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作者：Adithya Vignesh Jayaraman，Rivian 使用 MATLAB 和 Simulink 設計和構建 Rivian 車(chē)輛仿真界面平臺幫助我們實(shí)現了關(guān)鍵目標。我們?yōu)楣こ處熀头枪こ處焺?chuàng )建了統一平臺，用于運行整車(chē)仿真、后處理結果和創(chuàng )建報告。 整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的工程師越來(lái)越依賴(lài)仿真來(lái)評估操控性能、加速性能、續航里程和其他關(guān)鍵性能指標。與物理測試相比，通過(guò)仿真來(lái)評估車(chē)輛性能速度更快，成本也更低。整車(chē)仿真還有助于設計工作在原型硬件可用之前在開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡早進(jìn)行。然而，隨著(zhù)車(chē)輛仿真的成本和效率優(yōu)勢在組織內日趨明顯，仿真需求的增加使得車(chē)輛仿真面臨一系列挑戰。 考慮到與商業(yè)仿真軟件對接和運行整車(chē)仿真所帶來(lái)的復雜性，需要擁有一支專(zhuān)門(mén)的仿真工程師團隊，他們具備必要的專(zhuān)業(yè)知識。然而，該團隊可能很快會(huì )因各利益相關(guān)者的要求而不堪重負，這些利益相關(guān)者包括屬性工程師、性能工程師、動(dòng)力學(xué)工程師、續航里程和效率工程師以及高級管理人員。簡(jiǎn)單地執行這些團隊要求的多個(gè)仿真也可能成為瓶頸，特別是當這些仿真連續地在商業(yè)軟件上運行時(shí)更是如此。最后，由于缺乏標準化的車(chē)輛數據，加上對仿真結果的臨時(shí)后處理，這使得工程師爭相獲取黃金源數據和采用獲準的方法來(lái)報告結果，從而加劇了這些困難。 在 Rivian，我們的團隊開(kāi)發(fā)了可擴展、易于使用的平臺，用于配置、運行和后處理大量整車(chē)仿真。此車(chē)輛仿真界面（VSI）平臺是使用 MATLAB® 和 Simulink® 開(kāi)發(fā)的，有助于減少冗余，提高復用性，并通過(guò)并行處理提高仿真吞吐量。借助使用 App 設計工具構建的直觀(guān)用戶(hù)界面，該平臺還讓整個(gè)公司的工程團隊都能輕松實(shí)現仿真，從而消除了仿真請求瓶頸（圖 1）。 
圖 1．VSI 用戶(hù)界面。 本文介紹我們如何使用面向對象的原則設計 VSI，如何利用它來(lái)使仿真更平等普及，以及如何使用并行處理來(lái)擴展仿真工作量。 VSI 的面向對象的設計 當我們開(kāi)始設計 VSI 平臺時(shí)，面向對象的方法顯然是實(shí)現靈活性、可擴展性和復用性等目標的最直接方法。我們首先明確定義了幾個(gè)基本對象：Vehicle、Load Case 和 Simulation。在這種情形下，Vehicle 對象用于表示 Rivian 車(chē)輛，例如 Rivian R1T、Rivian R1S 或 Rivian EDV（我們的電動(dòng)貨車(chē)）。此對象還表示車(chē)輛的配置，用于定義特定的電池組、動(dòng)力總成系統、輪胎、前后驅動(dòng)裝置和其他組件。Load Case 對象用于定義仿真場(chǎng)景，包括速度曲線(xiàn)、環(huán)境條件和駕駛工況。而 VSI Simulation 對象只是 Vehicle 實(shí)例與特定 Load Case 的組合（圖 2）。
圖 2．VSI 仿真包括特定車(chē)輛配置和預定義的測試場(chǎng)景。 從編程的角度來(lái)看，可將 Simulation 的概念視為構成 VSI 平臺基礎框架的超類(lèi)。此超類(lèi)的屬性包括可以通過(guò)用戶(hù)界面選擇的車(chē)輛配置和測試場(chǎng)景屬性，以及一組用于創(chuàng )建模型、運行仿真、執行后處理、提取度量和共享結果的方法（圖 3）。借助 MATLAB 的面向對象的編程功能，我們可以輕松地針對 VSI 平臺創(chuàng )建這種類(lèi)結構體的實(shí)現。MATLAB 句柄對象尤其適用于封裝仿真中包含的所有信息（不僅包括車(chē)輛和測試場(chǎng)景，還包括用戶(hù)設置、結果和度量），并在 VSI 內高效傳輸這些信息，而無(wú)需復制數據。這些對象隨后可以轉換為元數據文本文件并進(jìn)行存檔，使我們能夠通過(guò)從元數據重新構造對象來(lái)重新創(chuàng )建任何歷史仿真。
圖 3．VSISim 超類(lèi)，包括仿真輸入和執行方法。 使仿真更平等普及和最大化復用 我們已將 VSI 部署為 MATLAB 工具箱和獨立可執行文件（用 MATLAB Compiler™ 編譯），可供未安裝 MATLAB 的同事使用。由于可以輕松訪(fǎng)問(wèn) VSI，團隊不再需要等待 Simulink 工程師來(lái)運行仿真并獲得結果。 VSI 界面的左側（如圖 1 所示）用于選擇車(chē)輛配置和測試場(chǎng)景，而界面的右側顯示用不同顏色表示的仿真列表。紅色表示尚未運行的仿真，綠色表示已完成的仿真，琥珀色表示已完成的仿真以及過(guò)期結果（例如，當新組件數據可用或模型修訂時(shí)，可能會(huì )發(fā)生這種情況）。值得注意的是，VSI 的仿真結果是共享的；工程師可能會(huì )發(fā)現他們要運行的仿真已由本團隊或完全不同的團隊中的某個(gè)人完成。工程師可以利用已有的仿真結果，避免運行相同且不必要的仿真，從而節省時(shí)間和計算資源。 在定義并選擇了要運行的仿真后，工程師可點(diǎn)擊標有 Run&Post-Process 的按鈕（如圖 1 所示）。仿真是結合使用 Simulink 和商業(yè)仿真軟件在后臺通過(guò) MATLAB API 啟動(dòng)的（圖 4）。
圖 4．集群仿真的工作流程圖，以及顯示五個(gè)調度仿真的 VSI 界面（以藍色突出顯示）。紫色狀態(tài)表示仿真正在進(jìn)行中；紅色狀態(tài)則表示仿真已完成。 在單個(gè)仿真完成后，記錄的數據會(huì )發(fā)送回 MATLAB 工作區進(jìn)行處理，然后轉換為 Apache® Parquet 數據文件格式，并最終存檔在共享目錄中。我們還開(kāi)發(fā)了一套 MATLAB 腳本，用于匯總結果以生成關(guān)鍵度量，根據我們的需求管理系統中設置的目標報告仿真狀態(tài)，并生成自動(dòng)報告來(lái)概括關(guān)鍵性能指標，以供 Rivian 高級管理層參考。 通過(guò)并行處理實(shí)現擴展 在 VSI 用戶(hù)界面中，工程師可以選擇使用本地計算機上的多個(gè)內核來(lái)并行運行仿真，也可以選擇使用遠程 Amazon® Web Services（AWS®）集群來(lái)執行此操作（圖 5）。本地方法利用了 Parallel Computing Toolbox™，它是工程師在測試模型更新和更改時(shí)最常選用的方法。遠程方法基于運行 MATLAB Parallel Server™ 的 AWS EC2 實(shí)例，適用于具有已經(jīng)過(guò)測試和驗證的模型的生產(chǎn)環(huán)境。
圖 5．用于并行處理的 VSI 選項。 在遠程并行工作流中，MATLAB Parallel Server 和 MATLAB 作業(yè)調度器發(fā)揮著(zhù)重要作用。VSI 先從 MATLAB Parallel Server 調用 parcluster 函數，以根據我們所定義的 AWS EC2 配置文件創(chuàng )建一個(gè)集群對象。在為要并行運行的每個(gè)仿真創(chuàng )建了一個(gè)仿真對象后，VSI 將在集群上創(chuàng )建一個(gè)作業(yè)，并為每個(gè)仿真創(chuàng )建一個(gè)單獨的任務(wù)。該作業(yè)及其任務(wù)通過(guò) MATLAB 作業(yè)調度器提交到 AWS EC2 實(shí)例。該調度器可協(xié)調作業(yè)的執行，并將任務(wù)分配給各個(gè)集群工作進(jìn)程。當仿真完成時(shí)，MATLAB 后處理函數會(huì )在集群上運行，然后結果再進(jìn)行存檔和共享。對于大型作業(yè)，例如涉及 14 個(gè)冗長(cháng)仿真的作業(yè)，遠程并行方法要快得多，在 68 分鐘內即可完成作業(yè)，而依序方法需要 9 個(gè)多小時(shí)（圖 6）。
圖 6．依序（黃色）、本地并行（藍色）和遠程并行（紅色）方法的基準仿真時(shí)間。 在過(guò)去的六個(gè)月里，我們在 Rivian 的同事已使用 VSI 進(jìn)行了 9,000 多次整車(chē)仿真，總共模擬行駛了大約 200 萬(wàn)英里。 計劃的改進(jìn) 使用 MATLAB 和 Simulink 設計和構建 VSI 平臺幫助我們實(shí)現了關(guān)鍵目標。我們?yōu)楣こ處熀头枪こ處焺?chuàng )建了統一平臺，用于運行整車(chē)仿真、后處理結果和創(chuàng )建報告。我們消除了仿真請求瓶頸，減少了仿真任務(wù)中的冗余，并提高了仿真復用性。此外，我們還通過(guò)支持在 AWS 集群或本地工作站的多個(gè)內核上并行運行仿真，最大程度地提高了吞吐量。 我們計劃對 VSI 做出大量改進(jìn)，包括將該平臺部署為 Web 應用，為關(guān)鍵性能指標添加儀表板，以及簡(jiǎn)化從用戶(hù)界面使用試驗設計（DOE）的過(guò)程。與此同時(shí)，我們還在繼續開(kāi)發(fā)和擴展 Rivian 的 MATLAB Minimart，這是內部構建的 MATLAB 工具箱集合，用于數據轉換和查看、啟動(dòng)和制動(dòng)分析，以及各種其他經(jīng)常需要的功能。 |
