戲法、鐵鏽與軟體
世界層出不窮的花樣翻新，正是軟體最擅長的戲法。
新年伊始，工業最大的嵌入式作業系統風河公司，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後，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。儘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，俄亥俄州揚斯敦這個城市的就業，被橫掃一片。強勢工會的金鐘罩被擊碎，工業階層被出賣了。德爾福，就是一艘與鉅艦分離的大船，然後被分解、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，然後又丟失了汽車零部件，最後化為鐵鏽地帶。鏽與鐵的貌合神離，就是美國社會撕裂性的一部分，也是美國製造業解體的訊號。
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，提供主動安全及使用者體驗，以及訊號與動力分配。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，軟體是它的強項。現在則收購了風河，意味著零部件廠商，對於汽車的未來有著全新的開發。
風河旗下的實時作業系統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作業系統有關），在汽車領域的嵌入式作業系統的統治度很高，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。軟體，就是顛覆劑。
汽車，也不再以鋼鐵的肌肉而自豪，軟體才是新寵。最近，武漢光庭資訊登陸深圳創業板，再次為工業軟體點燃資本烈火。這家從事汽車電子軟體的企業，深耕日本汽車零部件企業，在電控軟體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，一個百年曆久彌新的產業，從來不曾寂寞過。汽車行業是人類規模最大、工業化程度最高的製造業代表，工業軟體自然也在這裡枝繁葉茂，深紮根系。最早在計算機輔助設計CAD與製造萌芽的時候，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體和模擬，起初與其他機械產品並無不同。20世紀90年代起，模擬模擬和數字虛擬化技術，已經成為汽車研發過程的主流手段。事實上，汽車產品的複雜設計，大幅促進了三維CAD軟體和模擬軟體的發展。
汽車作為一個與人身安全密切相關而且高速移動的商品，註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，在汽車誕生後的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慧化，也給汽車研發帶來了更大的挑戰。智慧網聯，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，晶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，模擬模擬成為所有造車企業的唯一選擇。
這種現象背後，是大量的軟體和硬體構成了一個龐大的數字空間帝國。無論是車輛動力學模擬、感測器模擬、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。基於模型的系統工程，在這裡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軟體、CAE軟體已經廣泛得到應用。但更有許多隱藏的工業軟體獨狼不為外界所知曉。瞭解這些獨狼的出沒，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裝置及模擬軟體供應商，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。所有的發動機製造商應該都在AVL的客戶名單裡。
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，回國之後在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製造大國而受益匪淺。在國內的許多汽車製造商的研發中心，都可以看到AVL的各種裝置。它的排放檢測裝置，一套動輒價值幾千萬元。AVL旗下有很多軟體，如AVL FIRE作為專業的發動機流動力學軟體，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。它還配備尾氣後處理模組，能用於各類催化轉化器的研究。這些軟體，都得到了大量使用者經驗的哺育，因此也使得它們越來越好用，使用者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。那麼，這些內燃機軟體公司，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體公司，恰好在這裡體現出它們獨到的敏感性。使用者在轉向，這些公司也隨之轉向。AVL的電驅軟體eSuite，可以實現從電池、燃料電池、逆變器、電機、齒輪箱等部件級模擬到電驅系統、供電系統等子系統級模擬，再到整車系統級模擬的全覆蓋。實際上，這些軟體的功能，不再僅限於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）。透過軟體應用可以平衡電氣化和內燃機的互補特性，並且在減少汙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，軟體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。就是這樣一家軟體公司，2019年全球營業額將近20億歐元，大概可以排在中國機械製造500強公司的前400強以內。
面向汽車行業這麼大的市場，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諮詢公司，分別是德國的FEV、英國的Ricardo、美國西南研究院，這四家設計諮詢公司都有著軟硬一體的工程優勢。由於這些機構往往有著非常深厚的工程諮詢背景，因此他們也成為汽車製造商的顧問，而非簡單的軟體提供商。
流體的旋渦
各種氣體、液體等澎湃流體的背後，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模擬軟體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，相比於經典的STAR-CD和AVL Fire等軟體複雜的網格劃分，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。這樣的優秀軟體，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諮詢公司，後來將工程經驗知識固化成軟體，2008年順勢進入流體分析軟體領域，並一舉獲得成功。
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軟體的鍛造，源自市場的需求。它最早是多體軟體分析公司MDI與奧迪、寶馬、沃爾沃等公司合作而開發的整車設計軟體包，後來在2002年被MSC公司收購。ADAMS/Driver則是在德國的IPG-Driver軟體基礎上進行二次開發的成熟產品，這對於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。儘管機械系統動力學自動分析軟體ADMAS的求解器並不算是最先進的，但它按照汽車工業的標準，增加了支援一些特定運動測試的子程式。這給汽車使用者帶來很大的方便，因為使用者無需再自己編寫程式。由於ADMAS軟體的使用者多，可以適配多種硬體。它在汽車行業得到青睞，軟體功能不斷完善。就求解器的效能而言，其他軟體除非優勢巨大，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軟體在介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軟體曾經在很長一段時間中，介面並不友好。許多汽車公司不得不去設計自己的介面，解決虛擬樣機的問顒，例如福特的ADMAS/Pre，鈴木的Admas/Isuzu等。汽車製造公司在既有的通用軟體基礎上重新開發，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製造商，都會進行自身的二次軟體開發，只是開發程度的深淺有所不同。
然而，企業維持自研軟體並不是一件容易的事情，於是需要與軟體公司緊密合作。為福特汽車公司開發專用軟體ADAMAS/Pre的公司，後來被MDI公司收購。ADMAS再次跟福特緊密繫結。這款軟體為福特所專門使用。ADMAS則透過這種方式，大幅提升了它的介面能力。可以說，ADAMAS/Car軟體就是一個介面的勝利，透過使用者介面模組ADAMAS/View和求解器的聯合，使得使用者因長時間使用而形成一種鎖定依賴。
這就是工業軟體成為賺錢機器的奧秘，它把一切流程設計、建模都預製完畢，最後成為行業的標準。因此，從軟體商追趕者的發展策略來看，面對龐大的工業軟體巨頭，單點突破往往是一種更加有效的戰術。培養使用者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 常見模擬分析CAE軟體
縫隙裡的軟體
汽車是一個移動的小城堡，它的完美需要依靠軟體的貢獻。各種裝置的設計背後都有軟體的支撐，比如，為了讓乘客感到舒適，相關汽車空調的各種工程最佳化必不可少，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軟體公司提供的Sculptor軟體，提供基於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最佳化問題，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體，專門用於熱舒適性分析。一個戰鬥機座艙，有著複雜的工程考量，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，既有工程軟體業務，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種以上的軟體。如美國Gamma公司的效能解析軟體GT-AutoLion，基於開源的MATLAB應用程式Taufactor、電池效能和成本模型BatPaC軟體等。
某種軟體驗證過的結果會是一種信譽的保障。例如MSC公司的Nastran軟體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體。在學術領域，有些期刊或者課題要求，只有研究結果得到MATLAB程式驗證，才能得到發表或驗收。使用軟體本身，構成了二種資格。這是工業軟體形成的壁壘，也是新軟體在發展中難以跨越之處。
其實，工業軟體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，軟體方面需要建模模擬與程式碼生成軟體系統，包括美國的系統建模軟體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的動力總成模擬分析軟體Cruse等；硬體方面則需要實時計算裝置，如德國dSPACE、美國的NI、加拿大的RT-LAB等。這些國外相關軟體與硬體廠商已形成類似Wintel的聯盟，幾乎掌控了複雜系統產品的高階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體，再加上德國實時計算裝置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。
自動駕駛風雲
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。自動駕駛模擬也成為汽車製造商的逐鹿之地。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。由於真實道路測試效率較慢，目前很多車企對於自動駕駛都傾向於選擇模擬測試。據稱，自動駕駛測試的90%將透過模擬完成，9%透過測試場完成，只有1%在實際道路上進行。既然智慧網聯是未來汽車的重點，這裡自然駐紮了模擬界的重兵，包括模擬平臺（如VI-Grade軟體）、場景模擬（如ESI公司的Pro-SiViC軟體）、動力學模擬（如SimPack軟體）、車聯網模擬軟體（如德國戴姆勒汽車資訊科技創新研究所開發的VSimRTI軟體）、硬體在環（如NI公司的軟體和硬體）等，有三四十種軟體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。成立於2005年的德國VI-grade公司，憑藉著德國汽車產業界的優勢，在系統級模擬領域提供高階應用軟、硬體產品和服務。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。
自動駕駛的模擬，可分為兩大類。
第一類是關於自動駕駛的環境互動問題，基本可以依靠模擬解決約90%。開發一個自動駕駛的系統，要經歷軟體模擬、硬體在環模擬、車輛在環模擬、室內實驗室測試，再到室外受控場地進行測試。當這些驗證合格之後，它終於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建了模擬場景軟體Carcraft，並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後，形成了複雜多樣的虛擬城市。谷歌Waymo車隊，天天在虛擬城市裡穿梭不停，從而快速掌握了自動駕駛的本領。場景庫是高階駕駛輔助系統軟體中很重要的一個概念，也是中國廠商比較拿手的地方。它需要提供基於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。
而為了應對高階駕駛輔助系統對互動環境的需要，模擬軟體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。許多自動駕駛模擬方案會採用跟谷歌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，透過併購人工智慧軟體加強對資料的處理。
把自動駕駛模擬看成是一個遊戲場景的延續，也並無不恰當之處。從本質來講，自動駕駛軟體其實是一套非常複雜的嵌入式系統。
第二類模擬，針對的則是整車的動力效能、安全性等。把一輛汽車的模型引數化，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模擬問題。這與網際網路企業面向以場景為主的高階駕駛輔助系統測試有所不同。早期的模擬軟體主要關注車輛的動力、穩定性、制動等方面。例如創立於1996年的車輛動力學模擬軟體CarSim，脫胎於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軟體則主要用於模擬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、操控效能、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互動帶來的干擾。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。這是基於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模擬軟體，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形山谷左坡的離線模擬，也可以在右坡接入ECU、子系統總成等做硬體在環測試。作為一個附加產品，它也能為其他高階駕駛輔助系統模擬軟體提供豐富的模板庫。
PreScan是由荷蘭國家應用技術研究院開發的一款測試模擬軟體，重點是解決主動安全避撞系統，也可用於高階駕駛輔助系統的模擬。該軟體在2017年8月被西門子公司收購。除了新增場景之外，它還可以對感測器的特性進行模擬，重點解決控制器、各種硬體與動力學模型問題。
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體模擬方案，可以無縫連線軟硬體，快速搭建原型，一體化實現模型在環、硬體在環和系統模擬這三個完整的工作。dSPACE公司提供的模擬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，該軟體被禁用於中國軍工行業，但對汽車行業仍然是放開的。在新車型上路前的很長時間，汽車製造商及其供應商，需要使用dSPACE端到端解決方案來測試新車的軟體和硬體元件。
自動駕駛模擬軟體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製模擬，屬於傳統模擬技術公司比較擅長的領域，也是製造知識最密集的地方。它所需要的環境互動，如處理地圖軟體、搭建路網模型、與各種攝像頭、鐳射雷達等感測器交換資料等，則為致力於發展自動駕駛技術的公司所青睞。
傳統模擬公司正在抖擻精神，大力購買與智慧網聯相關的模擬軟體，以便基於傳統優勢繼續擴大市場。儘管與熱火朝天的高階駕駛輔助系統模擬的網際網路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，要多於相同點。會有一些重合，但二者賽道大部分並不相同。
小記：最後一波國際化品牌
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製造商堆積的。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。這背後，中國品牌非常耀眼。
雷諾汽車的總裁Schweitzer在2009年前後出版的《我的雷諾歲月》曾經感慨，自從八十年代後韓國汽車作為國際化最後一波崛起的品牌，此後再無聲響。儘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。
未來的一輛車裡，會有1000個晶片。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。而實時嵌入式作業系統，將在這裡光芒四射。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，這些軟體，不可不攻關。晶片、電池、嵌入式系統、互動式座艙、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，軟體是最不容易察覺的。汽車一路狂奔，重要的不是它的重量，軟肋往往來自它的軟體。
作 者
林雪萍：北京聯訊動力諮詢公司總經理，上海交大中國質量研究院客座研究員
