戲法、鐵銹與軟件

　　世界層出不窮的花樣翻新，正是軟件最擅長的戲法。

　　新年伊始，工業最大的嵌入式操作系統風河公司，這兩天居然被安波福 Aptiv收購了。而安波福的祖宗，則是通用汽車。演變至今，是一個令人眼花繚亂的戲法。

　　1999年，通用汽車的零部件從母體分拆出來。這是一個沉重的包袱，它的新名稱就是德爾福汽車零部件廠。它的分拆，被認為是美國汽車界的一個花招，是華爾街資本家和通用高管的一次陽謀，他們聯手來對付難纏的美國汽車聯合工會UAW。通用將無數壞資產，塞給了德爾福。而這步棋的陰陽術，要等六年之后，才能看清楚。2004年德爾福銷售額將近300億美元。這是它的巔峰時刻。而轉過年，作為全球最大的汽車零部件廠商，德爾福首次被德國博世超越。最重要的是 ，它破產了。盡管通用汽車也承擔了將近20億美元的債務，但最大的輸家是德爾福的美國工人，和美國基地。作為德爾福生產基地，俄亥俄州的揚斯敦這個城市的就業，被橫掃一片。強勢的工會的金鐘罩被擊碎，工業階層被出賣了。德爾福，就是一艘與巨艦分離的大船，然后被分解、被下沉，最終拋棄了它上面的工人。揚斯頓早就失去了昔日榮光的鋼鐵產業，然后又丟失了汽車零部件，最后化為鐵銹地帶。銹與鐵的貌合神離，就是美國社會撕裂性的一部分，也是美國制造業解體的信號。

　　然而破產，只是美國公司重生的一種形式而已。

　　德爾福很快重組——丟掉了那些沉重的工人和包袱，重新回到歡快的跑道上。而在2017年內它將動力總成業務，分拆出去成為現在的Aptiv安波福，提供主動安全及用戶體驗，以及信號與動力分配。德爾福依舊存在，但安波福則更像是被上帝吻過的翅膀，越飛越高。作為新型的零部件供應商，軟件是它的強項。現在則收購了風河，意味著零部件廠商，對于汽車的未來有著全新的開發。

　　風河旗下的實時操作系統VxWorks，被國內工業領域廣泛依賴，很難離開。還有一個則是來自加拿大的QNX(這個名字是最早Quick Unix，一聽就知道當年它的出身與Unix操作系統有關)，在汽車領域的嵌入式操作系統的統治度很高，以前也是德爾福的供應商。而這次德爾福(現在的安波福)，則自己一口親自吃掉了風河，算是與老朋友QNX決裂了。

　　汽車的邏輯，正在發生巨大的變化。軟件，就是顛覆劑。

　　汽車，也不再以鋼鐵的肌肉而自豪，軟件才是新寵。最近，武漢光庭信息登陸深圳創業板，再次為工業軟件點燃資本烈火。這家從事汽車電子軟件的企業，深耕日本汽車零部件企業，在電控軟件方面有著多年的積累。而市場也給予了積極的呼應，銷售額3億，而市值則達到了近百億。

　　這就是汽車，一個百年歷久彌新的產業，從來不曾寂寞過。汽車行業是人類規模最大、工業化程度最高的制造業代表，工業軟件自然也在這里枝繁葉茂，深扎根系。最早在計算機輔助設計CAD與制造萌芽的時候，航空和汽車行業是兩張最舒適的溫床。

　　汽車產品研發過程中的軟件和仿真，起初與其他機械產品并無不同。20世紀90年代起，模擬仿真和數字虛擬化技術，已經成為汽車研發過程的主流手段。事實上，汽車產品的復雜設計，大幅促進了三維CAD軟件和仿真軟件的發展。

　　汽車作為一個與人身安全密切相關而且高速移動的商品，注定了它要比任何機械更強調安全性、可靠性等。為了獲得足夠的安全驗證，一輛車必須積累足夠的行駛里程。這個安全驗證的過程，在汽車誕生后的100多年中，是靠一輛一輛車、一千米一千米路在全球各地用輪胎真實地跑出來的，整個過程消耗了大量的橡膠。

　　汽車越來越人性化和智能化，也給汽車研發帶來了更大的挑戰。智能網聯，是汽車設計面臨的最新挑戰之一。用輪胎去測量安全的時代，已經永遠過去。在汽車越來越向電氣化、電子化發展的過程中，芯片行業所獨有的摩爾定律，也加快了汽車自身演變的速度。面對十億級甚至上百億千米測試的要求，模擬仿真成為所有造車企業的唯一選擇。

　　這種現象背后，是大量的軟件和硬件構成了一個龐大的數字空間帝國。無論是車輛動力學仿真、傳感器仿真、圖形處理，還是交通流、道路建模等技術，都是為了解決兩大問題：一個是車輛控制，一個是環境感知。基于模型的系統工程，在這里展開了完整的系統工程V字形之旅。

　　圖1 簡化的V形

　　在汽車的設計研發領域，通用的CAD軟件、CAE軟件已經廣泛得到應用。但更有許多隱藏的工業軟件獨狼不為外界所知曉。了解這些獨狼的出沒，需要下潛到工業的深海之處。

　　速度與激情之源

　　先來看最重要的動力裝置。作為汽車動力總成系統開發和測試設備及仿真軟件供應商，奧地利的李斯特公司(AVL)擠身世界四大權威內燃機研發機構之中。所有的發動機制造商應該都在AVL的客戶名單里。

　　中國無疑是跟AVL淵源最深的國家之一。它的創始人曾經在同濟大學任教，回國之后在1948年建立了AVL公司。這種與中國良好的淵源，也使得它隨著中國成為汽車制造大國而受益匪淺。在國內的許多汽車制造商的研發中心，都可以看到AVL的各種設備。它的排放檢測設備，一套動輒價值幾千萬元。AVL旗下有很多軟件，如AVL FIRE作為專業的發動機流動力學軟件，能對發動機內部的流動、噴霧、燃燒和排放物的形成進行詳細的模擬分析。它還配備尾氣后處理模塊，能用于各類催化轉化器的研究。這些軟件，都得到了大量用戶經驗的哺育，因此也使得它們越來越好用，用戶對它們的依賴度極高。

　　面對愈加普及的電氣化和日益嚴苛的環保法規的嚴重挑戰，新能源汽車正在快速發展。那么，這些內燃機軟件公司，是不是就坐以待斃了?答案正好相反。這些源自一線工程領域的軟件公司，恰好在這里體現出它們獨到的敏感性。用戶在轉向，這些公司也隨之轉向。AVL的電驅軟件eSuite，可以實現從電池、燃料電池、逆變器、電機、齒輪箱等部件級仿真到電驅系統、供電系統等子系統級仿真，再到整車系統級仿真的全覆蓋。實際上，這些軟件的功能，不再僅限于ICE(完全靈活的內燃機)，而是覆蓋在整個動力系統(完全靈活的動力系統)。通過軟件應用可以平衡電氣化和內燃機的互補特性，并且在減少污染物和二氧化碳排放方面產生協同效應。可以說，在電氣化和電子控制的時代，軟件的應用更加得心應手。AVL公司當前的發展方向，已經轉向自動駕駛系統等新領域。就是這樣一家軟件公司，2019年全球營業額將近20億歐元，大概可以排在中國機械制造500強公司的前400強以內。

　　面向汽車行業這么大的市場，很難有任何一家企業能壟斷。除了奧地利的AVL之外，世界上還有三大發動機設計咨詢公司，分別是德國的FEV、英國的Ricardo、美國西南研究院，這四家設計咨詢公司都有著軟硬一體的工程優勢。由于這些機構往往有著非常深厚的工程咨詢背景，因此他們也成為汽車制造商的顧問，而非簡單的軟件提供商。

　　流體的旋渦

　　各種氣體、液體等澎湃流體的背后，都暗藏著物理和數學的天書。美國CSI公司開發的發動機流體仿真軟件CONVERGE，也被諸多主機廠使用。網格劃分是把模型分成很多小的單元，相比于經典的STAR-CD和AVL Fire等軟件復雜的網格劃分，CONVERGE在網格劃分上獨具亮點，如自適應加密網格、化學反應動力學燃燒模型等。這樣的優秀軟件，得到大學和燃燒實驗室的厚愛也就不足為奇。CSI公司在創立的初期是一個計算流體動力學咨詢公司，后來將工程經驗知識固化成軟件，2008年順勢進入流體分析軟件領域，并一舉獲得成功。

　　車輛動力學分析是汽車開發的重要工作之一，需要面對的是多鉸鏈、多彈性的多體連動系統。汽車行業常用的MSC公司的ADAMS/Car軟件的鍛造，源自市場的需求。它最早是多體軟件分析公司MDI與奧迪、寶馬、沃爾沃等公司合作而開發的整車設計軟件包，后來在2002年被MSC公司收購。ADAMS/Driver則是在德國的IPG-Driver軟件基礎上進行二次開發的成熟產品，這對于帶有負反饋系統的零部件，如制動防抱死系統(ABS)、四輪轉向系統(4WS)等的研發來說價值重大。盡管機械系統動力學自動分析軟件ADMAS的求解器并不算是最先進的，但它按照汽車工業的標準，增加了支持一些特定運動測試的子程序。這給汽車用戶帶來很大的方便，因為用戶無需再自己編寫程序。由于ADMAS軟件的用戶多，可以適配多種硬件。它在汽車行業得到青睞，軟件功能不斷完善。就求解器的性能而言，其他軟件除非優勢巨大，否則只靠些許的改變根本無法得到市場翻盤的機會。更重要的是，ADMAS軟件在界面上提供了非常友好的模板，可以簡單地實現汽車建模。具有諷刺意味的是，ADMAS軟件曾經在很長一段時間中，界面并不友好。許多汽車公司不得不去設計自己的界面，解決虛擬樣機的問颙，例如福特的ADMAS/Pre，鈴木的Admas/Isuzu等。汽車制造公司在既有的通用軟件基礎上重新開發，建立自己的虛擬樣機系統，這也是行業慣例。市場上的幾十個主流汽車制造商，都會進行自身的二次軟件開發，只是開發程度的深淺有所不同。

　　然而，企業維持自研軟件并不是一件容易的事情，于是需要與軟件公司緊密合作。為福特汽車公司開發專用軟件ADAMAS/Pre的公司，后來被MDI公司收購。ADMAS再次跟福特緊密綁定。這款軟件為福特所專門使用。ADMAS則通過這種方式，大幅提升了它的界面能力。可以說，ADAMAS/Car軟件就是一個界面的勝利，通過用戶界面模塊ADAMAS/View和求解器的聯合，使得用戶因長時間使用而形成一種鎖定依賴。

　　這就是工業軟件成為賺錢機器的奧秘，它把一切流程設計、建模都預制完畢，最后成為行業的標準。因此，從軟件商追趕者的發展策略來看，面對龐大的工業軟件巨頭，單點突破往往是一種更加有效的戰術。培養用戶的使用習慣是一個漫長的過程，絕非是短時間內能用投資彌補的差距。

　　表1 常見仿真分析CAE軟件

　　縫隙里的軟件

　　汽車是一個移動的小城堡，它的完美需要依靠軟件的貢獻。各種裝置的設計背后都有軟件的支撐，比如，為了讓乘客感到舒適，相關汽車空調的各種工程優化必不可少，如壓力損失、噪聲最小化、化工反應器混合效率最大化等。美國Optimal Solutions軟件公司提供的Sculptor軟件，提供基于任意形狀變形的實時變形技術，幫助設計師解決空調管道的外形優化問題，可以大幅節省工程師在需要改變物體外形時重新構建CAD幾何體和重新劃分網格所需要的時間。德國P+Z工程公司開發的THESEUS-FE，則是一款面向航天航空、汽車座艙的空調系統軟件，專門用于熱舒適性分析。一個戰斗機座艙，有著復雜的工程考量，需要從人體工程學考慮駕駛員的舒適性。P+Z公司的母公司，則是一個比較奇特的歐洲集團，既有工程軟件業務，也有工裝系統業務。它在2018年被日本三菱化學所收購。

　　再來看看動力電池。僅僅是電池電化學模擬至少就有10種以上的軟件。如美國Gamma公司的性能解析軟件GT-AutoLion，基于開源的MATLAB應用程序Taufactor、電池性能和成本模型BatPaC軟件等。

　　某種軟件驗證過的結果會是一種信譽的保障。例如MSC公司的Nastran軟件作為美國聯邦航空管理局FAA認證的產品，成為領取飛行器適航證的唯一驗證軟件。在學術領域，有些期刊或者課題要求，只有研究結果得到MATLAB程序驗證，才能得到發表或驗收。使用軟件本身，構成了二種資格。這是工業軟件形成的壁壘，也是新軟件在發展中難以跨越之處。

　　其實，工業軟件是一個全球供應商相互嵌入合作的結果。追求全面自主似乎是一個不可想象的事情。以汽車行業為例，軟件方面需要建模仿真與代碼生成軟件系統，包括美國的系統建模軟件MATLAB、美國NI的LabVIEW、法國達索系統的機電液多學科建模工具Dymola、德國工程公司ITI的SimulationX、AVL的動力總成仿真分析軟件Cruse等;硬件方面則需要實時計算設備，如德國dSPACE、美國的NI、加拿大的RT-LAB等。這些國外相關軟件與硬件廠商已形成類似Wintel的聯盟，幾乎掌控了復雜系統產品的高端開發技術體系和方法。以汽車電控領域為例，AVL公司的發動機設計分析軟件，再加上德國實時計算設備dSpace，一軟一硬，幾乎主導了當今中國汽車電控正向設計研發技術體系。

　　自動駕駛風云

　　在21世紀進入第三個十年之際，汽車自動駕駛正在走向實用階段。自動駕駛仿真也成為汽車制造商的逐鹿之地。為了獲得足夠的安全驗證，往往需要十億級甚至上百億千米的模擬測試。由于真實道路測試效率較慢，目前很多車企對于自動駕駛都傾向于選擇仿真測試。據稱，自動駕駛測試的90%將通過仿真完成，9%通過測試場完成，只有1%在實際道路上進行。既然智能網聯是未來汽車的重點，這里自然駐扎了仿真界的重兵，包括仿真平臺(如VI-Grade軟件)、場景仿真(如ESI公司的Pro-SiViC軟件)、動力學仿真(如SimPack軟件)、車聯網仿真軟件(如德國戴姆勒汽車信息技術創新研究所開發的VSimRTI軟件)、硬件在環(如NI公司的軟件和硬件)等，有三四十種軟件產品聚集在這個尚未建設完全的新處女地，日以繼夜地進行密集計算轟炸。成立于2005年的德國VI-grade公司，憑借著德國汽車產業界的優勢，在系統級仿真領域提供高級應用軟、硬件產品和服務。該公司提供的汽車駕駛模擬系統，可以大幅度減少對物理樣車的需要。

　　自動駕駛的仿真，可分為兩大類。

　　第一類是關于自動駕駛的環境交互問題，基本可以依靠仿真解決約90%。開發一個自動駕駛的系統，要經歷軟件仿真、硬件在環仿真、車輛在環仿真、室內實驗室測試，再到室外受控場地進行測試。當這些驗證合格之后，它終于可以到完全真實的公共道路上進行大規模的路測。谷歌很早就為自己的無人駕駛車輛Waymo建了模擬場景軟件Carcraft，并建立了真實的測試廠Castle。實際馬路、真實測試廠的路線被重新組合后，形成了復雜多樣的虛擬城市。谷歌Waymo車隊，天天在虛擬城市里穿梭不停，從而快速掌握了自動駕駛的本領。場景庫是高級駕駛輔助系統軟件中很重要的一個概念，也是中國廠商比較拿手的地方。它需要提供基于地圖的場景和法規之間的邏輯，積累起來較快，例如騰訊TAD Sim場景庫、百度Apollo場景庫等。

　　而為了應對高級駕駛輔助系統對交互環境的需要，仿真軟件會加強構建各種場景的能力，將實際路線重新組合成多種不同的路線。許多自動駕駛仿真方案會采用跟谷歌Waymo車隊虛擬城市Carcraft一樣的思路：一個1000千米的路測場地，可以變換成數十萬甚至上百萬千米的道路。與此同時，這些企業也在進化，通過并購人工智能軟件加強對數據的處理。

　　把自動駕駛仿真看成是一個游戲場景的延續，也并無不恰當之處。從本質來講，自動駕駛軟件其實是一套非常復雜的嵌入式系統。

　　第二類仿真，針對的則是整車的動力性能、安全性等。把一輛汽車的模型參數化，涉及車體、輪胎、制動等諸多因素，需要處理大量的機械動力學、電磁場、聲光電等物理問題，其中許多仍然是傳統的仿真問題。這與互聯網企業面向以場景為主的高級駕駛輔助系統測試有所不同。早期的仿真軟件主要關注車輛的動力、穩定性、制動等方面。例如創立于1996年的車輛動力學仿真軟件CarSim，脫胎于美國密歇根大學交通運輸研究所，其主要創始人是國際知名的車輛動力學專家。同門的TruckSim軟件則主要用于仿真中型到重型卡車以及客車的動力學特性。

　　一輛汽車的安全性、舒適度、操控性能、燃油效率、電池散熱以及排放等，分別是由各自的子系統完成的。因此，需要用一種系統的角度，提前解決各種子系統相互交互帶來的干擾。這意味著，很多子系統必須在整車環境下進行開發。但此時，物理樣機根本沒有介入，因此這個問題需要在數字世界進行解決。這是基于模型的系統工程最拿手的地方。如德國IPG公司的CarMaker作為乘用車的動力學仿真軟件，提供了車輛動力模型，囊括了從發動機、底盤，到懸架、傳動和轉向等。它既可以完成開發流程前期所需要的V形山谷左坡的離線仿真，也可以在右坡接入ECU、子系統總成等做硬件在環測試。作為一個附加產品，它也能為其他高級駕駛輔助系統仿真軟件提供豐富的模板庫。

　　PreScan是由荷蘭國家應用技術研究院開發的一款測試仿真軟件，重點是解決主動安全避撞系統，也可用于高級駕駛輔助系統的仿真。該軟件在2017年8月被西門子公司收購。除了添加場景之外，它還可以對傳感器的特性進行模擬，重點解決控制器、各種硬件與動力學模型問題。

　　電控系統方面做的比較好的是德國的dSPACE公司。發動機、變速箱、傳動機構的控制器開發和測試，都可用dSPACE的軟硬實時機完成。汽車主機廠需要將各種不同的零部件集中在一起進行綜合測試。dSPACE公司在MATLAB基礎上開發的面向汽車的硬件模擬方案，可以無縫連接軟硬件，快速搭建原型，一體化實現模型在環、硬件在環和系統仿真這三個完整的工作。dSPACE公司提供的仿真和驗證解決方案在汽車行業中已經被廣泛使用，在航空航天、電力電子、風機等領域，也都有著巨大的影響。在2008年，該軟件被禁用于中國軍工行業，但對汽車行業仍然是放開的。在新車型上路前的很長時間，汽車制造商及其供應商，需要使用dSPACE端到端解決方案來測試新車的軟件和硬件組件。

　　自動駕駛仿真軟件具有非常細膩的層次，具有高度的學科交叉性。車輛動力學、電控等是最基礎的研制仿真，屬于傳統仿真技術公司比較擅長的領域，也是制造知識最密集的地方。它所需要的環境交互，如處理地圖軟件、搭建路網模型、與各種攝像頭、激光雷達等傳感器交換數據等，則為致力于發展自動駕駛技術的公司所青睞。

　　傳統仿真公司正在抖擻精神，大力購買與智能網聯相關的仿真軟件，以便基于傳統優勢繼續擴大市場。盡管與熱火朝天的高級駕駛輔助系統仿真的互聯網新貴都擠在一個賽道里。這其實只是一種錯覺。它們的不同點，要多于相同點。會有一些重合，但二者賽道大部分并不相同。

　　小記：最后一波國際化品牌

　　電動汽車最近兩年的發展，呈現了令人意外的陡峭曲線。這個陡然膨脹的懸崖，很多基石是由中國汽車制造商堆積的。這是由國際化品牌所高度主宰的汽車產業，多年都未曾出現過的現象。中國新能源汽車2021年銷售超過350萬輛，2022年完全有望提前完成2025的500萬輛的目標。這背后，中國品牌非常耀眼。

　　雷諾汽車的總裁Schweitzer在2009年前后出版的《我的雷諾歲月》曾經感慨，自從八十年代后韓國汽車作為國際化最后一波崛起的品牌，此后再無聲響。盡管對中國有深入接觸，但他顯然忽略了中國汽車品牌的努力，法國雷諾集團也似乎對中國從未有過真心的承諾。無論是東風雷諾、江淮雷諾新能源汽車，以及最近分手甚至停發工資的華晨雷諾，都是連貫的。但是，如果要真正回應Schweitzer的國際化賽道是否還有新貴品牌的關切，事關中國汽車品牌是否可以真的可以走向國際化。這一點，我們還需要更好地施展身腳。

　　未來的一輛車里，會有1000個芯片。這意味著街頭上行駛的汽車，就是一座座最忙碌的移動機房。而實時嵌入式操作系統，將在這里光芒四射。這是未來的決定性力量之一。如果中國電動汽車，要想在品牌勝出，這些軟件，不可不攻關。芯片、電池、嵌入式系統、交互式座艙、自動駕駛，如果汽車主機廠將這些最值錢的零部件，一一從外購買，那汽車真的就像菲亞特總裁所感慨的一個超市般的模式：買進賣出，以極低的利潤率和高流水量，掙一份辛苦錢。

　　汽車被改寫的版本有很多種，軟件是最不容易察覺的。汽車一路狂奔，重要的不是它的重量，軟肋往往來自它的軟件。

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　　作者簡介

　　林雪萍：北京聯訊動力咨詢公司總經理，上海交大中國質量研究院客座研究員

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　　邊地良家子

　　贊3“很多基石是由中國汽車制造商堆積的……多年都未曾出現過的現象”——這就能看出來當年力排眾議、堅持將特斯拉引入中國是何等的英明之舉了!事實上，當年之所以一定要全力引進特斯拉在中國建廠造電動車，其實就是因為之前外資燃油汽車零部件體系太強大了，根本無法撼動;所以才要通過特斯拉在中國建立起完整的電動汽車零部件體系，希望能夠借助特斯拉重演中國圍繞引入蘋果iphone建立強大電子零部件體系稱霸全球的這一勝利(之前手機零部件體系是被諾基亞等歐美日廠商主導，中國根本插不進去)。如果之前中國沒有圍繞引入蘋果iphone所建立起來的強大電子零部件體系，華為小米等手機是不可能如此強大的!而現在憑借這一體系，華為小米等手機都可以反過來挑戰蘋果手機了!欲要取之，必先予之!如果能夠按照計劃圍繞上海特斯拉也建立起完善國產電動汽車零部件體系，那對中國汽車工業的重大意義無論如何評估都是毫不過分的——這恐怕才是真真正正的彎道超車啊!令人欣慰的是，到了今天，當年的英明之舉已見到了回報：全世界最大、最完整的新能源汽車產業鏈已經出現在了中國——那就是在上海、安徽、廣東、成都、重慶等地已經成型、并將越來越強的規模化電動車產業集群!目前，除了特斯拉之外，中國的新能源產業集群正在圍繞著比亞迪、理想、小鵬、蔚來等本土企業運作，卻和外資車企基本沒什么關系。相比之下目前國外車企在全球的純電車布局非常弱勢，遠遠形成不了可與中國相提并論的產業協同效應

　　王永謙云質QMS

　　贊1我也是這樣認為，未來是汽車關鍵零部件廠商(芯片，電池，軟件，電機等)的天下，主機廠的未來不過是像富士康，戴爾一樣的組裝廠而已，話語權和控制權會逐漸減弱。

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