用数字化定义一个时代--西门子工业软件仿真与测试解决方案大中华区技术总监石银明博士

用数字化定义一个时代，西门子工业软件迎接各种挑战！

当数字化变革的潮流席卷全球之时，汽车行业的数字化创新显得最为迫切，因为汽车产品在电气化、智能化、轻量化等多种技术变革的颠覆之中亟待浴火重生。2019年3月22日，汽车测试网参加了2019 Simcenter测试技术周，同时在北京理工大学振动与噪声控制实验室，采访了西门子工业软件仿真与测试解决方案大中华区技术总监石银明博士。

石银明博士曾参与众多工程项目，如ARJ21的起落架摆振，C919舱内噪声的目标分解，J6解放汽车的虚拟台架项目，东风日产启辰T70项目等。此外，石银明博士还是中国振动工程学会模态分会理事，中国汽车工程学会会员。曾是国外著名刊物 Journal of Sound and Vibration, Experimental Mechanics特约审稿人。


西门子工业软件仿真与测试解决方案大中华区技术总监 石银明博士

以下内容整理自媒体群访内容：

西门子紧跟国家噪声标准，提升噪声舒适性

随着经济的发展，人们对于车辆的要求越来越高，大家也越来越关注车辆的安全性、噪声舒适性等，一般对于车外的噪声-通过噪声，国家有非常严格的标准，中国、美国和欧盟的噪声标准要求也都在不断提高，西门子也一直紧跟这个标准。对于车内噪声，虽然国家现在没有标准，但大家对噪声舒适性有更高的要求，同时有市场竞争，所以标准一直在提高。 

另外，以前我们只关心噪声的舒适性，现在人的要求更高了，要求噪声带有品牌效应，例如某些摩托车的声音，即使在很远的地方，声音传来就知道是什么品牌。所以现在对噪声的要求越来越高，从噪声的舒适性，到噪声变成一个品牌，这需要仿真与测试去设计噪声，声音是可以设计出来的。特别是纯电动汽车，去掉了发动机，就等于去掉了最大的声源，整个汽车很安静，这对行人来说很危险。所以，还要制造出来一些噪声来，既能提示行人注意安全，又要满足国家标准。噪声是无处不在的，或者说声学是无处不在的，可以利用声学做很多事情。

数字化双胞胎虚实结合，动态发展

数字化双胞胎的概念目前也比较火热，在20年前，我们叫计算，后来叫仿真，再后来叫虚拟样机，现在叫数字化双胞胎。从历史演变过程中，可以看到计算的内涵是最小的，仿真的内涵要高一些，但是内涵不够宽。虚拟样机这个概念提出来后，“仿真”的概念进一步扩大。但是虚拟样机这个概念有两个问题，一个是虚拟样机太强调“虚”，“实”没有体现出来。第二个缺陷，虚拟样机是一个静态的概念。实际上数字化双胞胎这个概念刚好弥补了前面的缺陷，数字化双胞胎至少包含三层含义，所谓的数字化双胞胎一定要有一虚一实，要虚实结合。

数字化双胞胎这个概念包含了一层含义：所有产品的设计一定是三个维度的。 
第一个维度是产品本身，例如整车、动力总成、变速箱或某些齿轮。
第二个维度是产品属性，例如振动噪声的属性、燃油经济性属性、疲劳耐久的属性及安全性的属性。
第三个维度是时间轴，是产品研发阶段的维度，从需求模型开始，到概念模型，到设计，到虚拟试验，到实物试验，在不同的研发阶段目的不一样，输入不一样，输出也不一样，模型的颗粒度、精细程度也不一样。

所以数字化双胞胎有一系列不同的产品对象，例如是整车还是子系统，或是零部件；有不同的属性，例如是振动噪声的属性、疲劳耐久的属性；有不同研发阶段，例如是在概念设计，还是后面的详细设计，或是批产之后。整个不同的对象、不同的属性，在不同的研发阶段一系列的模型组成数字化双胞胎，一定是一系列的。一系列的虚拟样机组合在一起，我们叫数字化双胞胎。数字化双胞胎不是一成不变的，一定是动态的，这是虚拟样机概念包含不了的。

第三个概念是，由于数字化双胞胎里面有一系列在虚实之间不断交换的虚拟样机，所以这些不同阶段、不同颗粒度的模型之间一定是关联的。早期的技术状态变更会影响到后面的模型性能，所以就要求数字化双胞胎是能被管理起来的，这是很重要的。以前在虚拟化样机里面往往体现不了这一点，这是数字化双胞胎的三层含义。

当然数字化双胞胎在将来的用途非常大，我在几周之前听到一位国内非常有名的做工程机械的高层谈到：“我们将来给别人交付产品，除了交付一个实物以外，还要交付虚拟的一个数字化双胞胎。”这样做的一个好处是可以体现研发能力，把竞争对手排在外面。另一个好处是，例如我们交付的产品是汽车，在使用过程中，如果客户还有一个数字化双胞胎，就可以基于虚拟的数字化双胞胎去进行基于模型的维护、故障评估以及故障监控，这些都是数字化双胞胎将来的作用。

主动声控制和智能化NVH成为行业发展趋势

一般要解决振动的问题，很多人会被动的改结构的刚度、重量，上面铺阻力材料增加一些隔声，去减振降噪，这是被动的减振噪声办法。

汽车将逐渐成为一个移动智能终端，为什么？因为车里面有很多的传感器，有很多的电控单元。我们在5年、10年之前，车里面可能也有几十个电控单元，那个时候是围绕机电产品，里面放一些嵌入式的硬件、软件。“嵌入”这个词说明它是附属的，主要的还是机电产品。如今，在设计汽车的时候，更少关注结构，重点会集中在软件、信息处理、传感和环境感知。所以汽车从机电产品变成一个移动智能终端，这个趋势是非常明显的。我们以前为什么被动的做振动降噪？第一，是因为当时的环境感知，就是传感器这部分比较弱。第二，实时的处理能力比较弱，比如说我敲一下桌子，大家听到噪声，我要很快把声音消下去，意味着传感器或者是麦克风听到这个声音以后，马上把信号给处理器，处理器很快给出控制指令，在这个结构上加一个反向载荷，相位相反的抵消，实际上是主动消声、主动减振的效果。以前要求一定要做到实时概念，信号输入马上有输出，不要有延迟。以前的处理能力很差，如果我们要算一个一秒钟的事件，仿真的时候可能需要一个小时。那个时候没有办法进行实时控制。现在我们有很强大的中央处理器单元，它可以把环境感知、信息融合技术很快地生成控制指令，得到非常合适的控制策略，传给作动器进行消声。当然作动器有很多种，其中一种是压电陶瓷，给它一个电信号，会引起它的结构变化，会产生一个力，这个力可以跟外部的力进行相位相反抵消，达到减振降噪的目的，这个需要非常强的中央处理器单元。

还有一些主动消声的方式，比如说我在这里说话，整个室内有声场，如果此时有很好的传感器可以检测到声场，它会生成一些高级控制算法，给另外一些扬声器发出指令，让扬声器发出来的声音和我说话的声音相位相反，互相抵消，实现主动消声。很多人都在朝这个方向努力，但是真正用起来也就是最近十年左右。这是未来发展非常大的趋势，目前来说一个是环境感知的能力，一个是芯片计算能力，可以实时去做控制策略的优化。

飞机起降的时候噪声是特别大的，让耳膜很难受。有一款耳机戴上去之后就能生成相位相反的声音，让人很舒服，这就是主动消声商品化了。但是因为耳机只是一个点，很容易生成相位相反；如果是一个场，比如说在车里面，要考虑的就不仅仅是国家标准，还要考虑一些主观指标，例如语音清晰度、声音陡峭度、声音响度，跟心理声学相关，要让它主动去消声，因为它是一个场，难度大一些，但是很多地方都在朝这个方向努力。

另外，我们现在在汽车里面，直流电通过逆变器变成交流电，交流电给很多的电机供电，这些都是非常大的噪声源。如果要被动地改这些噪声源的结构，例如之前有一款车，我们被动地改车的结构，效果很差，后来改的是逆变器的控制策略。因为逆变器的控制策略算法不完美，导致逆变器的三相交流电相位在抖动，会引起电机工作不稳定，产生噪声。所以最后，我们调整了逆变器的算法。这是非常典型的一个案例，很多结构在开模之后，到了后期没有办法修改，或者修改的成本非常高的时候，可以考虑修改控制策略、控制参数，考虑主动降声的办法，会得到很好的效果，这绝对是一个大趋势。

同时5G技术会解决两个瓶颈问题，大家在实验室看到的采集过程是有传感器的技术在内的，把一些有物理意义的噪声振动信号变成电信号，或者是变成数字信号。通过ADDA的转换，变成数字信号，这个技术发展也很快。5G出来之后会解决传输的问题，将来主动减振降噪、数据传输的速度越高，后面的技术会越好，发展前景也会更好。

中国的振动噪声正在努力与国际接轨

回到2004年、2005年的时候，国内的振动噪声是相当落后的。无论是从设备、软件，还是人的经验，或是做事的流程，都是严重缺乏。我一直跟大家讲做振动噪声的研发或者是广义的研发，一定要有“PPT”。第一个P是要有优秀的人，人很重要。第二个P就是流程，把这个事有逻辑清晰的推下去，这个流程很重要。第三个T是工具，软件、硬件、实验室、台架，都是广义的工具。在15年之前，这真的是巨大的差距。但是经过这么多年的发展之后，国内的进步非常快，像很多的大的汽车厂都有了上千通道的测试系统。所以说工具这部分，国内进步是非常大的。

这么多年，西门子做了很多工程咨询。我们跟客户合作的模式可以有两种，一是流程转让，帮客户把问题解决了，然后把相关员工手把手带出来，叫流程转让。二是可以为客户进行流程审查，最后帮客户继续优化流程。通过这些服务就解决了第二个P（流程）的问题。

而针对第一个P（人才），跟国外比有两个差距，一个是振动噪声的从业人数还是不够，这是巨大的差距。在以前，企业内负责振动噪声部分的也就只有几个人。现在振动噪声细化到轮胎的噪声有一个团队，悬架的噪声有一个团队，底盘的噪声有一个团队，变速箱的噪声有一个团队，把整车零部件细化到每一个部件都有对应的团队解决噪声问题，做的非常细，意味着需要更多的人。国家的法规越严格，意味着振动噪声研究越细，每一个零部件都是振动噪声考虑的范围，都需要一个团队要把它做的非常极致，人这一块的缺乏还是很明显的。

另外，我深切的体会到国内做振动噪声还缺少机制，这是我个人的想法。现在在OEM里面做振动噪声的人，整个是围绕工程、车型，实际上很多新技术、新方向、新手段和新工具往往不直接产生经济效应。例如新能源汽车，涉及很多新的东西，需要有一个专门做研发的团队，这个团队并不一定马上对车型有帮助，但是长期来讲对企业发展非常重要，这一块国内相对薄弱。很多基础研究或是新技术、新方向的研究，都依赖于工程师的业余时间，或寄托于高校的教授。这一块跟国外比还是有很大差距的。

我个人认为一个机构里面至少要有一个做新技术、新方向研究的团队。一方面仰望星空，一方面脚踏实地。

目前互联网公司造车非常热，互联网汽车这个方向本身非常好，但是振动噪声可能是互联网公司解决不了的。互联网领域有一个很重要的特色是讲究轻资产，把很多东西外包给专业的工程咨询公司。国内的互联网企业要追求轻资产，也会用到工程咨询团队、公司去做，这个方向是对的。要把一个团队建立起来，流程和工具达到非常高的效率，不是一朝一夕能解决的，所以外包的形式是一个好的方向，但是也不能完全过分依赖于外包。作为OEM至少要知道怎样给外包公司定指标，至少要知道怎样去考核交付的结果是对还是错。V字形的两端定指标，开发可以外包出去，验收部分自己把握，要把住V字形的两端。当然要把握好这两端也没有那么容易，也需要时间。

西门子行业资源整合之路

西门子从2007年一路走来，收购了很多仿真跟测试产品。这些收购不是简单的收购，其中很重要的目的是要进行整合。我们希望把CAD设计和CAE仿真这堵墙打掉，这是一类整合。这类整合体现于西门子工业软件，大家知道UGS本身有CAD的基因，NX CAD里面有非常强的同步建模技术，包括非常好的CAD引擎。

第二类整合，怎样把CAE和CAT整合。CAE仿真和试验的整合体现在两个层面，第一个层面是怎么样把试验的结果间接地用到仿真的环境里面去，去校准三维仿真模型，一维仿真模型，校准CFD的模型，让我们的模型更准确。利用校准以后的模型去做大量的虚拟工况、危险工况、极端工况、重复工况以及非常昂贵的工况，这是间接地利用测试信息。

第二类是直接利用测试信息。举个例子，做发动机的人在做发动机实验的时候，只有发动机，变速箱、离合器、车身系统用模型，可以做虚实结合的试验，可以在发动机上布置很多传感器做试验。类似这种在一个虚拟整车环境里面做的发动机的实物试验，比孤零零的做一个发动机的试验更准确、更有意义。没有的那部分，用模型、仿真，这是仿真和虚拟直接相结合的。

还有一个层面——仿真也可以指导测试。Simcenter里面专门有一个软件叫PreTest，在真正做实物测试之前，可以在模型里面去优化传感器的布置方案，确保用最少的传感器个数，测出尽可能多的模态。传感器合理布置以后，感兴趣的频带范围里模态一个不漏的都测出来。很多年之前这些都是靠工程师的经验，现在完全可以通过仿真去指导、优化。优化以后生成一个文件格式，这个文件直接可以导到Simcenter Testlab测试系统里面去，之后那些传感器、激振器的布置方案就进去了，而且传感器和激振器的座标位置XYZ，也不需要手动输入，自动到测试系统里面去，这是CAE到CAT的整合。

再回到CAE仿真这部分，我们也做了很多整合，其中一个整合是多学科的耦合。回忆很多年之前，做强度的单独做强度，做噪声的单独做噪声，做燃油经济性的单独做燃油经济性，随着发展以后，整个系统之间都是交联在一起的。我经常跟大家讲如果是一个机械系统或者是一个机电产品，可以大致认为是线性系统，这个线性系统可以拆开各做各的，没有问题。现在我们把车定义为移动智能终端，已经是紧紧耦合在一起的非线性系统，拆不开的。这意味着我们做仿真的时候，要考虑到机电的耦合、流固的耦合、热疲劳的耦合、声疲劳的耦合、声固的耦合，包括控制和作动、被控对象这些耦合。我刚才讲到驾驶模拟器，这个里面实际包含控制的部分。作动后给到被控对象，被控对象有虚拟传感器回到策略控制器里面，它们之间的联合要求越来越高，仿真这部分也进行了整合。

我举一个具体例子——转向系统。过去需要使很大劲才能转动，现在方向盘轻轻动一下，车就转方向了。转向柱给转角一个指令，电机带动液压系统，再带动齿轮齿条，再带动悬架轮胎的变化，这里面有作动有控制，还有被控对象。像这些耦合，是西门子工业软件在Simcenter里面体现很多的。Simcenter 1D里面我们讲机电、液、热、控是一个多学科的系统集仿真平台。Simcenter 3D是一个多物理场的仿真平台，涵盖强度、刚度、振动、噪声、热、流、疲劳耐久、复合材料等三维多领域、多学科的。我们的Simcenter Testlab也是类似的，里面有振动测试、噪声测试、疲劳测试、环境测试、振动环境测试、噪声环境测试、热环境测试等等，整个Simcenter品牌，Simcenter 1D、Simcenter 3D、Simcenter Testlab都是在做多学科、多领域的耦合。以前车很慢，在车速80公里以下的时候，不太关注流体的噪声，现在高速公路跑的时候，开个窗缝，声音就很吵。这是非常典型的，由于流体的压力脉动，引起车内很大的噪声。传统汽车的轮胎和电动汽车的轮胎宽度是不一样的，会引起胎噪的噪声水平差别很大。因为传统汽车里面胎噪的噪声，一方面被发动机掩盖，另一方面传统汽车的胎噪带宽也有助于噪声减弱。现在纯电动汽车没有发动机的掩盖，轮胎宽度变化非常明显，所以胎噪在轮胎里面也是很重要的。很多事情都需要我们从更深层次，通过耦合的方案解决。

用数字化定义一个时代，用软件定义汽车的未来

随着汽车的智能化发展，车企的研发正在由关注车本身向环境感知方向发展，如现在的“无人驾驶汽车”，要考虑到车和车以及车和周边环境的感知，所以就需要有非常好的感知软件来提供支持。西门子在这方面可以提供强大的仿真与实验解决方案。

西门子创新中心有非常好的驾驶模拟器，可以将控制、模型、实物和环境结合在一起，是非常典型的虚实结合、人机互联和数据驱动，例如车的发动机、变速箱、ABS、ESP、EPS，以上这些都是用一维的建模，而轮胎、悬架、底盘是用三维。PreScan作为视景，人、油门、方向盘、踏板是实物。我们将一个指令给到模型，模型可以算出车的运动姿态，运动姿态可以通过动画的形式在视景里面显示。同时，车的转向、制动等姿态可以通过台架实现。

最后，我想说的是西门子国内有非常强大的技术团队，团队内所有的工程师都来自于取得“985”、“211”大学的硕士以上学位的人才，还有很多海归，大概有20几位博士。相信西门子的产品、团队以及专业的服务可以更好地提升国内汽车行业的发展。 


Simcenter汽车测试技术周专题研讨会


北京理工大学振动与噪声控制实验室

Siemens PLM Software
Siemens PLM Software是全球领先的产品生命周期管理（PLM）和制造运营管理（MOM）软件、系统与服务提供商，拥有超过1,500万套已发售软件，全球客户数量达140,000多家。公司总部位于美国德克萨斯州普莱诺市。Siemens PLM Software与企业客户充分合作，为其提供领先的行业软件解决方案，帮助其通过革命性创新获得可持续性竞争优势。

北京理工大学振动与噪声控制实验室
北京理工大学振动与噪声控制实验室始建于1985年，2010年更名为振动与噪声控制研究所，现有专职工作人员8人，包括：教授1人，副教授6人。振动与噪声控制研究所现有面积551平方米，包括万元以上设备20台。研究所于50年代开始在车辆行走机构和机械设备设计及车辆减振降噪方面进行研究。经过数十年的发展，已经扩展到特种车辆设计，履带式车辆行动部分设计，轮式车辆悬挂系统设计，机械设备减振降噪等领域，涉及机械设备的振动和噪声控制，人机与环境工程，动力吸振和隔振理论与应用，振动、冲击、噪声的测试技术，振动、噪声的信号处理，结构振动和系统动力学分析，减振降噪材料及装置，机械动态测试，机械设备故障诊断，航天运载工具动态分析等各个方面，在运载工具尤其是在装甲车辆和航天飞船运载车等特种车辆的设计、强度分析、有限元计算、振动、噪声实验与动态分析研究方面做了大量的工作。