Las empresas tendrán que integrar todos los componentes y subsistemas avanzados necesarios para el desarrollo de un sistema de conducción autónoma en una plataforma de vehículo totalmente eléctrico, manteniendo la autonomía y capacidades de rendimiento óptimas.
La industria automovilística está viviendo una transformación a gran escala. Los cambios tecnológicos, las presiones sociales y las normativas medioambientales obligan a los vehículos a ser más sostenibles, seguros, accesibles e inteligentes. En respuesta a estas tendencias y presiones, los fabricantes de automóviles están apostando por la electrificación y siguen invirtiendo en el desarrollo de funciones de conducción automatizada y vehículos autónomos (VA).
El desarrollo de vehículos autónomos será cada vez más importante para el mercado mientras siga aumentando la competencia para producir vehículos con características nuevas y avanzadas. Hoy en día, los fabricantes automovilísticos deben centrarse en el desarrollo de características y funciones avanzadas para destacar en un panorama cada vez más competitivo. A medida que aumenta el énfasis en las funciones avanzadas de los vehículos autónomos, también aumenta el reto del diseño para los ingenieros.
Los fabricantes automovilísticos tendrán que transformar aspectos fundamentales de sus empresas y organizaciones para satisfacer las demandas del futuro de la movilidad. Los años de desarrollo en sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS por sus siglas en inglés), electrificación de vehículos, software, electrónica y otras tecnologías están dando sus frutos, generando un cambio masivo en la composición del mercado automovilístico.
En el futuro de la movilidad abundan los retos de diseño
Los vehículos modernos son mucho más complejos que los de hace una década. Este aumento de la complejidad es el resultado de múltiples avances tecnológicos en la industria automovilística. La creciente estandarización de los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) ha contribuido a aumentar la potencia de procesamiento a bordo y el número de sensores, actuadores y redes en los vehículos modernos (figura 1). También se han generalizado los sistemas avanzados de infoentretenimiento, que muchos incluyen funciones de conexión para mejorar la experiencia de los pasajeros y actualizaciones por aire, lo que aumenta la complejidad de las redes eléctricas y electrónicas (E/E) y el software de los vehículos, entre otras cosas.
La potencia de estos procesadores a bordo y la sofisticación del software del vehículo seguirán creciendo a medida que se desarrollen los sistemas de autoconducción. Los VA incorporarán algunos de los dispositivos electrónicos más complejos de la historia. Por ejemplo, los SoC que proporcionan inteligencia a bordo probablemente estarán entre los más avanzados hasta ahora, ya que registran y analizan terabytes de datos por segundo desde los distintos sistemas de sensores del vehículo.
El software de los vehículos también ha evolucionado desde las funciones integradas de bajo nivel hasta los sistemas de software para todo el vehículo que pueden gestionar y controlar múltiples funciones del vehículo. Los vehículos autoconducidos tendrán un software aún más complejo que incorporará el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para procesar los datos de los sensores, tomar decisiones y enviar instrucciones a todo el vehículo en tiempo real. Por lo tanto, los distintos subsistemas y ámbitos que componen un vehículo autodirigido, desde la electrónica y el software hasta los sistemas mecánicos, tendrán que interactuar continuamente mientras el vehículo está en marcha para apoyar este flujo de información a través del vehículo.
A medida que aumenta la complejidad de los vehículos, las empresas tendrán que integrar todos los componentes y subsistemas avanzados necesarios para el desarrollo de un sistema de conducción autónoma en una plataforma de vehículo totalmente eléctrico, manteniendo al mismo tiempo una autonomía y unas capacidades de rendimiento óptimas. Algunas estimaciones sitúan la penalización de la autonomía de un sistema de conducción autónoma en torno al 15%, debido a la demanda de energía eléctrica de los distintos sensores, mecanismos y dispositivos de procesamiento. Otros retos de esta integración consisten en garantizar que las redes del vehículo puedan soportar las necesidades de datos de un VA y la creación de una carrocería atractiva, de forma que las cámaras y otros sensores sean discretos en el exterior del vehículo.
La digitalización ayuda a las empresas a superar los desafíos del futuro
Por lo tanto, ¿cómo puede una empresa superar los retos de diseño que plantean los VA, teniendo en cuenta los cientos de miles de interacciones que pueden producirse en los subsistemas del vehículo? ¿Y cómo se pueden comprender las posibles repercusiones de un cambio de diseño a lo largo de todo el ciclo de vida del producto, incluidos los ecosistemas de fabricación y cadena de suministro? 
Comienza con una transformación digital para el proceso de diseño de vehículos. La transformación digital permite a las empresas adoptar un nuevo enfoque del desarrollo y la ingeniería de soluciones de movilidad, vinculando todo su ciclo de vida a través de una red troncal digital que permite que la información fluya por toda la organización. Incluso las empresas asociadas pueden incorporarse de forma segura a la red troncal digital, lo que garantiza una colaboración más rápida y sencilla entre las organizaciones y favorece el rendimiento de cuentas con respecto a los objetivos generales.
La clave de este enfoque es un gemelo digital completo que abarque todos los aspectos del diseño y la fabricación del vehículo. Con un gemelo digital de este tipo, las empresas automovilísticas pueden eliminar los obstáculos entre los equipos de ingeniería de los ámbitos eléctricos, electrónicos, de software y mecánicos. Esto no sólo ayuda a las empresas a superar la complejidad de los VA, sino que también fomenta una nueva cultura de colaboración e innovación que les permitirá afrontar los desafíos futuros.
Entender el contexto general
El primer paso en el diseño de un nuevo VA consiste en describir el comportamiento previsto del vehículo, el entorno operativo y los objetivos de rendimiento. Es decir, los ingenieros deben determinar cómo funcionará el vehículo, cómo interactuará con el mundo exterior y el ecosistema en que se integrará. Esta descripción incluye cómo interactuarán los distintos subsistemas del vehículo, así como las normativas pertinentes, las capacidades de fabricación y la cadena de suministro. En el caso de un VA, esto se extiende incluso a la infraestructura inteligente que rodea al vehículo: semáforos inteligentes, sistemas de gestión del tráfico urbano, etc.
Este proceso da lugar a una imagen del sistema de sistemas del vehículo y su entorno operativo. Para comenzar el diseño, esta imagen debe transformarse en un conjunto de requisitos y restricciones que definan el espacio de diseño, las limitaciones y las capacidades que necesitará el vehículo. Tradicionalmente, los equipos han intentado describir, desglosar y descomponer estos requisitos en toda la organización mediante un enfoque basado en documentos. Pero este planteamiento no es suficiente para hacer frente a la complejidad de los VA.
Gracias a la digitalización, estos requisitos que definen el panorama general del proceso de diseño pueden integrarse en el ciclo de vida del producto, lo que hace que el proceso de descomposición de los requisitos en toda la organización sea estructurado y rastreable. El resultado es una perspectiva más clara y detallada al más alto nivel de lo que debe hacer el vehículo, cómo debe comportarse, qué tamaño debe tener, qué tipo de parámetros de rendimiento debe cumplir y cómo interactuarán los distintos sistemas. A medida que se descompone esta descripción de alto nivel, los equipos de ingeniería obtienen objetivos y restricciones específicos para guiar el desarrollo de cada componente y subsistema.
Por ejemplo, un requisito de alto nivel para un VA consiste en que el vehículo pueda detectar objetos (otros vehículos, infraestructuras, peatones, etc.) en un radio de 360 grados a su alrededor. La fragmentación de este requisito puede identificar los tipos de sensores y la cantidad de cada uno de ellos necesarios para lograr una visibilidad de 360 grados, así como la ubicación óptima de cada uno de ellos en la carrocería del vehículo. Si se descompone aún más, pueden surgir restricciones sobre el tamaño y la ubicación de estos sensores debido al embalaje, la potencia, las propiedades térmicas, etc. Con estos requisitos, los ingenieros pueden empezar a diseñar y colocar los sensores, asegurándose de que se satisfacen los distintos requisitos y restricciones.
La digitalización facilita la colaboración para enfrentarse a la complejidad
La digitalización del proceso de diseño de automóviles también puede mejorar y acelerar el trabajo de diseño de los distintos equipos de ingeniería que participan en la creación de un VA. El flujo de información en un proceso de diseño digitalizado no es unidireccional. Del mismo modo que los requisitos y las restricciones se descomponen y se transmiten en cascada a cada uno de los equipos de diseño, los datos de diseño de componentes y subsistemas, los resultados de las simulaciones y los cambios pueden comunicarse hasta el nivel del vehículo e incluso a través de otros equipos y dominios de ingeniería.
La capacidad de comunicarse rápida y eficazmente entre distintos ámbitos será fundamental. Los VA se basarán en sistemas de electrónica, software, dispositivos mecánicos y estructuras altamente integrados, así como en una arquitectura de red cada vez más complicada que lo unirá todo. Tradicionalmente, el desarrollo de estos sistemas se produce de forma aislada, lo que provoca problemas de integración cuando finalmente se unen. Como consecuencia, muchas empresas dedican hasta 50% de su programa a los procesos de integración.
La digitalización permite a los equipos de ingeniería, incluso entre el OEM y los proveedores, empezar a trabajar juntos en una fase temprana del proceso de diseño. Los gemelos digitales avanzados para vehículos permiten crear un hilo digital que conecta personas, proyectos, modelos y datos para abordar con eficacia estos problemas complejos. Las soluciones digitalizadas para el diseño y la simulación de circuitos electrónicos, CAD mecánico, dinámica de fluidos computacional (CFD, computational fluid dynamics por sus siglas en ingles), arquitecturas eléctricas y electrónicas (E/E), etc., ayudan a los equipos de ingeniería a diseñar desde una perspectiva holística del vehículo.
Los datos de ingeniería están disponibles para todas las partes interesadas, lo que permite simulaciones multidominio, optimización del diseño y verificación/validación temprana del trabajo de diseño. A medida que los sistemas se diseñan y perfeccionan para cumplir los requisitos, las soluciones de ingeniería digital también pueden ayudar a los equipos a evaluar y elegir entre las opciones de diseño según el coste, las propiedades térmicas, el consumo de energía, la utilización de la ECU, el peso y mucho más. Además, los cambios de ingeniería pueden comunicarse rápidamente a todos los equipos afectados, lo que garantiza que todos estén al día durante todo el proyecto del vehículo.
El resultado es un sistema de sistemas que se integra continuamente a lo largo del ciclo de vida del diseño y el desarrollo. Los problemas se resuelven a medida que se detectan, lo que reduce el número de problemas al final del ciclo de desarrollo y agiliza los tiempos de ciclo en general.
Crear el futuro de la movilidad a través de la digitalización
Uno de los grandes retos del futuro de la movilidad es superar la enorme complejidad que implica casi todos los aspectos del diseño de los VA. Las metodologías tradicionales de diseño de automóviles, que se basan en el seguimiento de los requisitos mediante documentos y en ámbitos de ingeniería compartimentados, presentan deficiencias fundamentales a la hora de abordar esta complejidad.
Hace falta adoptar un nuevo enfoque para el desarrollo de vehículos. Los fabricantes de VA deben adoptar la digitalización y romper los límites que a menudo existen entre los dominios de ingeniería y las fases de desarrollo del producto. La clave de este enfoque es un gemelo digital integral que capture todos los aspectos del diseño del vehículo. Con un gemelo digital de este tipo, los fabricantes de vehículos pueden conectar a los equipos de ingeniería de los ámbitos eléctrico, electrónico, de software y mecánico. En última instancia, esto significa que los fabricantes de VA podrán diseñar, verificar y validar plataformas de VA, garantizando los estándares más altos de seguridad, fiabilidad y comodidad para los pasajeros.
En el centro de esta transformación está el concepto de un gemelo digital completo del vehículo, que abarca todos los aspectos del vehículo y su entorno, a lo largo de todo su ciclo de vida. Este gemelo digital se convierte en la base del desarrollo de productos, capaz de ofrecer más información, reducir el tiempo del ciclo de desarrollo, mejorar la eficiencia y aumentar la agilidad del mercado.