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汽車研發(fā)技術(shù)的演變與趨勢

德國人卡爾·佛里特立奇·奔馳在1885年研制出世界上第一輛馬車式三輪汽車，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，汽車已經(jīng)遠遠超出了作為一種交通工具的意義，作為一種技術(shù)產(chǎn)品，它具有了功能價值和性能價值；作為一類工業(yè)集群，它具有了文化價值和產(chǎn)業(yè)價值；作為一種地位象征，它具有了身份價值或社會價值。本篇文章將重點討論賦予產(chǎn)品高價值技術(shù)屬性的汽車研發(fā)技術(shù)模式，以回顧歷史、把握趨勢。

 
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汽車研發(fā)技術(shù)1.0
Physical Test-Driven Design
（物理測試驅(qū)動的設(shè)計）
 
汽車作為一種大眾消費商品，必須滿足基本的功能要求，動不動就罷工消費者是不可接受的，比如“剎車不能失靈、發(fā)動機不能突然熄火、車身要防腐防銹不能開裂”等。從汽車發(fā)展歷史來看，把為了滿足基本功能和追求部分高性能的汽車研發(fā)技術(shù)模式，可以總結(jié)為是一個“知識設(shè)計、經(jīng)驗判斷、試驗修正、試驗驗證”的不斷螺旋式上升的迭代過程，即汽車研發(fā)技術(shù)1.0時代，其時間跨度長達一百多年。
 
在汽車研發(fā)技術(shù)1.0時代的早期，汽車設(shè)計的知識是有限的、工程師的經(jīng)驗是有限的、試驗標(biāo)準的制定是需要時間檢驗的、使用的工具和流程也是原始的，也就是說處處都要創(chuàng)新，導(dǎo)致了研發(fā)周期長，限制了產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長。在汽車研發(fā)技術(shù)1.0時代的后期，汽車設(shè)計的知識完備了、工程師的經(jīng)驗豐富了、試驗標(biāo)準完善了、使用的工具和流程也進步了，確實有效縮短了研發(fā)周期，促進了產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展，但依然難以適應(yīng)消費者不斷增長的市場需求。
 
在汽車研發(fā)技術(shù)1.0時代，產(chǎn)品開發(fā)的一個顯著特點是“試驗是檢驗設(shè)計的唯一標(biāo)準”，即“物理測試驅(qū)動設(shè)計”。由于試驗是檢驗設(shè)計有效性、可靠性的唯一選擇，導(dǎo)致工程師難以對不同的設(shè)計方案中作比較研究，試驗通過即該設(shè)計問題終止，試驗不通過才繼續(xù)嘗試其它設(shè)計方案，因此，技術(shù)1.0是以尋找可以解決設(shè)計問題的技術(shù)方案為目標(biāo)，而不是為了選擇較優(yōu)的設(shè)計方案，相比于當(dāng)前的技術(shù)手段，是一種典型的非理性決策。
 
汽車研發(fā)技術(shù)2.0
Simulation-Driven Design
（仿真驅(qū)動的設(shè)計）
 
汽車除了作為消費者高頻使用的代步工具之外，充分競爭的市場環(huán)境還需要汽車具有競爭力的性價比，比如，在相同的價格下，具有更好的駕駛體驗、舒適性、耐久、安全性等。在技術(shù)1.0時代早期和中期，在不顯著增加研發(fā)成本和開發(fā)周期的條件下，操穩(wěn)性能可以通過底盤調(diào)教不斷提升，NVH性能可以通過后期測試不斷堵漏，整車耐久問題可以通過打補丁不斷彌補，總之，對初始設(shè)計方案存在的問題，通過“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的方式，可以在避免“動手術(shù)”的情況下實現(xiàn)力挽狂瀾。

隨著上路的汽車越來越多，導(dǎo)致汽車交通事故造成的傷亡不斷上升，為了降低事故造成的傷亡，在上個世紀90年代，歐洲、北美等西方市場開始研究、發(fā)布整車碰撞安全測試的強制性法規(guī)，并不斷完善，同時，市場上的非盈利機構(gòu)，推出了對車輛安全性能更苛刻的星際評價，客觀上促進了主機廠汽車安全設(shè)計能力的提升，比如，1959 Chevrolet Bel Air與2009 Chevrolet Malibu在被動安全性能上存在顯著的差異。


整車耐撞性設(shè)計與其它性能存在一個顯著區(qū)別，要滿足強制法規(guī)和星際評價要求，“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的方式已經(jīng)行不通了，如果不滿足要求，必須得修改初始設(shè)計方案，甚至是推倒重來，試想一下，整車樣車已經(jīng)試制出來了，碰撞安全測試不能通過，得重新修改設(shè)計方案，并且重新設(shè)計也不一定能解決問題，研發(fā)成本和研發(fā)周期將是一個無底洞，可以直接導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)的失敗。因此，整車耐撞性設(shè)計加劇了主機廠對可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷的仿真技術(shù)的強烈需求，以減少試驗、降低成本、縮短周期。 

在上個世紀六七十年代，仿真技術(shù)于產(chǎn)生于美國航空航天和軍工的特定需求，初期在商業(yè)或民用領(lǐng)域并沒有得到廣泛的應(yīng)用。在技術(shù)1.0時代后期，隨著仿真技術(shù)在汽車研發(fā)領(lǐng)域的小范圍應(yīng)用，主機廠已經(jīng)嘗試到了仿真技術(shù)的甜頭，但還不是“剛需”，直到整車耐撞性設(shè)計將仿真技術(shù)變?yōu)橹鳈C廠的“剛需”之后，市場上出現(xiàn)了許多專門針對汽車行業(yè)開發(fā)的前處理軟件和求解器，然后擴散到其它行業(yè)，在上個世紀90年代，汽車研發(fā)進入了技術(shù)2.0時代，即“仿真驅(qū)動設(shè)計”。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，在汽車行業(yè)基本形成了“全領(lǐng)域、全流程、全方位”的仿真技術(shù)格局，將汽車研發(fā)周期由5年推進為3年，并顯著降低了研發(fā)成本，促進了汽車行業(yè)的技術(shù)進步，可以說，仿真行業(yè)與汽車行業(yè)實現(xiàn)了雙贏。
 
汽車研發(fā)技術(shù)2.0將汽車設(shè)計由非理性決策轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢蘩硇詻Q策，即工程師可以選擇已知方案中最優(yōu)的，以保證凍結(jié)的設(shè)計方案是已經(jīng)被仿真技術(shù)驗證滿足試驗測試要求的，不存在由于性能設(shè)計缺陷導(dǎo)致的被設(shè)計變更的技術(shù)風(fēng)險。仿真技術(shù)顯著增強了汽車設(shè)計的創(chuàng)新力度，加速了工程經(jīng)驗積累，減少了試驗驗證頻率，因此，技術(shù)2.0可以總結(jié)為“知識設(shè)計、經(jīng)驗判斷、仿真修正、試驗驗證”。
 
汽車研發(fā)技術(shù)3.0
Bigdata-Driven Design
（大數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計）
 
隨著社會的發(fā)展與進步，汽車需要搭載的功能越來越多、需要應(yīng)對的碰撞法規(guī)越來越嚴苛，使得在過去30多年中整車重量增加了將近一倍，額外增加了發(fā)動機油耗，給社會帶來了巨大的環(huán)保壓力。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，車重減小10％，可降低6％～8％的油耗，可減少5%～6%的排放，根據(jù)國家節(jié)能減排要求，2015年CO2排放155g/km，2020年CO2排放112g/km，因此，汽車輕量化逐漸成了各主機廠需要研究的核心技術(shù)之一，同時，由于汽車電動化導(dǎo)致整車重量相比傳統(tǒng)燃油車更重，為了增加續(xù)航里程，進一步加劇了對汽車輕量化的技術(shù)需求。
 
汽車輕量化包含三個技術(shù)方向，即結(jié)構(gòu)輕量化、材料輕量化和工藝或制造輕量化。對主機廠而言，由于存在供應(yīng)商資源，新材料輕量化和新工藝輕量化相對容易實現(xiàn)，但成本是巨大的阻力，只有結(jié)構(gòu)輕量化可以實現(xiàn)一箭雙雕的效果，因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計或創(chuàng)新設(shè)計成了主機廠的主攻方向，仿真技術(shù)作為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的必要手段，再一次展現(xiàn)了其重要的技術(shù)優(yōu)勢。
 
在技術(shù)2.0時代前期，仿真技術(shù)應(yīng)對性能設(shè)計可以說游刃有余；在技術(shù)2.0時代中期，由于基礎(chǔ)重量實在是太重，利用仿真技術(shù)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以較好的實現(xiàn)輕量化與性能之間的平衡；在技術(shù)2.0時代后期，剩下的全是硬骨頭，當(dāng)前許多主機廠的輕量化技術(shù)現(xiàn)狀是“雷聲大、雨點小”，依賴于知識邏輯與仿真技術(shù)的輕量化設(shè)計已經(jīng)寸步難行。
 
汽車輕量化為何會如此之難？一個技術(shù)方案的實施，需要考慮非技術(shù)因素，如“屁股決定腦袋”，技術(shù)因素，如布置空間、工藝制造、成本控制、重量控制、周期控制，性能控制——NVH性能、耐久性能、耐撞性能——前碰撞、側(cè)碰撞、頂壓、后撞等，任何一個單一因素均可對技術(shù)方案進行一票否決，因此，用“過五關(guān)斬六將”、“劫后余生”來形容一個實施的技術(shù)方案，一點都不為過。
 
汽車輕量化為何會如此之難？技術(shù)2.0是基于知識邏輯與仿真技術(shù)的有限理性決策，面對解決性能問題可以秒殺，但面對輕量化問題則束手無策，打個比方，攻城在即，派一個班的戰(zhàn)士去攻城，面對強大的防御力量，豈不是炮灰無疑？因此，仿真技術(shù)作為一種解決問題的工具或手段，在汽車輕量化技術(shù)要求下，其本身的缺點開始逐漸暴露。
 
首先，仿真技術(shù)是支撐工程師進行創(chuàng)新設(shè)計的有效手段，只能增加勝算，不能決定勝算，離開創(chuàng)新設(shè)計，汽車輕量化將是空中樓閣、無緣之木；其次，一個有價值的輕量化技術(shù)方案需要對所有潛在技術(shù)細節(jié)問題，進行全面研究和論證，而不是停留在一個純粹的概念，而仿真技術(shù)僅能解決其中小部分問題；最后，仿真技術(shù)價值的體現(xiàn)只是在產(chǎn)品開發(fā)一個特定的時間段內(nèi)才有意義，過了時間節(jié)點，其價值將突變?yōu)榱?，而仿真技術(shù)自身的使用是需要時間成本的，注定了在有限的時間內(nèi)只能驗證有限的技術(shù)方案，并且工程實踐已經(jīng)表明有限的方案中較大部分也變成了炮灰，因此，期望通過仿真技術(shù)實現(xiàn)集團化的打擊是行不通的。
 
汽車輕量化為何會如此之難？以在Euro Car Body會議上展示的車身設(shè)計為例，主機廠對其正向開發(fā)的新產(chǎn)品，都會從結(jié)構(gòu)、材料和工藝三個方向進行全面的輕量化研究，展示的成果表示在其自身各種約束條件下是已經(jīng)達到了最優(yōu)解的設(shè)計。車身結(jié)構(gòu)設(shè)計是否還存在一定的減重空間呢？答案是不存在，比如GM的車身減重是以“克”為單位來計算的。假設(shè)存在真實的減重空間，“想撿漏”則意味著對主機廠產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)能力的挑戰(zhàn)、歷史經(jīng)驗的挑戰(zhàn)、開發(fā)流程的挑戰(zhàn)，面對相同的約束條件和相似的技術(shù)手段，憑什么可以挑戰(zhàn)主機廠的技術(shù)開發(fā)能力呢？ 
 
“路是走出來的”，憑什么就不能挑戰(zhàn)主機廠的技術(shù)開發(fā)能力呢？從劉慈欣的科幻小說《三體Ⅲ·死神永生》中提出的一個“降維打擊”的概念，可以得到有益的啟發(fā)。從技術(shù)1.0到技術(shù)2.0，就是一個經(jīng)典的“降維打擊”案例，通過仿真技術(shù)升級，構(gòu)建一個全新的技術(shù)2.0體系，實踐已經(jīng)證明解決技術(shù)1.0面臨的技術(shù)困境，就如同捏死一只螞蟻一樣簡單嘛！技術(shù)2.0使得汽車產(chǎn)品開發(fā)實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。
 
在技術(shù)2.0體系下，“降維打擊”的概念說明，與主機廠在同一個技術(shù)維度下，想要解決項目開發(fā)“魚和熊掌想兼得”的問題是不可能的。基于相同的解決思路，可以構(gòu)建一個全新的汽車研發(fā)技術(shù)3.0體系解決技術(shù)2.0的技術(shù)困境，從而實現(xiàn)“降維打擊”，只是需要升級的對象不是技術(shù)而是思維，即由基于知識邏輯的技術(shù)創(chuàng)新向基于拿來主義的大數(shù)據(jù)思維升級。
 
什么是拿來主義？技術(shù)創(chuàng)新是個好東西，但創(chuàng)新有風(fēng)險、創(chuàng)新有成本、創(chuàng)新須謹慎，在汽車研發(fā)傳統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，創(chuàng)新設(shè)計的難度已經(jīng)達到了物極必反的程度，比如車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要創(chuàng)新來解決工程問題嗎？真的不需要。在汽車工程領(lǐng)域，如果工程師認為解決其工程問題的技術(shù)方案是一種技術(shù)創(chuàng)新，就需要好好想想一個問題，為什么上百年來全世界同領(lǐng)域的工程師就沒想到過呢？難道是因為自己特牛？一旦如此反問自己，就會醒悟，想跟傳統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計創(chuàng)新較勁百分之九十九的可能性是白搭，還是踏踏實實的研究Benchmark來得實惠，成本低、信心足、風(fēng)險小、少走彎路、立竿見影，只有站在巨人的肩膀上才能看的更高更遠、才能在有限的工作時間內(nèi)比別人成長的更快。

什么是大數(shù)據(jù)思維？簡單說，就是對汽車工程問題進行完全理性決策，即工程師所作的決策是在邏輯上存在的所有可能方案中選擇最優(yōu)的。以B柱設(shè)計為例，從邏輯上考慮所有的設(shè)計變量，根據(jù)排列組合計算，B柱的設(shè)計存在2308種真實的設(shè)計方案，按照完全理性決策，某車型B柱的設(shè)計流程應(yīng)該是：確定B柱設(shè)計約束條件，然后對2308設(shè)計方案進行定性篩選，接著采用仿真技術(shù)對定性篩選的方案進行定量篩選，最后確定最終的設(shè)計方案并做細節(jié)上的優(yōu)化；按照有限理性決策，某車型B柱的設(shè)計流程是：確定B柱設(shè)計約束條件直接設(shè)計或沿用一個BASE方案，采用仿真技術(shù)對其進行驗證并做細節(jié)優(yōu)化，最后確定最終的設(shè)計方案。前者B柱的最終設(shè)計方案一定是最優(yōu)解，但不完全是一個數(shù)學(xué)問題，后者是最優(yōu)解的條件是BASE方案的選取剛好落在前者最優(yōu)解的附件，在BASE方案附近尋求最優(yōu)解是局部最優(yōu)解而不一定全局最優(yōu)解。
 
汽車研發(fā)技術(shù)3.0體系會是什么樣子？如何利用大數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計？其實質(zhì)是建立一個高度完善的汽車研發(fā)知識數(shù)據(jù)平臺，保證每一個進入知識數(shù)據(jù)庫的技術(shù)解決方案，均是在技術(shù)2.0條件下已經(jīng)被充分驗證了的、成熟的技術(shù)方案，讓工程師遇到的任何細節(jié)設(shè)計、任何難易程度的技術(shù)問題，在知識數(shù)據(jù)庫中都可以快速的找到現(xiàn)成的解決方案，直接執(zhí)行即可，“知其然不需要知其所以然”、“關(guān)心是什么不需要關(guān)心為什么”，因此，工程師對技術(shù)方案的思考、討論、論證都是不必要的。
 
在技術(shù)3.0體系下，工程師的作用類似于醫(yī)院門診的醫(yī)生，根據(jù)患者描述的癥狀，判斷引起癥狀的病因，依據(jù)病因直接從藥方庫中開出針對性的“藥方”，患者回去吃藥，最后藥到病除，患者看病的時間可能就半個小時以內(nèi)，試想一下，如果醫(yī)生需要花很長時間弄清病因，然后又需要花更長時間研究出一個“藥方”，那黃花菜都涼了。因此，技術(shù)3.0可以簡單總結(jié)為“判斷問題、查找方案、執(zhí)行方案”，對現(xiàn)有汽車研發(fā)體系，流程需要變革、技術(shù)需要變革、思路需要變革，將會如同技術(shù)2.0秒殺技術(shù)1.0一樣，再一次實現(xiàn)“降維打擊”。
 
汽車研發(fā)技術(shù)4.0
Artificial Intelligence-Driven Design
（人工智能驅(qū)動的設(shè)計）
 

如何實現(xiàn)汽車研發(fā)技術(shù)3.0的“降維打擊”，將是一個艱巨的大工程，需要工程師積累大數(shù)據(jù)，并對大數(shù)據(jù)進行挖掘或標(biāo)注，建立知識數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對價值數(shù)據(jù)的高效管理與利用，知識數(shù)據(jù)庫的完善程度可以讓工程師“想到即得到”。突然，一個驚奇的發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)出來了，技術(shù)3.0的思維模式與人工智能技術(shù)不是高度吻合嘛！技術(shù)3.0不就是在為人工智能技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用做前期準備工作嘛！
 
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汽車研發(fā)技術(shù)4.0是基于大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，將汽車項目流程管理與知識數(shù)據(jù)庫進行深度結(jié)合，研制出一個“汽車研發(fā)超級大腦”，“超腦”將具有絕對管理權(quán)威、嚴格執(zhí)行項目流程、懂所有專業(yè)技術(shù)細節(jié)、精力無限永不疲勞，可以直接對工程師和供應(yīng)商的項目任務(wù)進行發(fā)布、跟蹤、提醒、評估、考核，并針對問題提供高效解決方案，在整體上主導(dǎo)對項目運行的監(jiān)督、協(xié)調(diào)和管理及資源整合。
 
在技術(shù)4.0體系下，工程師的工作重點將在于嚴格的執(zhí)行任務(wù)，只需對“超腦”負責(zé)，不需要跟同事交流、不需要對領(lǐng)導(dǎo)負責(zé)，因為工程師將不需要知道自己的同事和領(lǐng)導(dǎo)是誰、在哪里，工程師可以在任何地方、任何規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)，甚至可以同時給多個“超腦”提供服務(wù)。
 
汽車研發(fā)技術(shù)4.0，將使得汽車研發(fā)模式由“矩陣化管理”向“中心化管理”轉(zhuǎn)變，“降維打擊”的效果將會顯著超出前面兩次，可以肯定的一點是：從技術(shù)1.0到技術(shù)3.0，人始終都是最關(guān)鍵、最核心的要素，但對于技術(shù)4.0來說，一部分工程師將會失去工作崗位，造車的最后一道技術(shù)門檻汽車研發(fā)將被資本徹底攻破；可以想象的一點是：如果人工智能技術(shù)按以下路徑發(fā)展：“工具”具有使用智能；制造“工具”的“工具”具有制造智能；研發(fā)“工具”的“工具”具有研發(fā)智能，當(dāng)“超級大腦”具有情感智能，世界將會怎樣？



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