Verschmelzung von numerischer Simulation und realen Tests wird standardisiert

Ende September startete in Graz das EU-Projekt ACOSAR. Das Projektkonsortium besteht aus führenden europäischen Fahrzeugherstellern, Zulieferern und Forschungseinrichtungen, die gemeinsam an der notwendigen Standardisierung für modulare, verteilte und offene Systementwicklung arbeiten. Das Ziel ist die Entwicklung einer Systemschnittstelle, mit der sich Echtzeitsysteme auch über größere Entfernungen hinweg verbinden und zu einem gemischt virtuell, realen und funktionalen Prototypen zusammenführen lassen. Das Projekt wird vom Grazer Forschungszentrum VIRTUAL VEHICLE geleitet. Als Ergebnis erwartet man sich kostengünstigere Entwicklungsprozesse sowie Möglichkeiten auf neue Geschäftsmodelle.

Strengere Vorschriften der Gesetzgeber (zum Beispiel EURO VI oder „Zero Emission Zonen“), die steigende Bevölkerungszahl in Städten, der boomende asiatische Automarkt und immer individueller werdende Kundenanforderungen stellen europäische Fahrzeughersteller vor eine große Herausforderung: Der Markt braucht eine große Anzahl verschiedenster Fahrzeugvarianten - und diese führen zu zeit- und kosteneffiziente Entwicklungsprozesse in der Industrie.

Echtzeit Co-Simulation

Frühzeitige Vorhersagen und entsprechend frühe Konzeptentscheidungen sind wesentliche Erfolgsfaktoren in modernen Entwicklungsprozessen. Mithilfe von Co-Simulation können unterschiedliche Simulationsmodelle gekoppelt werden und eine gesamtheitliche Systemanalyse wird in sehr frühen Phasen der Entwicklung (Frontloading) möglich. In der Fahrzeugentwicklung bezeichnet der Begriff Co-Simulation den Ansatz, bei dem die Komplexität des gesamten mechatronischen Produkts „Fahrzeug“ mit seiner Umwelt virtuell in einer Entwicklungsumgebung abgebildet wird. Dabei werden eine oder mehrere domänen- oder fachabteilungsspezifischen Komponenten zu einem interaktiven Simulationsmodell verbunden.

Eine naheliegende Erweiterung des (nicht-echtzeitfähigen, offline) Co-Simulationsansatzes stellt die Einbindung von Echtzeitsystemen dar. Eine oder mehrere Komponenten, die als echte Hardware auf entsprechenden automatisierten Prüfständen verfügbar sind (z.B. der Motor), werden dabei direkt in das bestehende Systemmodell eingebunden. Im Rahmen des Projekts ACoRTA am Grazer Forschungszentrum VIRTUAL VEHICLE wurde etwa - gemeinsam mit den Partnern AVL List, Porsche und der TU Graz - eine neue Methode entwickelt, die diese Hardware/Software-Co-Simulation in Echtzeit ermöglicht.

ACOSAR: Weltweiter Standard

Durch die Erweiterung der Co-Simulation in die Echtzeitwelt ist es möglich, den Co-Simulationsansatz während des gesamten Produktentwicklungsprozesses durchgängig anzuwenden. Um einen breiten Einsatz gewährleisten zu können, ist ein weltweiter Industriestandard notwendig. Genau hier kommt ein neues EU-Projekt namens „ACOSAR“ (Advanced Co-Simulation Open System ARchitecture) ins Spiel.

Für die rein virtuelle Welt gibt es bereits einen weitverbreiteten Standard – das Functional Mock-up Interface (FMI). Dieses ermöglicht die Kopplung beliebiger Simulationsmodelle in einer Simulationsumgebung. Ein entsprechender Standard für Echtzeitsysteme, der die Netzwerkkommunikation miteinbezieht, ist jedoch noch ausständig, aber notwendig – denn Simulationen in Echtzeit sind unerlässlich, sobald reale Komponenten in einer ansonsten virtuellen Umgebung betrieben werden, da sind sich Experten einig.

„Mit der Etablierung des FMI for Model Exchange und Co-Simulation als Standard hat sich der Austausch von Simulationsmodellen über Toolgrenzen hinweg stark vereinfacht. Anwender profi-tieren von effizienteren Prozessen und vollkommen neuen Simulationsmethoden. Toolhersteller sparen Entwicklungs- und Testaufwand, da sie nur noch eine Tool-zu-Tool-Schnittstelle unterstützen müssen, die von zahlreichen Programmen verstanden wird. FMI ist eine direkte Antwort auf die Anforderungen des kollaborativen Entwicklungsprozesses im Bereich des Virtual Engineering und hat sich mit einer Geschwindigkeit verbreitet, die wir so nicht erwartet haben. Wir rechnen mit einem ähnlichen Erfolg der Standardisierungsbemühungen im Bereich der Echtzeit- und Testsysteme innerhalb ACOSAR.“, so Torsten Blochwitz, R&D Manager bei der ITI GmbH und FMI-Projektleiter in der Modelica Association.

Neue Lösung für die verteilte Fahrzeugentwicklung in allen Phasen

Aktuell ist die Entwicklung von neuen Fahrzeugen über viele Partner, an vielen Standorten und über viele Länder hinweg verteilt. Dies umfasst nicht nur Entwicklungsprozesse mit realen Komponenten und Systemen sondern auch die frühe Entwicklung mit Modellen und Simulation. Diese „topologisch verstreuten“ Entwicklungsaufgaben in allen Entwicklungsphasen an einem Standort zusammenzuführen ist, aufgrund des hohen Zeit- und Ressourcenaufwands, nicht vertretbar – eine interoperable Lösung ist also gefordert, die durch ACOSAR geliefert wird.

Im Projekt soll eine Schnittstelle, das sogenannte Advanced Co-Simulation Interface (ACI), entwickelt werden, mit der sich Echtzeitsysteme, auch von verschiedenen Herstellern, über topologische Distanzen hinweg verbinden und zu einem virtuellen, simulierten Gesamtsystem zusammenführen lassen. Durch die angestrebte Standardisierung soll insbesondere der dafür erforderliche Konfigurationsaufwand deutlich reduziert und damit die Effizienz von Tests und Simulationen erhöht werden.
ACI ermöglicht Automobilherstellern und ihren Zulieferern, gemeinsam komplexe Systeme effizient zu entwickeln und frühzeitig zu testen (Frontloading). Ein Beispiel für diese Systeme sind Entwicklungen im Bereich des Automatisierten Fahrens, wo die einzelnen Komponenten von verschiedenen Herstellern (Kameras, Sensoren, Analyse- und Steuerungssysteme) stammen. Bei der Umfeld-Erkennung für automatisierte Fahrfunktionen etwa können Entwickler mithilfe des ACI reale Sensoren unterschiedlicher Hersteller einfach in Gesamtsysteme zur Systemauslegung integrieren und damit reale Effekte von Sensoren sehr früh im Design berücksichtigen.

Auch für die Hersteller von Simulationstools und Echtzeit-Simulationssystemen erschließen sich durch ACOSAR neue Anwendungsgebiete und Umsatzperspektiven, da ihre Systeme im Verbund mit anderen Komponenten auch für komplexere Aufgaben einsetzbar sind.

Umfassendes Know-how durch breite Partnerlandschaft

ACOSAR wird von VIRTUAL VEHICLE koordiniert. Insgesamt arbeiten 15 Partner aus drei Ländern in diesem Projekt zusammen – darunter drei große Fahrzeughersteller (Volkswagen, Porsche und Renault) sowie zahlreiche prominente Zulieferer (AVL, Bosch, dSPACE, ETAS oder Siemens) und renommierte Forschungseinrichtungen. Vertreter aus relevanten Standardisierungsgremien (FMI, ASAM) werden ebenfalls einbezogen, um gemeinsam Lösungen und Erweiterungen bestehender Standards zu erarbeiten. Um die Lücke zwischen dem Automobilbereich und anderen Branchen weiter zu überbrücken, werden außerdem führende Vertreter, z.B. aus der Luftfahrt und dem Schienenfahrzeugbereich, als assoziierte Mitglieder von ACOSAR das Projekt unterstützen.

Klare Vorteile durch ACOSAR

Mit dem durch ACOSAR entwickelten ACI werden - trotz großer topologischer Distanzen der Entwicklungspartner - frühzeitige Tests und verbesserte Entscheidungsprozesse möglich. Automobilhersteller sowie Forschungseinrichtungen profitieren von wesentlichen Zeit-, Ressourcen- und Kostenersparnissen. Klare Vorteile gibt es vor allem auch für Klein- und Mittelbetriebe: Durch die geplante Standardisierung wird ihnen Zugang zu, ansonsten Großunternehmen vorbehaltenen, Bereichen und Geschäftsfeldern gewährt. Nicht zuletzt besteht durch die Standardisierung der ACI die Möglichkeit vollkommen neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. Innovative Formen der Zusammenarbeit, wie zum Beispiel Testbench-Sharing oder Echtzeit-Cloud-Simulation, können bald sehr einfach und unternehmensübergreifend umgesetzt werden.

Das Projekt im Überblick

Das Projekt ACOSAR verfügt über ein Gesamtbudget von 7,9 Mio. Euro, wird vom Grazer VIRTUAL VEHICLE Research Center koordiniert und bündelt das Know-how von 15 Partnern aus drei Ländern, darunter drei große europäische Fahrzeughersteller (Volkswagen, Porsche, Renault) sowie zahlreiche prominente Zulieferer und Dienstleister (AVL, BOSCH, dSPACE, ETAS, ITI, Siemens, TWT) und renommierte Forschungseinrichtungen. Während des dreijährigen Projekts (Start am 1. September 2015) kann sich das Konsortium noch um zusätzliche Partner erweitern.

Im Rahmen von ACOSAR soll eine Spezifikation für die methodische und nahtlose Integration von virtuellen und realen Komponenten definiert werden. Vorort-Anwendungen bei Industriepartnern werden die resultierende Effizienz demonstrieren und den Weg für eine Überführung in einen Industriestandard ebnen.

Projektleitung: VIRTUAL VEHICLE Research Center (AT)
15 Partner: Volkswagen AG (DE), Porsche AG (DE), Renault SAS (FR), Robert BOSCH GmbH (DE), AVL List GmbH (AT), dSPACE GmbH (DE), ETAS GmbH (DE), ITI GmbH (DE), Siemens Industry Software (FR), TWT GmbH (DE), Spath Micro Electronic Design GmbH (AT), Technische Universität Ilmenau (DE), Leibniz Universität Hannover (DE), Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (DE), VIRTUAL VEHICLE Research Center (AT)
3 Länder: Österreich, Frankreich, Deutschland

 

Bild: Modulare und offene Systemarchitekturen unterstützen die Entwicklung zukünftiger disziplinübergreifender Systeme - von der virtuellen Auslegung bis hin zum integrierten, realen Testen.

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