車輛動力學(xué)仿真模型校核與驗證關(guān)鍵技術(shù)研究

1、    車輛動力學(xué)仿真模型校核與驗證關(guān)鍵技術(shù)研究    徐亮 秦孔建 張誠 鄭英東 石娟摘 要：由于能夠有效降低測試成本、縮短測試周期，仿真測試方法在汽車行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。對車輛動力學(xué)仿真模型進行校核和驗證是車輛動力學(xué)仿真模型被應(yīng)用于仿真測試的基礎(chǔ)，目前迫切需要對車輛動力學(xué)仿真模型的校核和驗證技術(shù)進行流程化和標準化。文章通過廣泛調(diào)研國內(nèi)外車輛動力學(xué)模型的校核、驗證與確認技術(shù)，建立了車輛動力學(xué)模型的校核和驗證流程，梳理了車輛動力學(xué)模型的驗證工況和場景，整理了車輛動力系模型的驗證指標體系，提出了車輛動力系模型質(zhì)量評估方法。該研究成果可用于支撐車輛動

2、力學(xué)仿真模型的校核、驗證與確認相關(guān)標準的制定。關(guān)鍵詞：校核與驗證;車輛動力學(xué)模型;指標體系;模型質(zhì)量：v448.15+3  ：b  ：1671-7988（2020）16-44-05abstract： because it can effectively reduce the test cost and shorten the test cycle， simulation test method has been more and more widely used in the automotive industry. the verification and validat

3、ion of the vehicle dynamics simulation model is the basis of the application of the vehicle dynamics simulation model in the simulation test. at present， there is an urgent need to process and standardize the verification and validation technology of vehicle dynamics simulation model. in this paper，

4、 the verification and validation technology of vehicle dynamics model at home and abroad is extensively investigated， and the verification and validation process of vehicle dynamics model is established， the verification conditions and scenarios of vehicle dynamics model are combed， the verification

5、 index system of vehicle dynamics model is sorted out， and the quality evaluation method of vehicle dynamics model is proposed. the research results can be used to support the formulation of relevant standards for verification， validation and validation of vehicle dynamics simulation model.keywords：

6、 verification and validation; vehicle dynamics model; index system; model qualityclc no.： v448.15+3  document code： b  article id： 1671-7988（2020）16-44-05前言通過仿真模型進行車輛動力學(xué)性能測試評價，能夠有效縮短研發(fā)周期和測試成本，而對車輛動力學(xué)仿真模型進行有效驗證是進行相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)。仿真模型校核和驗證（v&v）研究最早開始于上世紀60年代。1962年，biggs1和cawthorne開始通過對“警犬”導(dǎo)彈建立數(shù)學(xué)

7、模型，開展仿真研究。70年代中期，美國計算機仿真學(xué)會（scs）于七十年代中期成立了“模型可信性技術(shù)委員會（tcmc）”，其任務(wù)是建立與模型可信性相關(guān)的概念、術(shù)語和規(guī)范。balci和sargent（1984）對1984年以前有關(guān)的308篇文獻做了綜述，對仿真可信性研究的概念性和方法性研究作了概括。進入90年代后，許多政府、民間部門和 學(xué)術(shù)機構(gòu)都成了相應(yīng)的組織，以制定各自的建模和仿真及其v&v規(guī)范和標準。1996年，美國國防部的國防建模與仿真辦公室成立了軍用仿真v&v工作技術(shù)支持小組，負責起草國防部v&v建議規(guī)范。之后，美國各軍種制訂了適合自己的規(guī)范。1997年，ieee

8、1278.4由ieee分布式交互仿真委員會發(fā)起，為分布式交互仿真建立v&v的指導(dǎo)章程。國內(nèi)這一方面的研究，最早是在軍事領(lǐng)域。1999年，康鳳舉總結(jié)了系統(tǒng)仿真精度和置信度評估方法，并將層次分析法引入魚雷控制半實物仿真試驗系統(tǒng)置信度評估研究。2017年，中央軍委裝備發(fā)展部推出了軍用建模與仿真模型校核、驗證與確認通用要求5，對模型v&v過程、基本要求、原則等方面進行了通用要求闡述。車輛動力學(xué)模型的校核、驗證與確認目前是車輛仿真領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。汽車領(lǐng)域研究人員針對汽車領(lǐng)域不同應(yīng)用方向的模型驗證方法進行了研究。但還缺乏v&v系統(tǒng)性梳理和相關(guān)標準。1 車輛動力學(xué)模型v&

9、amp;v研究現(xiàn)狀2009年，吉林大學(xué)于永濤、曾小華2對混合動力汽車性能仿真軟件進行了可用性仿真驗證。根據(jù)動力源的動力需求以及動態(tài)過程的燃油消耗率，選擇傳統(tǒng)型、混合型轎車、客車進行仿真，將兩款軟件的仿真結(jié)果進行對比，以對所分析的仿真軟件的可用性進行驗證。2011年，通用公司jan klemmer6等人研究了車輛動力學(xué)模型的標準校核、驗證流程，并將其應(yīng)用到燃料電池汽車車輛仿真模型校核、驗證中，研究并提出了模型質(zhì)量評估方法以及仿真與實車一致性評價指標。2011年，在上海交通大學(xué)詹振飛博士3面向汽車安全領(lǐng)域不確定多元動態(tài)系統(tǒng)的模型驗證問題開展了研究，提出了多元不確定性動態(tài)系統(tǒng)模型驗證框架，提出了一元

10、確定性動態(tài)響應(yīng)分析eearth方法和多元確定性動態(tài)響應(yīng)的mearth評估方法，采用了統(tǒng)計誤差分析、貝葉斯區(qū)間假設(shè)檢驗等方法來處理試驗和仿真重復(fù)誤差分析。2014年，吉林大學(xué)王世川4開展了汽車操縱穩(wěn)定性模型驗證方法研究，把驗證工況分為時域和頻域，時域又分穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩部分，提出了操縱穩(wěn)定性驗證工況。2 車輛動力學(xué)模型v&v流程校核（verification）確定模型或仿真的實現(xiàn)準確表示開發(fā)者的概念描述和規(guī)范的過程。驗證（validation）從模型或仿真預(yù)期應(yīng)用的較低，確定模型或仿真表示真實世界的準確程度的過程。確認（accreditation）權(quán)威管理部門或委托方對模型或仿真系統(tǒng)可用于特

11、定目的應(yīng)用的正式承認或證明。模型包含概念模型、數(shù)學(xué)邏輯模型、仿真程序模型。其中，概念模型，根據(jù)應(yīng)用需求，采用自然語言、表格、建模語言等方式對真實世界中的有關(guān)實體、任務(wù)、行動和相互關(guān)系等進行語義描述。數(shù)學(xué)邏輯模型，采用數(shù)學(xué)符號和數(shù)學(xué)關(guān)系、邏輯符號和邏輯關(guān)系對概念模型進行符號描述。仿真程序模型采用計算機可編譯、可執(zhí)行的語言，對數(shù)學(xué)邏輯模型進行描述。模型在進行v&v時，需要特別明確車輛動力學(xué)模型的應(yīng)用范圍和應(yīng)用目標，需要根據(jù)應(yīng)用范圍和應(yīng)用目的調(diào)整v&v驗證工況或場景。2.1 校核過程校核過程包含：對概念模型、數(shù)學(xué)邏輯模型、仿真程序模型三方面的校核，同時包含模型調(diào)整。對概念模型的校核，

12、是指對模型開發(fā)的目標、概念設(shè)計、對象特征、規(guī)律描述的合理性、有效性和正確性進行評估。檢測所建立的模型是否符合物理規(guī)律，對于車輛動力學(xué)模型，需要核查質(zhì)量和能量守恒，主要檢查是否有未知來源的能量和質(zhì)量。對數(shù)學(xué)邏輯模型的校核，是指對模型所采用的方法、步驟、工具等要素的合理性、有效性和正確性進行評估。對仿真程序模型的校核，是指對檢驗程序的功能、性能是否滿足用戶需求，評估合理性、有效性、穩(wěn)定性、正確性、可執(zhí)行性、魯棒性。穩(wěn)定性，檢驗?zāi)Ｐ驮诠潭ㄝ斎肭闆r下，輸出信號在一段時間后達到穩(wěn)定，且不產(chǎn)生非預(yù)期的震蕩。需求檢測，要求模型能夠仿真系統(tǒng)在應(yīng)用的情況下各種輸入以及各種系統(tǒng)各種行為，即狀態(tài)和輸出。可執(zhí)行性是指

13、檢查計算機模型是否可以在計算機上正確編譯，仿真求解;編譯時不能出現(xiàn)語法錯誤，程序啟動和執(zhí)行的時間需要保證在用戶的要求范圍內(nèi);仿真求解時模型結(jié)果獨立于所選的求解器，同時仿真步長需要選擇合適，保證合適的執(zhí)行時間和足夠的精度。魯棒性，檢查模型在按需求定義的輸入邊界處，系統(tǒng)是否有正確的行為，以及檢查在超出邊界外，是否定義了系統(tǒng)行為。合理性，檢查不同的輸入情況下，系統(tǒng)行為是否合理，如踩制動踏板，車輛是否減速，踩加速踏板，車輛是否加速。2.2 驗證過程驗證過程包含數(shù)據(jù)對比和模型調(diào)整。數(shù)據(jù)對比，指將仿真數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進行對比。參數(shù)數(shù)據(jù)可以來至試驗數(shù)據(jù)或其他已認證過的軟件仿真數(shù)據(jù)。通過對比來判斷模型的質(zhì)量。根

14、據(jù)車輛模型的運行范圍（如速度范圍），運行條件（如環(huán)境溫度），運行模式（初始條件）來設(shè)定驗證場景或工況。對于驗證場景和工況的選擇，需要根據(jù)模型的特點，模型的預(yù)期應(yīng)用，以及所定義的模型要求。選擇標準的場景或工況能夠提供可比性，但不能覆蓋所期望的運行范圍、運行條件和運行模式。3 車輛動力學(xué)模型驗證工況或場景在模型為了對比參考試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，以判斷模型質(zhì)量。模型的驗證需要設(shè)定模型輸入和環(huán)境，稱之為驗證工況或驗證場景，以實現(xiàn)在實車或臺階試驗一樣的輸入和測試環(huán)境，從而進行比對。車輛動力學(xué)模型驗證按照被驗證的對象分為整車級、系統(tǒng)級、部件級。按照車輛動力學(xué)動態(tài)響應(yīng)頻率范圍，以時間為刻度，可劃為為穩(wěn)態(tài)工況、

15、動態(tài)工況、無法驗證的工況、模型覆蓋區(qū)域外的工況。也存在同時包含多個時間刻度的工況，如圖2。因此設(shè)定模型驗證工況時，需根據(jù)模型應(yīng)用要求和范圍、所驗證的對象處于所在系統(tǒng)的層級、時間刻度來進行工況或場景的設(shè)定。車輛動力學(xué)模型整車級驗證一般都要進行車輛動力性、經(jīng)濟性、制動性、操縱穩(wěn)定性等方面驗證，最常見的是采用國標試驗工況或iso試驗工況作為仿真模型的輸入。車輛動力學(xué)模型根據(jù)應(yīng)用需要設(shè)定場景和工況。最常見的工況是滑行試驗、縱向加速試驗、制動試驗、操縱穩(wěn)定性試驗，試驗條件和試驗方案按照國家標準或國際標準進行。4 車輛動力學(xué)模型v&v指標體系模型的指標體系用于模型驗證過程中，用來評價模型與真實世界

16、的一致性。由于模型在相同輸入情況下，常包含多個輸出，且這些輸出可能不在一個層次上，因此需要建立指標體系7。層次化的指標體系，包含的節(jié)點代表了模型的各層次關(guān)鍵輸出量。建立模型的指標體系有利于定位影響模型可信性的缺陷環(huán)節(jié)，以便在模型驗證的過程中有的放矢地調(diào)整模型。車輛動力學(xué)模型驗證指標的選取原則：簡約性，盡量選取較少的指標反映較全面的情況，指標之間的邏輯關(guān)聯(lián)性要強?？蓽y性，選擇的指標應(yīng)盡可能通過數(shù)學(xué)公式、測試儀器或是試驗統(tǒng)計等方法獲得，具備可實施的收集渠道。靈敏性，選取的指標應(yīng)對結(jié)果敏感。獨立性，選擇的指標應(yīng)盡可能的相互獨立，指標之間應(yīng)減少交叉?？裳永m(xù)性，所設(shè)計的指標體系應(yīng)在時間上可延續(xù)，內(nèi)容上可

17、拓展。完備性，建立的指標體系應(yīng)能全面反映出模型的各個方面特征，具備完備性。5 車輛動力學(xué)模型質(zhì)量評估模型質(zhì)量主要由信號相關(guān)性和驗證覆蓋率來決定。信號相關(guān)性量化了模擬信號和參考信號之間的匹配程度。驗證覆蓋率取決于模型驗證時，所用的驗證場景覆蓋的范圍。模型質(zhì)量決定了模型是否滿足其面向的應(yīng)用。同時可以用于面向同一應(yīng)用的不同版本的模型之間進行比較。5.1 參考數(shù)據(jù)可靠性在模型驗證過程中，常涉及到要用實車試驗數(shù)據(jù)和臺架試驗數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，與仿真數(shù)據(jù)進行對比，來分析兩者的信號相關(guān)性。但分析相關(guān)性之前，需要判斷參考數(shù)據(jù)是否可用，如果可用，則drij為1;如果不可用，則drij為0。5.2 信號相關(guān)性信號的

18、相關(guān)性指模型在驗證時，在各種工況下（如動力性加速性能試驗），每個工況又可以分解為多個測試用例（050kmh加速性能試驗，5080kmh加速性能試驗等），每個測試用例可以分解為多個指標數(shù)據(jù)（如車速、縱向加速度等）與參考指標的信號數(shù)據(jù)進行對比，并進行量化表征相關(guān)度crij，其中i表示測試用例，j表示指標數(shù)據(jù)。相關(guān)度crij的計算方式有很多種，對此很多文獻61415開展了相關(guān)研究。jan klemmer6介紹了一種計算方法，首先定義如下的概念，時間容差ttol和信號容差ytol（ti），絕對信號容差ytol（ti）和相對信號容差ptolrel（0ptolrel1），仿真信號ysim（ti）和參考信號

19、yref（ti）。6 結(jié)論本文通過車輛動力學(xué)模型校核和驗證的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀分析，研究提出了車輛動力學(xué)模型校核和驗證的流程，制定了車輛動力學(xué)模型驗證中最常用的工況，建立了一套車輛動力學(xué)模型驗證指標體系，并重點開展了車輛動力學(xué)模型的模型質(zhì)量評估方法研究。模型質(zhì)量評估方法應(yīng)用于模型驗證過程中，與驗證工況相關(guān)度以及驗證工況覆蓋度相關(guān)。本文的研究成果能夠為車輛動力學(xué)模型校核和驗證相關(guān)標準提供支撐。參考文獻1 biggs ag， cawthorne ar. bloodhound missile evaluation. j of the royal aeronautical socity， 1962：5

20、71-598.2 于永濤，曾小華，王慶年，李駿，王偉華.混合動力汽車性能仿真軟件的可用性仿真驗證.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009年1月 第21卷第2期.3 詹振飛.面向汽車安全的不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)模型驗證理論和應(yīng)用研究d.上海交通大學(xué)，2011.4 王世川.汽車操縱穩(wěn)定性模型驗證方法研究m.吉林大學(xué)，2014.5 軍用建模與仿真模型校核?驗證與確認通用要求.gjb 9226-2017.6 jan klemmer， johannes lauer， volker formanski， remy fontaine， peter kilian， stefan sinsel.definition and application of a standard verification and validation process for dynamic vehicle simulation models，2011-01-0519.7 方可，周玉臣，趙恩嬌.關(guān)于仿真模型驗證指標體系的探討.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2017年第39卷.8 iso 13674-1：2003 road vehicles-test method for t