*本文內(nèi)容采用了機(jī)器翻譯

近 200 名大二學(xué)生聚集在早稻田大學(xué)寬闊的教室里。學(xué)生們準(zhǔn)備好筆記本電腦，參加基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)高級(jí)講座系列，這是機(jī)械工程系的一門必修課程，通過(guò)項(xiàng)目作業(yè)教授專門的解決問(wèn)題的技能，以提高能力。

草鹿仁教授在環(huán)境與出行部分展示了使用 Simulink 和 RoadRunner 為串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (SHEV) 創(chuàng)建的駕駛員模型。SHEV 是一種帶有內(nèi)燃機(jī)和電池供電電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車，該車輛正在大學(xué)附近繞行。學(xué)生學(xué)習(xí)如何操作集成模型并進(jìn)行仿真以獲得燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)級(jí)。隨后他們與同學(xué)們討論如何提高燃油效率。

“當(dāng)車輛仿真輸出的數(shù)字只是簡(jiǎn)單地以圖表形式呈現(xiàn)時(shí)，大多數(shù)學(xué)生無(wú)法想象駕駛汽車的感覺(jué)。”草鹿教授說(shuō)道?！拔覀?cè)噲D激發(fā)他們的想象力。”

草鹿教授是著名的機(jī)械工程教授，領(lǐng)導(dǎo)早稻田大學(xué)下一代汽車研究機(jī)構(gòu)(https://www.waseda.jp/inst/nextgv/en/about/overview)，在日本汽車界頗具影響力。他在日本汽車工程師學(xué)會(huì)擔(dān)任技術(shù)總監(jiān)和副總裁。在早稻田大學(xué)讀研究生期間，他與豐田汽車公司總裁佐藤恒治一起進(jìn)行甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。

草鹿教授在系列講座中挑戰(zhàn)學(xué)生們像汽車工程師一樣思考，專注于優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性和電力成本。其目標(biāo)是讓學(xué)生為汽車行業(yè)的職業(yè)生涯做好準(zhǔn)備，早稻田大學(xué)與汽車行業(yè)保持著密切的聯(lián)系。幾家日本主要汽車制造商的總部都在附近，校友包括豐田、日產(chǎn)和五十鈴等跨國(guó)公司的高管。

“我們與汽車公司、汽車相關(guān)公司、重工業(yè)、政府機(jī)構(gòu)以及汽車內(nèi)燃機(jī)技術(shù)研究協(xié)會(huì)(AICE)合作開展研究項(xiàng)目，”草鹿教授說(shuō)道。他的實(shí)驗(yàn)室與 AICE 有一個(gè)聯(lián)合綠色創(chuàng)新項(xiàng)目，開發(fā)使用電子燃料的混合動(dòng)力汽車的催化劑。這個(gè)國(guó)家組織致力于促進(jìn)學(xué)術(shù)界、政府和工業(yè)界之間的合作。他還為地方和國(guó)家政府委員會(huì)提供排放和燃油經(jīng)濟(jì)性方面的建議。

“從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)看，全球的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)變得越來(lái)越嚴(yán)格，”草鹿教授說(shuō)?！捌嚬拘枰a(chǎn)符合這些法規(guī)的汽車?！?/p>

考慮到這一點(diǎn)，草鹿教授和原田空樹(草鹿實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行汽車動(dòng)力系統(tǒng)研究的二年級(jí)碩士生)在系列講座中使用了早稻田的 MathWorks Campus-Wide License，并選擇了 Simulink 和 RoadRunner，因?yàn)樗鼈兙哂邢冗M(jìn)的功能和易用性。

實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)首先駕駛一輛 2016 款 Nissan Note e-POWER 在大學(xué)附近預(yù)定路線上行駛。原田將這些道路測(cè)試中的交通信號(hào)和地圖數(shù)據(jù)以及其他關(guān)鍵公共信息(例如道路海拔和速度限制)拉入 Simulink 駕駛員模型中。他使用 RoadRunner 復(fù)制街景。原田、助教 (TA) 和 MathWorks 員工教學(xué)生操作集成模型并運(yùn)行仿真。學(xué)生可以有效地重現(xiàn)真實(shí)的道路和交通環(huán)境來(lái)確定燃油經(jīng)濟(jì)性等級(jí)。

“學(xué)生們?cè)谡n堂上實(shí)現(xiàn)了多個(gè)目標(biāo)，”草鹿教授回憶道?！八麄兊南敕ㄖ阅軌?qū)崿F(xiàn)，是因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^(guò) RoadRunner 動(dòng)畫看到車輛實(shí)際行駛的景象?！?/p>

嚴(yán)格的真實(shí)世界測(cè)試

在課堂之外，此類仿真對(duì)于評(píng)估新型乘用車的燃油經(jīng)濟(jì)性和電力成本具有巨大的前景，有可能為汽車制造商節(jié)省大量 R&D 時(shí)間和成本。汽車工程師在計(jì)算燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)會(huì)考慮現(xiàn)實(shí)世界的道路狀況。重要因素包括車輛重量、加速度、減速度、坡度阻力和滾動(dòng)阻力。隨著車速的增加，空氣阻力也會(huì)變得更大。

草鹿教授的研究在底盤測(cè)功機(jī)上將新興的實(shí)際駕駛排放 (RDE) 測(cè)試與傳統(tǒng)的全球統(tǒng)一輕型汽車測(cè)試程序 (WLTP) 進(jìn)行了比較。RDE 測(cè)試旨在補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，通過(guò)公共道路上行駛的乘用車上的便攜式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量一氧化碳、未燃燒的碳?xì)浠衔?、氮氧化物和顆粒物。測(cè)試在不同的環(huán)境、不同的溫度范圍、速度限制、交通水平和高度下進(jìn)行。

草鹿教授指出：“傳統(tǒng)底盤發(fā)電機(jī)測(cè)試和實(shí)際駕駛中的廢氣和燃油效率存在差異?！薄翱梢愿_測(cè)量的 RDE 變得越來(lái)越重要?！?/p>

在日本等強(qiáng)制要求新車必須具備 RDE 功能的國(guó)家，符合系數(shù)(CF)表示實(shí)際道路行駛過(guò)程中的廢氣值與臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得的廢氣值之間的差異。監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定了 CF 限制，汽車公司必須證明實(shí)際道路上的廢氣值不超過(guò)該限制。

繪制車輛測(cè)試路線。(圖片來(lái)源：早稻田大學(xué))

“在 90 至 120 分鐘的實(shí)際道路駕駛過(guò)程中，車輛必須按照一定比例在城市道路、鄉(xiāng)村道路和高速公路上行駛。還有其他限制，例如溫度、高度和最大速度的上限，”草鹿教授解釋道?！鞍嘿F的重新測(cè)試并不罕見?！?/p>

草鹿教授繼續(xù)說(shuō)道，使用 Simulink 和 RoadRunner 進(jìn)行仿真可以提前預(yù)測(cè)性能，無(wú)需購(gòu)買昂貴的專用測(cè)量設(shè)備并在實(shí)際車輛上進(jìn)行測(cè)試。此外，找到與 RDE 測(cè)試具有相同道路、溫度和海拔的地點(diǎn)是不可能的。

他說(shuō)道：“基于模型的設(shè)計(jì)的 RDE 仿真非常容易實(shí)現(xiàn)?！彼恼n堂即將證明這一點(diǎn)。

3D 數(shù)字孿生

草鹿教授選擇了 2016 款日產(chǎn) Note e-POWER，因?yàn)橐呀?jīng)開發(fā)出了高度精確的模型，而且他認(rèn)為學(xué)生可以理解 SHEV 的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。位于大學(xué)附近新宿區(qū)的測(cè)試路線為一條長(zhǎng)約 2.7 公里(1.7 英里)的環(huán)路，有不同程度的上坡和下坡。

駕駛測(cè)試于凌晨 1 點(diǎn)進(jìn)行，以盡量減少其他車輛和行人，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)有意沒(méi)有將其納入 RoadRunner Scenario 和 Simulink 協(xié)同仿真中。初始充電狀態(tài)設(shè)定為 60.0%。每位駕駛員在測(cè)試前都對(duì)車輛進(jìn)行 20 分鐘的預(yù)熱，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)處于熱機(jī)狀態(tài)。車載 GoPro 獲取 GPS 信息，而診斷工具收集車輛基本數(shù)據(jù)。

原田在 Simulink 中創(chuàng)建了一個(gè)駕駛員模型，使用自動(dòng)駕駛算法來(lái)仿真人類在路線上加速和減速的方式。

他從經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省主導(dǎo)的項(xiàng)目創(chuàng)建并發(fā)布的模型中獲得了 SHEV 信息。然后，他上傳了日產(chǎn) Note 組件的實(shí)際效率和控制流數(shù)據(jù)。

他從帶有時(shí)間戳的測(cè)試路線視頻中將所有 16 個(gè)交通信號(hào)燈的數(shù)據(jù)添加到 Simulink 中。計(jì)算會(huì)自動(dòng)確定哪個(gè)燈位于虛擬車輛前方以及距離最短，類似于人類駕駛員觀察最近的燈的方式。他構(gòu)建了兩種可能的剎車控制場(chǎng)景：恒定減速或突然停止。

仿真中的交通燈只能是紅色或綠色。視頻中的黃燈時(shí)間被劃分為一半，一半分配給綠燈，另一半分配給紅燈。原田在 RoadRunner 中設(shè)計(jì)了逼真的 3D 街景。

“我從 OpenStreetMap 獲取了該地區(qū)的地圖數(shù)據(jù)以及日本地理空間信息管理局提供的坡度數(shù)據(jù)，”他說(shuō)?！皩⑵渖蟼鞯?RoadRunner 后，我僅提取道路就創(chuàng)建了 3D 數(shù)字孿生。在可視化界面中工作非常直觀?！?/p>

學(xué)生們從大學(xué)云端下載了組合駕駛模型?；氐浇淌遥?、助教和 MathWorks 團(tuán)隊(duì)回答了有關(guān) 3D 數(shù)字孿生的問(wèn)題。然后輪到學(xué)生了：他們的任務(wù)是根據(jù)他們唯一的學(xué)生證號(hào)碼的最后三位數(shù)字，以鳥瞰攝像機(jī)位置制作整個(gè)駕駛仿真的視頻。例如，123 表示攝像機(jī)距離 12 米，高度 3 米。

他說(shuō)，此前，草鹿教授的學(xué)生依靠計(jì)算出的充電狀態(tài)圖，有些學(xué)生難以將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際車輛駕駛聯(lián)系起來(lái)。這一次他們能夠看到結(jié)果了。

提高效率

通過(guò) 3D 數(shù)字孿生仿真，學(xué)生們了解了通過(guò)改變初始充電量與 SHEV 高壓電池充電深度相關(guān)的動(dòng)力系統(tǒng)控制。之后，他們可以比較插電式和串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的成本和 CO2 排放。

“與真實(shí)車輛測(cè)試不同，基于模型的設(shè)計(jì)可以輕松測(cè)試車輛差異。上這門課的學(xué)生親眼目睹了如何利用插電式混合動(dòng)力汽車來(lái)改善燃料消耗?！辈萋菇淌谡f(shuō)道?！澳軌?qū)⑦@項(xiàng)練習(xí)分配給二年級(jí)本科生班級(jí)真是太棒了。”

草鹿教授注意到，與前幾年相比，學(xué)生們使用 Simulink 和 RoadRunner 的數(shù)據(jù)分析和解釋能力有所提高。他們確定改變滾動(dòng)阻力、改變空氣阻力和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是熱能轉(zhuǎn)換效率的因素。一些人還提出了一些有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的先進(jìn)想法。

原田說(shuō)：“利用基于模型的設(shè)計(jì)和 Simulink，學(xué)生們探索了如果熱效率提高到 50% 或?qū)嵤┎咫娛交旌蟿?dòng)力系統(tǒng)對(duì)燃油效率的影響。”

研究小組發(fā)現(xiàn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域的熱效率提高到 50% 左右可以將燃料消耗降低到 21.52 兆焦耳，比基線降低 37%。學(xué)生們獲得了可以在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用的汽車知識(shí)。

“懂得如何使用基于模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行汽車研發(fā)的工程專業(yè)畢業(yè)生將可以立即開始工作，”K原田說(shuō)道。畢業(yè)后，原田將加入豐田汽車公司，他期待利用基于模型的設(shè)計(jì)和設(shè)備測(cè)試來(lái)開發(fā)汽車，并直接借鑒

他在實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)。

最近，草鹿教授實(shí)驗(yàn)室開始了在冷啟動(dòng)期間通過(guò)提前預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)提高插電式混合動(dòng)力汽車的熱效率和廢氣排放的研究。RDE 測(cè)試支持比 WLTP 測(cè)試更寬的溫度范圍，因此冬季啟動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃擴(kuò)展系列講座的駕駛員模型，以納入加速和減速對(duì)燃油效率的影響。加速和減速時(shí)考慮的因素包括行人、其他車輛和彎道。

研究人員預(yù)計(jì)他們的行業(yè)合作伙伴將從 Simulink 和 RoadRunner 中受益匪淺。

草鹿教授表示：“如果汽車的所有部件都用汽車制造商和供應(yīng)商處理的通用模型來(lái)表示，那么預(yù)測(cè)零件發(fā)生變化時(shí)的性能就會(huì)變得更容易?！薄拔覀兿嘈呕谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)及其對(duì)車輛開發(fā)和 RDE 測(cè)試的仿真將大大有助于降低汽車公司的成本?！?/p>

全球 6,500 多所高校使用 MATLAB 和 Simulink 廣泛開展各類工程和科學(xué)學(xué)科的教學(xué)與研究。目前，有 2,300 多所大學(xué)(包括全球 300 所頂尖大學(xué)中的 89%)可通過(guò) Campus-Wide License 無(wú)限制訪問(wèn)所有 MathWorks 產(chǎn)品。