案例 | 基于机理模型驱动的工业 APP 集成开发平台及应用实践

当前工业互联网平台以生产制造环节业务为主要服务对象，但是在研发设计仿真领域缺乏相关工业软件开发平台，并且传统软件开发模式很难满足快速变化的业务需求。

基于以上问题，本文以汽车行业研发设计仿真领域为切入点，面向一线设计仿真人员，提出了该领域工业应用程序（Application,App）集成开发平台的解决方案。企业设计仿真工程师通过基础模型库和简单拖拉拽组件的方式可以快速开发以及应用工业 App 来解决业务诉求。经过验证，达到预期的效果。

1 平台设计及关键技术

1.1 平台总体框架

汽车行业工业 App 集成开发平台（简称“平台”）基于云计算总体框架分为 IaaS 层、PaaS 层、SaaS 层三个层面。如图 1 所示。

图 1 汽车行业工业 App 集成开发平台内容框架

在 IaaS 层，利用混合云纳管系统搭建了华为云和中汽数据云互通的混合云基础环境。其中中汽数据云相当于具有访问权限控制的网关+企业私有云或者私有存储区，用于保存、调用用户的机理模型数据，确保用户未公开的数据、模型、算法等知识资产在上云过程中的数据安全。而华为云则属于公有云，为所有上云用户提供平台级别的算力支持、功能服务以及知识输出渠道。在 PaaS 层，为了实现业务与底层的分离，将 PaaS 层分为业务 PaaS 环境与基础 PaaS 环境。在基础 PaaS 环境中，利用 K8S 和 docker 技术实现自动化运维、服务器动态发现、容器化等功能。在业务 PaaS 环境中，搭建具体的业务实现逻辑，包括工业机理模型开发环境、工业软件集成与适配环境、工业 App 开发环境以及工业机理模型资源组件库。在 SaaS 层，建设工业 App 生态体系，包括工业 App 云商城、供需对接中心、开发者社区，促进工业知识的输出并提供工业 App 在线使用的云化应用服务。

1.2 平台关键技术

基于平台总体框架设计，平台关键技术内容包括机理模型编译分析及求解引擎研究、工业软件集成与适配环境研究、面向汽车行业的工业 App 开发环境研究。

1）机理模型编译分析及求解引擎

本平台采用基于统一建模语言规范（Modelica）的建模方法构建统一的多领域机理模型编译、分析及求解引擎，采用统一的方式表达工业过程不同机理；提供基于输入处理输出（Input Process Output,IPO）方法的机理建模工具，并构建基于标准功能样机接口规范（Functional Mockup Interface,FMI）的模型集成环境，兼容工业过程已成熟应用的主流机理模型建模工具。机理模型编译分析及求解引擎构建包括机理模型开发工具、机理模型集成环境两部分。

（1）机理模型开发工具。面向汽车工业领域整车、总成、分总成、生产设备、故障机理等研究对象进行工业模型建模。采用自主统一的机理模型编译、分析及求解引擎实现产品设计仿真关键环节标准化的异构模型交换与数据互联互通机制，支持多领域机理模型库统一开发及统一的建模仿真。

（2）机理模型集成环境。机理模型集成工具调用机理模型协同开发与模型管理工具提供的服务，完成模型的上传与下载，实现机理型库综合管理服务，提升设计仿真人员的工作效率。通过机理模型集成平台，实现多源工具异构模型的系统级集成仿真。

2）工业软件集成与适配环境

工业软件集成与适配环境研究主要分为工业软件集成和适配环境建设两个方面。在工业软件集成方面，根据目前已有工业软件的现状分析，工业软件集成平台所涉及到的软件工具的集成一般包括数据集成、功能集成和界面集成三个部分。数据集成为功能集成提供了数据基础，界面集成为用户的使用提供交互基础，同时功能集成为界面集成提供了服务基础。

在适配环境建设方面，将工程方法及工具软件封装为可重用组件单元，基于这些可重用的组件，工程人员可根据实际业务需求通过“搭积木”的方式将这些组件进行任意组合，建立具体业务流程以实现流程的模板化，模板内部既包含了各业务操作流程节点间的逻辑关系，又包含了节点间的数据传递关系。

3）面向汽车行业的工业 App 开发环境

为打破汽车行业设计仿真人员和 IT 开发人员之间的专业屏障，加速技术经验沉淀。本平台建设可视化工业 App 开发环境，提供可视化的编程方式，拖拽完成基于机理模型微服务组件的工业 App 流程构建。同时集成多种工业软件微服务，直接对接云端代码仓库，使开发者不再受限于本地环境，在线完成工业 App 的开发。

面向汽车行业的工业 App 开发环境建设包括可视化的工业 App 开发环境研发、工业 App 关键技术与模型集成研发。功能架构如图 2 所示。

图 2 可视化工业 App 开发环境功能架构

可视化的工业 App 开发环境支持通过拖、拉、拽的方式集成工业组件库中的工业软件微服务组件、工业机理模型微服务组件等，通过组件定义和流程建模，完成对各种工业模型与工业化软件接口的封装与组装，帮助开发者快速实现工业 App 的低代码化开发。如图 3 所示。

图 3 汽车行业工业 App 开发环境界面

2 工业互联网 App 平台的应用案例

2.1 后视镜电动折叠分析工具

在使用车辆时，受现实场景中温度、角度等因素的影响，电动后视镜时常出现折叠未到位的情况。

基于此问题，利用工业机理模型开发环境，需要先对车辆后视镜的仿真模型进行开发。建模完成并测试基本符合实际场景的模型以标准 FMU 格式导入到工业 App 开发环境，系统会自动进行模型识别及组件化封装。封装好的模型可作为拖拉拽的组件实现拼装，包括前端界面和后端业务逻辑。如图 4 所示。

图 4 工业 App 开发环境设计画布

搭建完成的工程文件还需要进行一系列的软件级测试，最终由系统基于文件路径自动生成具有独立访问地址可共享的工业 App 应用。界面如图 5 所示，研发工程师在预置的输入框中输入关键参数并点击执行按钮，云化的工业 App 就可以调用云端算力加载参数运行机理模型并在 web 页面返回计算结果，如图 6 所示。

图 5 后视镜电动折叠分析 App 参数输入

图 6 后视镜电动折叠分析 App 输出计算结果

2.2 双电机转矩耦合电动汽车前向仿真工具

在工程师进行整车研发设计过程中，需要根据市场化要求设计包括百米加速度、最大行驶距离、电池容量、整车质量等车辆指标，通过不断调整车辆参数如双电机转矩策略、质量、轮胎半径、电机转矩功率以及电池串并联数量等，使得整车的百米加速度、最大行驶距离满足车辆既定的需求。因此，平台选取模型库中整车动力性模型、双电机转矩耦合模型、电机效率模型、前向仿真模型以及荷电状态（State Of Charge,SOC）模型搭建了如图的双电机转矩耦合电机汽车前向仿真工具。工程师可以通过此工具快速校核车辆性能参数。界面如图 7 所示。

图 7 双电机转矩耦合电动汽车前向仿真工具

首先，输入“目标车速、工况车速、坡度”等工况参数以及步长、结束时间等仿真参数，点击按钮得出双电机转矩耦合电动汽车前向仿真后的具体数据，包括极限加速曲线、行驶距离、电池荷电状态等曲线。通过曲线可以获得百米加速度、最大续航里程等数据，然后通过调整左侧工程师预设的变量信息对结果进行校核，最终得到满足要求的参数。

3 应用成效

相较于工业 App 的传统软件项目的开发方式，本应用案例中一线工程师利用工业 App 集成开发平台可以实现快速开发，并能够很好地将已有知识经验固化沉淀。

图 8 应用成效

从图 8 可以看出，由于工业 App 对原有知识经验的封装，使得原有开发工作的准备时间大幅降低，从平均 7 天完成一个试验变为平均 2 天，工程师的工作效率得到提升，单位时间内工程师可以开展更多的研发实验，单一实验人工成本率从 1.1 降到了 0.6，促进了整体研发工作效率提升，从原来 68.2%提升到 97.9%。

其中：

单一实验人工成本率=（一定时期内人工成本总额/同期同口径实验数量）/人工总成本；

平均设计仿真时间=（一定时期内实验总耗时/同期同口径实验数量）；

研发设计仿真效率=（研发设计仿真实验时间总额/同期工作时间总额）。

4 结束语

本文研究了工业互联网平台工业 App 方向在研发设计仿真领域的平台架构和应用场景，基于汽车行业工业 App 集成开发平台面向汽车研发设计仿真领域研发工程师的业务需求，采用 Modelica 建模技术、异构模型库管理技术、工业软件集成与适配技术、低代码开发技术等，开展了聚焦典型业务场景的工业 App 平台搭建，提高了研发设计仿真工作效率，满足了工程师对软件产品快速响应业务变化的诉求。

此外，本文实现的对设计仿真领域异构机理模型的解析及管理，以及基于机理模型组件的流程化封装也是目前同行业唯一的，为其他行业开展相关工作提供了借鉴。在后续工作中将进一步利用数据治理技术实现混合云环境下数据库资源贯通、扩展复杂模型参数定义自由度以及丰富低代码平台组件内容，实现更多场景的适配。汽车行业工业 App 集成开发平台的建设与应用，为汽车产业数字化转型升级、实现高质量发展提供了助力。