模型驅動的可視化工業App集成開發平臺分析

朱 君，李長朋，趙 甲

模型驅動的可視化工業App集成開發平臺分析

朱 君，李長朋，趙 甲

（中汽數據有限公司，天津 300380）

工業軟件及工業應用程序（App）涉及的專業領域多、范圍廣，需要一線專業人員深度參與調研與調試。為解決此問題，文章面向研發設計領域聚焦工業App的開發及應用，提出了一種基于汽車機理模型的工業App集成開發技術及平臺，論述了該平臺的設計思路和技術實現路徑，并重點論述了以汽車機理模型編譯分析及求解引擎、工業軟件集成與適配、可視化模型組件拼裝發布為核心的平臺關鍵技術，同時列舉在汽車行業的應用案例及實施效果。結果表明，該平臺能夠輔助研發設計工程師快速開發工業App，并借助工業App有效提高工作效率，促進企業提質降本增效。

工業App；工業App集成開發平臺；機理模型組件

當前工業互聯網平臺以生產制造環節業務為主要服務對象，但是在研發設計仿真領域缺乏相關工業軟件開發平臺，并且傳統軟件開發模式很難滿足快速變化的業務需求。基于以上問題，本文以汽車行業研發設計仿真領域為切入點，面向一線設計仿真人員，提出了該領域工業應用程序（Application, App）集成開發平臺的解決方案。企業設計仿真工程師通過基礎模型庫和簡單拖拉拽組件的方式可以快速開發以及應用工業App來解決業務訴求[1]。經過驗證，達到預期的效果。

1 平臺設計及關鍵技術

1.1 平臺總體框架

汽車行業工業App集成開發平臺（簡稱“平臺”）基于云計算總體框架分為IaaS層、PaaS層、SaaS層三個層面。如圖1所示。

圖1 汽車行業工業App集成開發平臺內容框架

在IaaS層，利用混合云納管系統搭建了華為云和中汽數據云互通的混合云基礎環境。其中中汽數據云相當于具有訪問權限控制的網關+企業私有云或者私有存儲區，用于保存、調用用戶的機理模型數據，確保用戶未公開的數據、模型、算法等知識資產在上云過程中的數據安全。而華為云則屬于公有云，為所有上云用戶提供平臺級別的算力支持、功能服務以及知識輸出渠道[2]。

在PaaS層，為了實現業務與底層的分離，將PaaS層分為業務PaaS環境與基礎PaaS環境。在基礎PaaS環境中，利用K8S和docker技術實現自動化運維、服務器動態發現、容器化等功能。在業務PaaS環境中，搭建具體的業務實現邏輯，包括工業機理模型開發環境、工業軟件集成與適配環境、工業App開發環境以及工業機理模型資源組件庫。

在SaaS層，建設工業App生態體系，包括工業App云商城、供需對接中心、開發者社區，促進工業知識的輸出并提供工業App在線使用的云化應用服務。

1.2 平臺關鍵技術

基于平臺總體框架設計，平臺關鍵技術內容包括機理模型編譯分析及求解引擎研究、工業軟件集成與適配環境研究、面向汽車行業的工業App開發環境研究。

1.機理模型編譯分析及求解引擎

本平臺采用基于統一建模語言規范（Modelica）的建模方法[2]構建統一的多領域機理模型編譯、分析及求解引擎，采用統一的方式表達工業過程不同機理；提供基于輸入處理輸出（Input Process Output, IPO）方法的機理建模工具，并構建基于標準功能樣機接口規范（Functional Mockup Interface, FMI）的模型集成環境，兼容工業過程已成熟應用的主流機理模型建模工具。

機理模型編譯分析及求解引擎構建包括機理模型開發工具、機理模型集成環境兩部分。

（1）機理模型開發工具。面向汽車工業領域整車、總成、分總成、生產設備、故障機理等研究對象進行工業模型建模。采用自主統一的機理模型編譯、分析及求解引擎實現產品設計仿真關鍵環節標準化的異構模型交換與數據互聯互通機制，支持多領域機理模型庫統一開發及統一的建模仿真。

（2）機理模型集成環境。機理模型集成工具調用機理模型協同開發與模型管理工具提供的服務，完成模型的上傳與下載，實現機理模型庫綜合管理服務，提升設計仿真人員的工作效率。通過機理模型集成平臺，實現多源工具異構模型的系統級集成仿真。

2.工業軟件集成與適配環境

工業軟件集成與適配環境研究主要分為工業軟件集成和適配環境建設兩個方面。

在工業軟件集成方面，根據目前已有工業軟件的現狀分析，工業軟件集成平臺所涉及到的軟件工具的集成一般包括數據集成、功能集成和界面集成三個部分。數據集成為功能集成提供了數據基礎，界面集成為用戶的使用提供交互基礎，同時功能集成為界面集成提供了服務基礎。

在適配環境建設方面，將工程方法及工具軟件封裝為可重用組件單元，基于這些可重用的組件，工程人員可根據實際業務需求通過“搭積木”的方式將這些組件進行任意組合，建立具體業務流程以實現流程的模板化，模板內部既包含了各業務操作流程節點間的邏輯關系，又包含了節點間的數據傳遞關系。

3.面向汽車行業的工業App開發環境

為打破汽車行業設計仿真人員和IT開發人員之間的專業屏障，加速技術經驗沉淀。本平臺建設可視化工業App開發環境，提供可視化的編程方式，拖拽完成基于機理模型微服務組件的工業App流程構建。同時集成多種工業軟件微服務[3]，直接對接云端代碼倉庫[4]，使開發者不再受限于本地環境，在線完成工業App的開發。

面向汽車行業的工業App開發環境建設包括可視化的工業App開發環境研發、工業App關鍵技術與模型集成研發。功能架構如圖2所示。

圖2 可視化工業App開發環境功能架構

可視化的工業App開發環境支持通過拖、拉、拽的方式集成工業組件庫中的工業軟件微服務組件、工業機理模型微服務組件等[5]，通過組件定義和流程建模，完成對各種工業模型與工業化軟件接口的封裝與組裝，幫助開發者快速實現工業App的低代碼化開發。如圖3所示。

圖3 汽車行業工業App開發環境界面

2 工業互聯網App平臺的應用案例

2.1 后視鏡電動折疊分析工具

在使用車輛時，受現實場景中溫度、角度等因素的影響，電動后視鏡時常出現折疊未到位的情況[6]。

基于此問題，利用工業機理模型開發環境，需要先對車輛后視鏡的仿真模型進行開發。建模完成并測試基本符合實際場景的模型以標準FMU格式導入到工業App開發環境，系統會自動進行模型識別及組件化封裝。封裝好的模型可作為拖拉拽的組件實現拼裝，包括前端界面和后端業務邏輯。如圖4所示。

圖4 工業App開發環境設計畫布

搭建完成的工程文件還需要進行一系列的軟件級測試，最終由系統基于文件路徑自動生成具有獨立訪問地址可共享的工業App應用。界面如圖5所示，研發工程師在預置的輸入框中輸入關鍵參數并點擊執行按鈕，云化的工業App就可以調用云端算力加載參數運行機理模型并在web頁面返回計算結果，如圖6所示。

圖5 后視鏡電動折疊分析App參數輸入

圖6 后視鏡電動折疊分析App輸出計算結果

2.2 雙電機轉矩耦合電動汽車前向仿真工具

在工程師進行整車研發設計過程中，需要根據市場化要求設計包括百米加速度、最大行駛距離、電池容量、整車質量等車輛指標，通過不斷調整車輛參數如雙電機轉矩策略、質量、輪胎半徑、電機轉矩功率以及電池串并聯數量等，使得整車的百米加速度、最大行駛距離滿足車輛既定的需求。因此，平臺選取模型庫中整車動力性模型、雙電機轉矩耦合模型、電機效率模型、前向仿真模型以及荷電狀態（State Of Charge, SOC）模型搭建了如圖的雙電機轉矩耦合電機汽車前向仿真工具。工程師可以通過此工具快速校核車輛性能參數。界面如圖7所示。

首先，輸入“目標車速、工況車速、坡度”等工況參數以及步長、結束時間等仿真參數，點擊按鈕得出雙電機轉矩耦合電動汽車前向仿真后的具體數據，包括極限加速曲線、行駛距離、電池荷電狀態等曲線。通過曲線可以獲得百米加速度、最大續航里程等數據，然后通過調整左側工程師預設的變量信息對結果進行校核，最終得到滿足要求的參數。

圖7 雙電機轉矩耦合電動汽車前向仿真工具

3 應用成效

相較于工業App的傳統軟件項目的開發方式，本應用案例中一線工程師利用工業App集成開發平臺可以實現快速開發，并能夠很好地將已有知識經驗固化沉淀。從圖8可以看出，由于工業App對原有知識經驗的封裝，使得原有開發工作的準備時間大幅降低，從平均7天完成一個試驗變為平均2天，工程師的工作效率得到提升，單位時間內工程師可以開展更多的研發實驗，單一實驗人工成本率從1.1降到了0.6，促進了整體研發工作效率提升，從原來68.2%提升到97.9%。

其中：單一實驗人工成本率=（一定時期內人工成本總額/同期同口徑實驗數量）/人工總成本；

平均設計仿真時間=（一定時期內實驗總耗時/同期同口徑實驗數量）；

研發設計仿真效率=（研發設計仿真實驗時間總額/同期工作時間總額）。

4 結束語

本文研究了工業互聯網平臺工業App方向在研發設計仿真領域的平臺架構和應用場景，基于汽車行業工業App集成開發平臺面向汽車研發設計仿真領域研發工程師的業務需求，采用Modelica建模技術、異構模型庫管理技術、工業軟件集成與適配技術、低代碼開發技術等，開展了聚焦典型業務場景的工業App平臺搭建，提高了研發設計仿真工作效率，滿足了工程師對軟件產品快速響應業務變化的訴求。此外，本文實現的對設計仿真領域異構機理模型的解析及管理，以及基于機理模型組件的流程化封裝也是目前同行業唯一的，為其他行業開展相關工作提供了借鑒。在后續工作中將進一步利用數據治理技術實現混合云環境下數據庫資源貫通、擴展復雜模型參數定義自由度以及豐富低代碼平臺組件內容，實現更多場景的適配。汽車行業工業App集成開發平臺的建設與應用，為汽車產業數字化轉型升級、實現高質量發展提供了助力。

[1] 潘燕,方文,程睿遠,等.基于中小企業的工業互聯網云平臺的研究與實現[J].工業控制計算機,2021,34 (12):1-3.

[2] 王星薇,趙甲.汽車行業機理模型的封裝及部署技術[J].汽車實用技術,2022,47(15):69-76.

[3] 蔡金瑩,向峰,周平,等.基于微服務的工業互聯網制造服務協作平臺應用研究[J].智能計算機與應用, 2022,12(7):95-100.

[4] 陳綺語.云計算資源管理平臺建設及運用[J].中國信息化,2021,328(8):54-55.

[5] 曹嚴明,曹蕤.模型驅動的低代碼平臺及其在金融業務系統遷移中的應用[J].中國金融電腦,2021,385(8): 60-64.

[6] 安陽.北京現代索納塔后視鏡折疊功能為何失效[J].汽車與駕駛維修(維修版),2022,535(2):15.

Analysis on Integrated Development Platform of Visual Industrial App Driven by Automobile Model

ZHU Jun, LI Changpeng, ZHAO Jia

( Automotive Data of China Company Limited, Tianjin 300380, China )

Industrial software and industrial application(App) involve many professional fields and a wide range, requiring the in-depth participation of front-line professional and technical personnel in research and debugging. In order to solve this problem, the paper focuses on the development and Application of industrial App in the field of research and development(R&D) and design, proposes an integrated development technology and platform of industrial App based on automobile mechanism model, discusses the design ideas and technical implementation paths of the platform, and focuses on the key technologies of the platform with the compilation, analysis and solution engine of automobile mechanism model, the integration and adaptation of industrial software, and the assembly and release of visual model components as the core. At the same time, the Application cases and implementation effects in the automobile industry are listed. The results show that the platform can assist R&D and design engineers to quickly develop industrial Apps, effectively improve work efficiency with the help of industrial Apps, and promote enterprises to improve quality, reduce cost and increase efficiency.

Industrial App; Industrial App integrated development platform; Mechanism model component

TP319

A

1671-7988(2023)03-215-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.040

朱君（1987—），男，碩士，工程師，研究方向為汽車工業App產品、汽車工業機理模型、工業App集成開發平臺、工業技術軟件化，E-mail:zhujun@catarc.ac.cn。