由於连接商用模拟软体和执行整车模拟所涉及的复杂性，设置可扩展、容易使用的平台，用来建构、执行大量的整车模拟及处理模拟结果是必要的。本文说明如何使用物件导向原则来设计车辆模拟介面（VSI），以及如何使用VSI让模拟在公司内部大众化，并且运用平行处理来扩展模拟工作量。

车辆产业的工程师逐渐加深对模拟的仰赖来评估车辆操控性、加速度、续航力及其他关键指标。相较於实体测试，透过模拟进行车辆性能评估不但速度更快，费用也显着降低。此外，整车模拟可以让设计工作提早在取得原型硬体之前的开发流程初期开始进行。然而随着体认到车辆模拟在成本和效率上为企业组织内带来的好处，对於模拟的需求增加，却也导致相应的一连串挑战。

由於连接商用模拟软体和执行整车模拟所涉及的复杂性，设置一组由具备必要专业能力的模拟工程师组成的专门团队非常合理。但该团队却很快地被来自各利害关系人的要求所淹没包含属性工程师、性能工程师、动态工程师、续航力和效率工程师，以及高阶管理团队。仅仅是执行这些团队所要求的大量模拟也有可能成为瓶颈，特别是在这些模拟是在商用软体以序列执行的时候。最後，缺乏标准化的车辆资料，再加上对模拟结果的特殊後处理，让工程师们只能拼命寻求黄金来源资料及经过证实的方法来报告成果，又加重了困难程度。

Rivian团队开发了一个可扩展、容易使用的平台，用来建构、执行大量的整车模拟及对模拟结果进行後处理。这个车辆模拟介面（Vehicle Simulation Interface；VSI）是透过MATLAB和Simulink开发，可以减少冗馀、增加重复利用，并且透过平行处理改善模拟吞吐量。平台还包含使用App Designer建立的直觉化使用者介面，让整间公司的工程团队能够大众化地存取模拟，消除模拟要求的瓶颈（图一）。

图一 : VSI使用者介面

本文说明如何使用物件导向原则来设计VSI，以及使用VSI让模拟在公司内部大众化，并如何运用平行处理来扩展模拟工作量。

VSI的物件导向设计

当我们开始设计VSI平台，物件导向途径显然会是达成在灵活性、可扩展性和重复利用等目标最直接的方法。一开始先清楚地定义几个基础物件：车辆、负载状况、以及模拟。在这个情境车辆物件被用来代表一辆Rivian车，例如R1T、Rivian R1S，或Rivian EDV（此为电动送货车）。这个物件也代表车辆的架构，其中定义了特定的电池组、电力总成、轮胎、前後驱动元件，以及其他组件。负载状况物件使用来定义一个模拟情境，其中包含一个速度轮廓、周围情况、以及驾驶轮廓。VSI的模拟物件在这里只是一个车辆物件案例与特定负载状况物件的配对（图二）。

图二 : VSI模拟包含一个特定车辆架构以及预定义的负载状况

站在编程的角度，模拟的概念可以被视作一个组成VSI平台基本架构的上层级别。该上层级别里面的属性包含可以藉由使用者介面来选择的车辆架构与负载状况属性，以及一组建立模型、执行模拟、进行後处理、挑出指标、以及分享结果的方法（图三）。

MATLAB的物件导向编程能力，帮助VSI平台将这些级别架构建立成一个简单明了的施行流程。MATLAB处理物件（MATLAB handle objects）在封装模拟之中所有内含的资讯时（不仅是车辆和负载状况，还包含使用者设定、结果、与指标）特别有用，还可以有效率地在VSI内运送资讯，无须至资料。这些物件可以接着被转换为後设资料（metadata）文本档案并封存，协助我们从後设资料重新建构物件来重制任何的历史模拟。

图三 : VSISim上层级别，包含模拟输入和执行方法

模拟大众化与重复使用最大化

我们将VSI部署为MATLAB工具箱和一个以MATLAB Compiler建立的独立执行档，让没有安装MATLAB的同事也有办法使用。透过简易的方式使用VSI，团队执行模拟或取得结果不再需要等待模拟工程师的协助。

VSI介面的左侧（如图一所示），可选择车辆架构及负载状况，介面右侧呈现一个模拟的色彩编码清单。红色代表模拟尚未执行，绿色代表模拟完成，琥珀色代表模拟是以过时的资料完成，例如在有新的元件资料出现，或者模型被更新时会发生这种情况。

值得注意的是，VSI的模拟结果是共享的；工程师可能会发现团队中的其他成员或者另一个完全不同的团队已经完成其想要执行的模拟。像这样站在巨人肩膀地利用既有模拟的优点，工程师可以立即存取结果，不需要浪费时间，也不需要计算执行完全相同且没有必要的模拟需要的资源。

当工程师定义并选择了要执行的模拟，便按下标示着「Run & Post-Process」的按钮（如图一所示）。该模拟会透过一个MATLAB API，使用Simulink和商用模拟的组合在後台被开启（图四）。

图四 : 丛集模拟的工作流程图，以及VSI介面显示5个在排程上的模拟（蓝色标示）。紫色状态代表模拟执行中；红色代表待完成的模拟。

当个别模拟完成，记录的资料会送回MATLAB工作区域，资料会在这里处理并转换成Apache Parquet资料档案格式，最後封存在共用的目录。我们也开发了一组MATLAB程式脚本，该程式脚本汇集资料来产生关键指标、对照在需求管理系统设定的目标回报模拟状态、产生自动化报告，来为Rivian的高阶管理层总结关键性能指标。

以平行处理扩展

在VSI使用者介面之中，工程师可以选择要以自家本地机台的多核心平行地执行模拟，或者是在远端的Amazon Web Service （AWS）丛集执行（图五）。本地机台的选项会使用到Parallel Computing Toolbox（平行处理工具箱），通常在工程师希??测试模型更新和变更时使用。远端的选项是基於运行MATLAB Parallel Server的AWE EC2 Instances，用在模型经过测试和验证的生产阶段。

图五 : VSI的平行处理选项

在远端的平行处理工作流程，由MATLAB Parallel Server和MATLAB Job Scheduler扮演仪器的角色。VSI首先从MATLAB Parallel Server呼叫parcluster 函式，建立一个基於事先已经定义的AWS EC2轮廓的丛集物件。在帮每一个要被平行执行的模拟建立好模拟物件之後，VSI接着在丛集建立一个工作，并且为每一个模拟各建立独立的任务。

这项工作和其任务都会使用MATLAB Job Scheduler来提交至AWS EC2 Instance，MATLAB Job Scheduler是负责协调执行工作和将任务分配给个别丛集工作者的工具。模拟完成时，在结果之前於丛集上执行的MATLAB後处理函式会被封存并分享。对於大型工作，远端平行处理的选项速度快非常多，例如那些可能包含14个冗长模拟的工作，可以在68分钟内完成任务，而若采用序列的方式可能会需要超过9个小时（图六）。

图六 : 依序列（黄色）、本地平行处理（蓝色）、和远端平行处理（红色）等方式的模拟时间基准评价。

过去六个月，Rivian已经使用VSI来执行超过9,000次整车模拟，总共模拟驾驶了大约2百万英哩。

改善规划

透过MATLAB和Simulink来设计并建立VSI平台促使达成关键目标。我们为工程师和非工程师建立一个相同的单一平台来执行整车模拟、後处理结果、并且产生报告。除了消除模拟要求上的瓶颈、降低模拟任务冗馀，以及增加模拟的再利用；也透过在AWS丛集或本地工作站上的多个核心来平行地执行模拟以极大化吞吐量。

我们已经为VSI规划了几项改善，包含将平台部署为网路应用程式，增加一个仪表板来呈现关键性能指标，以及提升在使用者介面使用实验设计（design of experiments；DOE）的流畅性。同时持续开发并扩大Rivian的MATLAB Minimart，这里收集了自行建立的MATLAB工具箱，各具备了资料转换与检视、启动和停止分析，以及其他各种经常需要的能力。

（本文由??思科技提供；作者Adithya Vignesh Jayaraman任职於Rivian公司）