TrainSim：列车数字孪生技术

作者：

George Kaehler，西门子股份公司交通部

​​西门子利用数字孪生技术加速列车设计验证

引言

​1879年，Werner von Siemens发明了第一台电力机车。如今，西门子交通是全球最大的高品质轨道车辆和铁路基础设施供应商之一，可满足全球对电气化、环保和高效交通工具不断增长的行业需求。由于当今客户需要可根据其独特需求进行重新配置的灵活车辆平台，我们必须提高平台交付速度，同时确保最高的质量标准。

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通过测试虚拟化加速产品开发  

​以前，对于新型列车的行业标准调试周期至少为6个月。由于需要进行大量物理测试，估计每天的测试成本为1万美元。计划外测试造成的任何延迟都会带来延误交期的风险，这不仅会降低客户的信任度，还会导致高额的合同罚款。 

​西门子的愿景是交付满足客户需求的复杂列车系统，并为客户提供更多价值。由于物理测试时间与新系统的复杂程度和新颖程度成正比，我们需要采用新的方法以避免长期延迟。 

​我们的目标是：

• 降低测试的总体成本和预测难度，以更准确地预测所需时间、资源和预算
• ​缩短测试时间以满足短期交付期限，并加快新技术上市速度
• ​产品日益复杂但质量不打折扣

​因此，西门子采用了仿真策略，构建了一个“TrainSim”仿真系统，其中每个电子和软件组件都可以在集成为产品之前进行测试。TrainSim则更进一步，通过数字化表示每个组件，无需离开笔记本电脑，工程师即可在“真实列车”中测试软件。TrainSims在完全仿真环境或“TrackSim”中运行，后者可准确再现列车可能遇到的各种场景，从地理地形到隧道中受干扰的GPS信号，甚至包括由树叶和天气导致的滑轨。

​应用程序方法

​我们的策略围绕数字孪生概念展开。大型模型库代表每个列车组件的特性（软件、硬件、通信和原理图）。不同于传统方法的是，我们从单一架构转向使用模块化架构。不再创建代表整个车辆的单一模型，而是专注于精心设计或建模任何小型组件（例如机电开关）以及大型设备和控制器。通过这个包含数百个组件的库，我们可以与车辆开发团队同步从头开始“构建”数字列车。每晚我们都会整合所有最新进展，为开发人员提供车辆开发的当前状态。该周期确保他们每天都能获得最新信息，这对于有效实施此解决方案至关重要。

​该方法还具有其他优势，如可根据开发历史状态轻松重新测试组件，从而帮助查明故障。我们还可以随时“中断”列车，从而在组件、子系统或系统级别上同样轻松测试实际硬件。 

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为了交付该系统，我们维护着500多个不同的测试台和系统，每个都运行不同的软件配置并配备不同的硬件。此外，每个组件均可通过成千上万种配置进行实时调试。 

​标准化对于管理如此庞大而复杂的测试基础设施至关重要，我们在设计全程均采用标准模板，以简化在复杂系统中创建规则和调试的过程。鉴于应用程序的复杂性，任何工程师都无法完全掌控。我们通过这些标准提升透明度，确保每个人能够有效作出贡献。此外，持续进行的维护和管理工作可确保在整个架构开发过程中始终保持一致的质量。

​尽管创建复杂的模型库和测试台需要大量前期投资，但这种方法经证明是一种经济高效的测试业务模式。众所周知，在开发时间、物理测试、产品质量和交付进度方面加以节省，已多次为该项目带来回报。 

​跨职能合作

​除了技术之外，该项目成功的关键在于我们致力于在整个设计过程中与工程师进行合作。如需实现增值，就不能只专注于单一任务，而是必须了解整个产品设计工作流程中每个任务的价值，针对每个任务以及任务之间的转移进行优化。测试团队需要倾听、参与和不断努力了解工程师的需求，而不是为了在产品设计会议中赢得一席之位，将自身观点强加给他们。这种参与促进了HIL和数字孪生方法在产品类别中的应用和推广。 

​这种信任也使小型工程师团队能够为大量产品类别提供服务。每个团队可以专注于自身领域，追求卓越：设计团队专注于系统、我们专注于列车数字孪生，而NI专注于测试软件和设备。如果在彼此信任的基础上做好自己的本职工作，整个团队就会变得更强大。

​NI工具和生态系统的使用

​在西门子，我们希望工程团队专注于设计更好的产品，而不是浪费时间重新创建测试基础设施中的行业标准。之所以选择NI平台，是因为它提供市场上最全面的I/O、嵌入式控制器和测试开发软件。我们在数百个连接至NI测试软件的NI机箱中使用了数千个NI模块。此外，NI的开放式架构可灵活引入第三方组件，甚至可以根据需要开发定制组件。

• ​NI LabVIEW是我们的首选开发工具，其图形化语言和完整环境直观且高效。本文中的主要用例是开发单个组件模型。
• ​NI VeriStand可提供仿真环境，我们只需改变信号映射即可将仿真组件与真实组件进行交换。关键优势在于该生态系统的适应性和开放性，支持紧密集成LabVIEW、MathWorks® Simulink®软件和其他语言。
• ​PXI平台可提供我们所需的仪器，具有高通道密度，外形紧凑小巧。
• ​NI CompactDAQ硬件可为调理测量提供小巧、耐用的解决方案。与LabVIEW的轻松集成使其成为整个实验室的常见选择。 

​成功开发系统

​我们的模块化列车仿真系统是行业首创，可为客户带来巨大价值。列车的复杂程度与客机相当，但由于每个客户都有其独特的要求，因此产量低、生产环境高度混合。优质数字孪生测试策略：

• ​降低成本，在设计过程早期发现问题，从而防止演变为系统性问题：这可能会为物理测试和后期产品重新设计节省大量资金
• ​缩短产品上市时间，设计验证调试时间缩短至几周：这是一项重大改进
• ​通过识别传统或物理测试无法检测到的极端情况缺陷，提高质量

​我们几乎可以测试每种新组件配置，从而在不降低质量的情况下，以极具竞争力的价格将高度复杂、定制化的产品快速推向市场。

​助力未来开发

​我们的目标是为车辆提供数字孪生技术，不仅是为整个公司，还包括我们的客户和供应商——从最初的构想到车辆报废的整个过程都涵盖在内。我们在设计周期早期引入测试有助于尽早发现缺陷，从而提高列车质量、节省时间和成本。为实现这一目标，我们必须将模型访问权限扩展到西门子的数千名工程师，并可能还要扩展到供应商、维护团队、合作伙伴和客户的数千名人员。

​每位工程师都可以访问仿真测试环境，从而开发出质量更好、性能更可靠的列车，并提高客户和用户对我们产品的满意度。  

​作者信息：

​George Kaehler， 

​西门子交通有限公司