数字化系统解决方案开发
——据丹佛斯动力系统贸易（上海）有限公司专家欧坚冰报告录音整理
大家好！非常感谢各位能够参加这次研讨会，也非常感谢主办方和杂志社给这个机会。我在丹佛斯动力系统中国负责系统应用技术支持和系统解决方案的研发工作，在这里就“数字化的系统解决方案研发流程”，跟大家一起做一个探讨。
我们可以看到，在过去，一个标准的移动液压系统解决方案，比方说行走机械上的液压转向，最经典的配置就是一个方向盘，带一个转向器，这样可以实现最基本的转向功能，这就是标准的液压转向（见图1）。那么发展到现在有什么变化呢？我们可以看到即使只是一个转向功能，也会有非常非常多的智能化、电控方面的功能增加，比方说GPS导航转向、快速转向或者手柄转向，以及对应的一些功能安全方面的要求，这在现在的解决方案中已经非常普遍了。这反映一个很普遍的趋势，就是现在机器的智能化水平会越来越高，而驾驶员的操作越来越简单，但是对系统功能来说它本身是越来越复杂的。所以即使是这么一个简单的转向功能，它也会有一个非常复杂的构建系统的过程，这也是我们遇到的挑战。
还是以转向系统做例子，原来的一个标准转向系统，供应商以及主机厂只要花很短的时间构建这个系统以及验证、调试这个系统。现在因为要加入非常多智能化的功能，我们可以看到整个电液转向控制系统会在什么地方花费时间，比如驱动调试会需要更多的时间，构建系统需要更多的时间、验证功能安全也需要更多的时间，再把整个系统协调一致也需要花更多的时间。大家可以猜想一下，现在的系统和原来的系统所花的时间对比大概是几倍的关系？原来这样一个转向系统，它需要液压系统配置、系统调试，样机验证完成。现在如果是个电液转向系统，要配置这么多功能，要验证所有的系统设计以及功能安全，要经过样机调试验证，并且最终推向市场，它所花的时间，其实是10倍的时间。所以这是我们在设计系统的解决方案中遇到的一个最明显的挑战，我们要花差不多超过10倍的时间才能做到现在的一个智能化的要求，那么我们怎么去满足，或者说怎么去迎接这种挑战呢？
丹佛斯现在有一个数字化解决方案设计流程（见图2），我们希望用这样一个设计流程在给客户打造系统解决方案的时候，能真正迎接这个挑战，并且满足客户的要求。
第一步，根据客户的要求进行元件选型以及应用配置。一般客户会说我要做这么一个机器设备，系统会有些要求，比如爬坡度、速度、系统要怎么构建等，然后你根据客户的要求进行元件的选型以及应用的配置。
第二步，因为它是一个智能化的系统，电控系统需要配置软件。所以针对前面的这两步，丹佛斯会有专门的设计中心根据客户的要求选出对应的配置，让整个控制系统能达到客户的要求。
第三步，数字化的仿真。现在系统已经配置完成，整个液压系统的元件选型也已完成，主要的控制算法、控制功能、控制功能模块以及系统搭建也完成了，那么就可以根据整个系统的设计情况以及控制软件的设计情况在数字世界里进行仿真、进行模拟。
第四步，我们会在应用开发中心（ADC）用实车来检验选型以及模拟的成果，就是根据你的选型、根据你的模拟调试，看看在实际的测量里面它的一致性如何？它的数据验证情况怎样？有没有出现我们需要修正和反复的地方？
第五步，上一步的模拟测试完成之后，我们会把这个车发到最终客户那里进行一个真实世界的最终客户化验证，客户化验证会采用真实车辆在最恰当的一个工作环境里面去验证我们原来设计的所有系统功能以及系统状态，即所有的系统设计以及系统方案都会在最终用户那里进行验证。
第六步，是持续改进，就是当客户的实际验证完成以后，我们会根据实际工况的结果、仿真结果最后来固化整个系统设计的数字化工具。让这个工具呈现出来，以后的客户能方便进行同样的一个控制系统。比方说我们某个车辆进行了前五步的验证之后，会产生一些数字工具，可以方便以后的选型、以及不同客户的配置，这样你在真正交付类似的应用的时候，你就会非常快速的去进行一个选型，以及一个测试了。
这六步骤所形成的闭环就是丹佛斯动力系统数字化解决方案的设计流程。所有这六步，每一步有不同的内容，接下来我会用一个具体的案例，来帮助大家看看整个的设计流程在具体的案例里面是怎么做的。
打个比方，装载机液压行走的设计（见图3）。现在客户提出来，在装载机系统里需要有一个全静液压的行走系统，他提出他的想法，告诉我们需要怎么做怎么配置。我们先做一个初步元件的选型以及控制系统的选型，比方说整个装载机静液压行走系统需要一个泵，两个马达，再加上控制系统作为此静液压行走系统的一个配置，所以这个系统在第一步就完成它的元件选型，并完成了它的控制系统的选型。
图3 装载机液压行走系统设计
再往下就是应用软件的设计。当你的硬件选型完成之后，在软件设计上，需要做系统构架、功能图表、控制逻辑以及差速表的一些设计。这个设计是在初步完成选型之后，确定控制算法、控制思路、控制逻辑、以及可能预留的差速调试类型，然后把这个系统控制条件摆出来，这是第二步。
第三步就是数字仿真。仿真的应用很多，比如说元件的仿真、某一个功能系统的仿真。可以看一下左边这个图（见图4），我们真实地用一个装载机经过S形的跑道，到了真正作业区做一个铲装的作业，然后再回去，完成这么一个工作流程。我们会让一个真正的驾驶员坐在我们的试验室里面，给他身上贴上对应的一些传感器，来看他的驾驶情况是什么样子。由此我们就知道转向、铲装作业到底会经过什么步骤，他的整个操作过程是什么样子。这些数据就可以为建模做一个非常好的准备。
再往下，我们会对整个液压系统进行仿真。刚才看到第一步做了硬件的选型，行走系统是一泵二马达的静液压驱动系统，那么一个泵、二个马达，它本身在MATLAB这个工作环境下，有其对应的一个柱塞泵马达的仿真模块，再根据作业工况、驾驶员的操作情况，你就可以比较好地建立起一个初步的仿真模型。
仿真最大的作用在什么地方？一方面是深入了解你所提供的电液系统，因为你在做完前面的那几步之后，你对这个系统的了解会非常深刻；另一方面仿真模型建立之后，它可以极大改善测试环境，如果要真机测试行走功能，一个装载机就像刚才那样走一个“S弯”流程的话，最快最熟练的操作手也要一分钟左右才能完成这个工况。但是对仿真模拟，它10ms就可以完成这个事情，非常快，效率非常高。再一个，以后如果装载机在测行走的时候，突然发现某个参数不合适，要改动，让工程师去改这个参数的话，改完之后，你要把这个参数下载到对应的控制系统里面，然后再让司机跑一遍，整个过程至少要30～60分钟。但如果在系统仿真里速度就很快，你只要把参数输进去，在几分钟就完成了模拟仿真，这样的时间效率是几千倍、几万倍的节省和效率提升。
应用开发中心-调试和优化
前面说过，第四步我们会在应用开发中心做调试和优化，为什么我们一定要在应用中心来做这个事情呢？因为要积累一些现实的数据。所有做的仿真模型和现实都有一个很大的差距，只是仿真不可能解决现实的所有问题，这是不可能的。你唯一能做的就是通过物理世界的试验，再回过来去修正和优化你的仿真模型，然后让所有的物理系统和你的数字系统能真正的达到两个是共通的一个系统，这样你就只能通过应用开发中心。在中国，丹佛斯是在嘉兴海盐有个四万多平米的研发中心，我们买了不同的设备，比如买了5吨的装载机，做测试和调试，这样积累的数据就可以做一个优化，你想找到其中的一个工况，比如说是绿色线的工况（见图5），我们可以找出来这个工况是符合驾驶员在某一个档位、某一个时间的操作情况，这样你可以不断地做一个对比，你的模拟世界出来的结果是一个什么样子，然后你真实开车它又是一个什么样子，然后这两个做验证的时候，你就可以对你的模拟世界所做的数据模型做一个修正。
实地测试数据及客户反馈
做完了ABC应用开发中心的现场测试，第五步我们需要做的是实地的测试数据以及反馈，所以我们的工作方式基本是这台车到客户那里，然后根据客户的应用要求，到它实际的工况里面去作业，然后我们听取操作手的反馈，包括操作手对新配置出来的液压系统，他的感觉到底是个什么样子，原来的感觉什么样，现在的感觉什么样，觉得什么地方好，什么地方需要优化加强。与此同时，我们也会根据数据工况掌握一些数据，比方说刚才说的静液压驱动系统，我们测试下来的话，对比原来的液力变矩器的驱动方案，我们在效率上能增加3%，然后在燃油消耗上会减少21%，这是实际测试数据以及客户反馈的一个结果，相当于在不降低工作效率的情况下，让成本有了一定的优化。
数字设计产品——选型和配置工具
最后一步是数字设计产品选型和配置工具。做完前面的工作，选型已经完了，项目验证开发已经做完了，客户反馈已经做完了，大部分人认为事情已经做完了。但作为一个系统元件和系统解决方案的供应商，我们还会针对不同的客户，这个配置也许只是适合这个客户在某一个开发阶段的要求，而我们对不同客户需要能配置出不同的个性化产品。根据我们的模型和算法以及积累的数据，客户可以很方便地输入一些他想要的要求，比方说有的客户的行走速度是40km/h，但是有的客户希望能够达到45km/h，爬坡度也有一些相应的不同，客户对燃油消耗以及燃油经济性也要求不同，那么我们根据他们的不同要求，把这个输入到数字化工具里面，就可以做一个不同的选型，做一个差异化的系统配置，这样我们就很方便地把某一个应用做成标准的选型，然后也能产生个性化的一些配置和需求。
这里总结一下数字化设计流程，它主要有6点，中间核心的有3个方面，我希望给大家重点说出来（见图6）。
第一个是元件和系统的仿真，就是我们刚才说的第3步，选型大家都会，不管怎样都是根据客户的要求做对应的硬件选型，做对应的硬件系统的配置，但元件和系统的仿真，我相信这个一定是非常有价值的，我刚才也说了，它的价值点在什么地方。
第二个就是做实际的测试和修正，因为所有的仿真系统，一定和物理世界有非常大的偏差，以及很多你没有预料到的一些情况，所以你一定要做实际的测试与修正，再反过来让你的仿真模型更加合理，更接近实际的一个工作情况。
第三个就要做一些数字产品的配置工具，就是我做完一个项目并不是只为了这个项目，而是通过这个项目做出一个通用的选型和配置工具，能为以后的客户项目更快的完成系统选型。因为前面谈到现在的系统解决方案所遇到的挑战：虽然这个车开起来更简单，但系统配置更复杂了，我现在需要花10倍的设计时间去做。那么我们只有最后用一些数字化产品，才可以极大地减少客户真正在开发系统解决方案以及验证这个系统解决方案时所用的时间。
这就是我对数字化系统方案设计流程的一个分享。谢谢大家！
原文始发于微信公众号（液压气动与密封）：数字化系统解决方案开发（报告）
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