收購不是簡單的收購，其中很重要的目的是要進行整合。我們希望把CAD設(shè)計和CAE仿真這堵墻打掉，這是一類整合。這類整合體現(xiàn)于西門子工業(yè)軟件，大家知道UGS本身有CAD的基因，NX CAD里面有非常強的同步建模技術(shù)，包括非常好的CAD引擎。

第二類整合，怎樣把CAE和CAT整合。CAE仿真和試驗的整合體現(xiàn)在兩個層面，第一個層面是怎么樣把試驗的結(jié)果間接地用到仿真的環(huán)境里面去，去校準三維仿真模型，一維仿真模型，校準CFD的模型，讓我們的模型更準確。利用校準以后的模型去做大量的虛擬工況、危險工況、極端工況、重復工況以及非常昂貴的工況，這是間接地利用測試信息。

第二類是直接利用測試信息。舉個例子，做發(fā)動機的人在做發(fā)動機實驗的時候，只有發(fā)動機，變速箱、離合器、車身系統(tǒng)用模型，可以做虛實結(jié)合的試驗，可以在發(fā)動機上布置很多傳感器做試驗。類似這種在一個虛擬整車環(huán)境里面做的發(fā)動機的實物試驗，比孤零零的做一個發(fā)動機的試驗更準確、更有意義。沒有的那部分，用模型、仿真，這是仿真和虛擬直接相結(jié)合的。

還有一個層面——仿真也可以指導測試。Simcenter里面專門有一個軟件叫PreTest，在真正做實物測試之前，可以在模型里面去優(yōu)化傳感器的布置方案，確保用最少的傳感器個數(shù)，測出盡可能多的模態(tài)。傳感器合理布置以后，感興趣的頻帶范圍里模態(tài)一個不漏的都測出來。很多年之前這些都是靠工程師的經(jīng)驗，現(xiàn)在完全可以通過仿真去指導、優(yōu)化。優(yōu)化以后生成一個文件格式，這個文件直接可以導到Simcenter Testlab測試系統(tǒng)里面去，之后那些傳感器、激振器的布置方案就進去了，而且傳感器和激振器的座標位置XYZ，也不需要手動輸入，自動到測試系統(tǒng)里面去，這是CAE到CAT的整合。

再回到CAE仿真這部分，我們也做了很多整合，其中一個整合是多學科的耦合?；貞浐芏嗄曛?，做強度的單獨做強度，做噪聲的單獨做噪聲，做燃油經(jīng)濟性的單獨做燃油經(jīng)濟性，隨著發(fā)展以后，整個系統(tǒng)之間都是交聯(lián)在一起的。我經(jīng)常跟大家講如果是一個機械系統(tǒng)或者是一個機電產(chǎn)品，可以大致認為是線性系統(tǒng)，這個線性系統(tǒng)可以拆開各做各的，沒有問題?，F(xiàn)在我們把車定義為移動智能終端，已經(jīng)是緊緊耦合在一起的非線性系統(tǒng)，拆不開的。這意味著我們做仿真的時候，要考慮到機電的耦合、流固的耦合、熱疲勞的耦合、聲疲勞的耦合、聲固的耦合，包括控制和作動、被控對象這些耦合。我剛才講到駕駛模擬器，這個里面實際包含控制的部分。作動后給到被控對象，被控對象有虛擬傳感器回到策略控制器里面，它們之間的聯(lián)合要求越來越高，仿真這部分也進行了整合。

我舉一個具體例子——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。過去需要使很大勁才能轉(zhuǎn)動，現(xiàn)在方向盤輕輕動一下，車就轉(zhuǎn)方向了。轉(zhuǎn)向柱給轉(zhuǎn)角一個指令，電機帶動液壓系統(tǒng)，再帶動齒輪齒條，再帶動懸架輪胎的變化，這里面有作動有控制，還有被控對象。像這些耦合，是西門子工業(yè)軟件在Simcenter里面體現(xiàn)很多的。Simcenter 1D里面我們講機電、液、熱、控是一個多學科的系統(tǒng)集仿真平臺。Simcenter 3D是一個多物理場的仿真平臺，涵蓋強度、剛度、振動、噪聲、熱、流、疲勞耐久、復合材料等三維多領(lǐng)域、多學科的。我們的Simcenter Testlab也是類似的，里面有振動測試、噪聲測試、疲勞測試、環(huán)境測試、振動環(huán)境測試、噪聲環(huán)境測試、熱環(huán)境測試等等，整個Simcenter品牌，Simcenter 1D、Simcenter 3D、Simcenter Testlab都是在做多學科、多領(lǐng)域的耦合。以前車很慢，在車速80公里以下的時候，不太關(guān)注流體的噪聲，現(xiàn)在高速公路跑的時候，開個窗縫，聲音就很吵。這是非常典型的，由于流體的壓力脈動，引起車內(nèi)很大的噪聲。傳統(tǒng)汽車的輪胎和電動汽車的輪胎寬度是不一樣的，會引起胎噪的噪聲水平差別很大。因為傳統(tǒng)汽車里面胎噪的噪聲，一方面被發(fā)動機掩蓋，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的胎噪帶寬也有助于噪聲減弱?，F(xiàn)在純電動汽車沒有發(fā)動機的掩蓋，輪胎寬度變化非常明顯，所以胎噪在輪胎里面也是很重要的。很多事情都需要我們從更深層次，通過耦合的方案解決。

用數(shù)字化定義一個時代，用軟件定義汽車的未來

隨著汽車的智能化發(fā)展，車企的研發(fā)正在由關(guān)注車本身向環(huán)境感知方向發(fā)展，如現(xiàn)在的“無人駕駛汽車”，要考慮到車和車以及車和周邊環(huán)境的感知，所以就需要有非常好的感知軟件來提供支持。西門子在這方面可以提供強大的仿真與實驗解決方案。

西門子創(chuàng)新中心有非常好的駕駛模擬器，可以將控制、模型、實物和環(huán)境結(jié)合在一起，是非常典型的虛實結(jié)合、人機互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動，例如車的發(fā)動機、變速箱、ABS、ESP、EPS，以上這些都是用一維的建模，而輪胎、懸架、底盤是用三維。PreScan作為視景，人、油門、方向盤、踏板是實物。我們將一個指令給到模型，模型可以算出車的運動姿態(tài)，運動姿態(tài)可以通過動畫的形式在視景里面顯示。同時，車的轉(zhuǎn)向、制動等姿態(tài)可以通過臺架實現(xiàn)。

最后，我想說的是西門子國內(nèi)有非常強大的技術(shù)團隊，團隊內(nèi)所有的工程師都來自于取得“985”、“211”大學的碩士以上學位的人才，還有很多海歸，大概有20幾位博士。相信西門子的產(chǎn)品、團隊以及專業(yè)的服務可以更好地提升國內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展。 


Simcenter汽車測試技術(shù)周專題研討會


北京理工大學振動與噪聲控制實驗室

Siemens PLM Software
Siemens PLM Software是全球領(lǐng)先的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）和制造運營管理（MOM）軟件、系統(tǒng)與服務提供商，擁有超過1,500萬套已發(fā)售軟件，全球客戶數(shù)量達140,000多家。公司總部位于美國德克薩斯州普萊諾市。Siemens PLM Software與企業(yè)客戶充分合作，為其提供領(lǐng)先的行業(yè)軟件解決方案，幫助其通過革命性創(chuàng)新獲得可持續(xù)性競爭優(yōu)勢。

北京理工大學振動與噪聲控制實驗室
北京理工大學振動與噪聲控制實驗室始建于1985年，2010年更名為振動與噪聲控制研究所，現(xiàn)有專職工作人員8人，包括：教授1人，副教授6人。振動與噪聲控制研究所現(xiàn)有面積551平方米，包括萬元以上設(shè)備20臺。研究所于50年代開始在車輛行走機構(gòu)和機械設(shè)備設(shè)計及車輛減振降噪方面進行研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)擴展到特種車輛設(shè)計，履帶式車輛行動部分設(shè)計，輪式車輛懸掛系統(tǒng)設(shè)計，機械設(shè)備減振降噪等領(lǐng)域，涉及機械設(shè)備的振動和噪聲控制，人機與環(huán)境工程，動力吸振和隔振理論與應用，振動、沖擊、噪聲的測試技術(shù)，振動、噪聲的信號處理，結(jié)構(gòu)振動和系統(tǒng)動力學分析，減振降噪材料及裝置，機械動態(tài)測試，機械設(shè)備故障診斷，航天運載工具動態(tài)分析等各個方面，在運載工具尤其是在裝甲車輛和航天飛船運載車等特種車輛的設(shè)計、強度分析、有限元計算、振動、噪聲實驗與動態(tài)分析研究方面做了大量的工作。