Jiří Socha: Když se auta testují virtuální simulací

9. prosince 2022 / Ve zkušebním centru bezpečnosti a elektroniky TÜV SÜD Czech v Bezděčíně stále bydlí ve speciální místnosti s konstantní teplotou testovací figuríny. Crash testy jsou a budou v mnoha případech stále potřebné. Ale budoucnost testování v oblasti mobility se posouvá směrem k chytrým nedestruktivním zkouškám a k virtuálním simulacím. Slovník testovacích inženýrů se v poslední době obohatil například o výrazy jako „saňová dráha s katapultem a k ní digitální dvojče testovaného objektu“ nebo „robotická platforma s měkkým cílem pracující v diferenciální GPS síti“. Jak říká Jiří Socha, ředitel divize Mobility a prokurista společnosti TÜV SÜD Czech a zároveň člen představenstva AutoSAPu, s nástupem autonomních systémů a kybernetické bezpečnosti bude nových testovacích metod přibývat.

Motem vaší divize ve společnosti TÜV SÜD Czech je „Baví nás hýbat světem mobility“. Co tím chcete říct?

Poslání TÜV SÜD je po celou dobu naší více než stopadesátileté historie stejné a zavazující: chráníme živé bytosti a prostředí před negativním vlivem nových technologií. Někdy a pro někoho může být těžké přizpůsobit se a těmto novým technologiím důvěřovat. My prostřednictvím našich testů a certifikátů tuto důvěru zástupcům firem i veřejnosti poskytujeme. Tím, že se nespokojíme se současným stavem, sledujeme trendy a vyvíjíme stále nové zkušební postupy, zároveň předvídáme další technologický vývoj a tím ho pomáháme posouvat vpřed.

A taky to heslo znamená, že nás v TÜV SÜD práce na těchto projektech opravdu baví.

Jak se celkově odráží ve vaší činnosti nové trendy v oblasti automotive?

Začnu tím, co se nemění. Poslání TÜV SÜD je stále stejné. Také postupy, které při naší činnosti používáme, jsou v základu stejné: Podíváme se na průmyslový celek, výrobek nebo jeho části a buď ho otestujeme nebo jinak posoudíme a vyjádříme se k tomu, jestli je ve shodě s předpisy a s pravidly pro bezpečnost. A pokud tomu tak je, vydáme certifikát. V automobilové hantýrce je tím certifikačním aktem homologace vozidla.

Co se týče nových trendů, ty se do naší činnosti silně promítají. Vedle stále ještě převažujícího zkoušení tradičních spalovacích motorů je to dnes také testování alternativních pohonů, jak hybridních a bateriových, tak i těch s palivovými články. Podíl těchto testů samozřejmě poroste. A druhou novou oblastí jsou pokročilé asistenční systémy řidiče, nebo chcete‑li, budoucí autonomní řízení. S tím vším souvisí i využití nových metod v testování.

Jiří Socha, ředitel divize Mobility a prokurista společnosti TÜV SÜD Czech, člen představenstva AutoSAPu

Jiří Socha, ředitel divize Mobility a prokurista společnosti TÜV SÜD Czech, člen představenstva AutoSAPu. Foto: Barbora Mráčková

Zmiňujete nové metody testování. Při návštěvě vašeho zkušebního centra v Bezděčíně mě zaujala jedna z nich: nedestruktivní testy, které můžou v některých případech plně nahradit klasické crash testy. Jak zařízení na simulaci nárazu funguje?

V naší laboratoři pasivní bezpečnosti v Bezděčíně využíváme zařízení, na kterém je buď celá karoserie, nebo příslušná část vozidla podrobena takovému simulovanému zatížení, kterému by byla vystavena při skutečném čelním nebo bočním nárazu.

TÜV-SÜD chrání před negativním vlivem nových technologií.

Při reálném crash testu je auto na zkušební dráze urychleno proti pevné bariéře. Výsledkem je náraz, jehož parametry uvnitř testovaného vozu jsme schopni naměřit, převést a naprogramovat je do našeho zařízení a provést reverzní test tak, že namísto zpomalení testovaný vzorek urychlujeme. Simulujeme tedy náraz tak, že takzvaný katapult, který je součástí zkušební saňové dráhy, vozidlo přesně řízeným průběhem síly „vystřelí“ s tím, že takto simulovaný náraz má na interiér vozidla a cestující stejné účinky jako skutečný náraz do pevné bariéry.

Podobně jako při reálném testu jsou i v tomto případě vozidlo nebo jeho část osazeny množstvím senzorů. Data z nich se během testu ukládají do black boxů. Na jejich základě se pak vyhodnocuje to, co interiér vozidla „prožil“.

A co prožila v něm posazená figurína.

Ano. I zkušební figurína je osazena mnoha senzory, aby bylo možné vyhodnotit její biomechanickou odezvu – to je často to nejdůležitější z celé nárazové zkoušky. Přestože auto do žádné překážky reálně nenarazí, můžete vidět, jak se aktivují airbagy a jak by zádržné systémy ovlivnily dynamickou odezvu osoby, která by byla uvnitř vozidla. Na základě získaných dat pak můžete ladit časování aktivace airbagu nebo jeho tvar, ale třeba také chování předepínačů bezpečnostních pásů a dalších součástí vozidla.

Výhodou této metody je její výborná opakovatelnost. Důležité je ale hlavně to, že při každé zkoušce nezničíte prototyp nového vozu tak, jak by tomu bylo při skutečném crash testu. Jediné, co při takových zkouškách podléhá zkáze, jsou samozřejmě aktivované zádržné systémy, nikoliv však karoserie nebo snad celé vozidlo. To všechno šetří čas i peníze.

Jak se v poslední době změnily figuríny? V čem jsou jiné než ty před dvaceti lety?

Figurína je vždy přijatelným zjednodušením lidského těla. Dnes máme k dispozici různé generace figurín, dokonce jsou speciálně vyrobené pro určité druhy nárazů. Některé mají větší citlivost na čelní náraz, jiné na boční. Vývojáři a výrobci si dali velkou práci s tím, aby pečlivě napodobili jednotlivé části lidského těla. Figurína musí zajišťovat jistou biofidelitu, tedy podobnost s chováním lidského těla, aby se na ní dalo dokumentovat, co by náraz s lidským tělem způsobil.

Určitě přibylo veličin, které se na figuríně měří, dnes jsou jich stovky. Měří se například zrychlení hlavy ve třech osách, ohybové momenty na krku, zatížení pánve, stlačení hrudníku, posuvy v kolenech, možné poškození stehenních kostí a mnoho dalších veličin.

Dříve to bylo tak, že z každé figuríny vedl od snímačů tlustý svazek kabelů, kterými proudila data, tedy naměřené hodnoty, do black boxů. Dnes už žádný kabel není třeba, figurína si ukládá data „sama v sobě“, což má i tu výhodu, že její pohyb při nárazu není kabelovým svazkem nijak ovlivněn. Data se pak stáhnou a vyhodnotí se biomechanická odezva figuríny. Výstupem je informace o tom, k jakému zranění by při daném nárazu došlo.

Jak se naměřené hodnoty vyhodnocují?

Existují jasná mezinárodní biomechanická kritéria daná pevnými vztahy, které určují převod mezi naměřenými fyzikálními veličinami a tomu odpovídajícími zraněními, ke kterým by došlo. Tady není prostor pro žádnou naši interpretaci.

Je metoda akceleračního testování na saňové dráze s katapultem něčím unikátním, nebo jsou takové zkoušky už ve světě běžným standardem?

Takové zařízení, jako máme my, je tím nejlepším, co dnes zkušební technologie v dané oblasti nabízí. Je to jedna z nejmodernějších metod, které se při testech tohoto druhu používají.

TÜV SÜD ale vyvíjí i vlastní metody testování, případně zdokonaluje ty stávající. Můžete uvést příklad?

Když zůstaneme u zmíněných nedestruktivních testů, vyvinuli jsme nad rámec toho, co je dnes standardem, evropsky unikátní postup, který kombinuje tento nedestruktivní fyzický test s virtuální simulací. Vedle fyzického testu vytvoříme ve virtuálních simulacích digitální dvojče celého systému, které si s realitou na saňové dráze v postupných iteracích vyměňuje informace. Simulujeme takhle třeba děje při bočních nárazech. Dostaneme tak představu o deformaci boční struktury vozidla při nárazu, aniž by se zničilo celé vozidlo. Nositelem této znalosti je právě TÜV SÜD Czech.

Hlavním přínosem těchto metod je potom úspora času i nákladů.

Jak často a kde všude se dá při testování využít virtuální realita?

Všude tam, kde je možné spolehlivě sesbírat data, správně popsat zkoumaný celek a vytvořit matematický model. Tento model je samozřejmě vždy jistým zjednodušením reálné soustavy. Zjednodušení jsou možná jen tam, kde nebudou mít vliv na simulaci podstaty děje, který sledujete. Matematický model – digitální dvojče – se musí následně s pomocí testů validovat, aby bylo jisté, že jeho chování je v důležitých parametrech shodné s chováním reálné soustavy.

Využití virtuálních postupů je dalším přirozeným stupněm nejen v hodnocení pasivní bezpečnosti, zvlášť významnou roli bude hrát při testování systémů autonomní jízdy.

Když zůstaneme u testování pasivní bezpečnosti, není vytvoření digitálního dvojčete dražší než reálný crash test?

To je dobrá otázka. Vytvoření matematického modelu a jeho validace jsou samozřejmě nemalým nákladem, ale návratnost a vhodnost takové počáteční investice se projeví při určitém počtu provedených simulací. V reálném světě by se ničila stále další a další vozidla, zatímco prostřednictvím virtuální reality můžeme vytvářet neomezené množství kombinací, kterými ověřujeme třeba správné časování airbagu při různých podmínkách nárazu.

Nebo konkrétní příklad u většího vozidla: při homologaci autobusu musíte posoudit mimo jiné pevnost jeho nosné konstrukce. Ta se posuzuje tak, že je autobus stojící na zkušební rampě převržen na bok a následně je hodnocen prostor pro přežití cestujících. Takovým testem se autobus samozřejmě nenávratně zničí a zkoušený vzorek po testu putuje do šrotu. Právě u autobusů, kterých se ročně vyrábí třeba jednotky tisíc, znamenají virtuální testy v poměru k počtu prodaných kusů velkou úsporu. V porovnání s osobními vozidly, jejichž sériovost je řádově vyšší a kterých se tedy následně vyrobí a prodá o mnoho více, má taková úspora pro výrobce největší význam.

Říkal jste, že významné je využití virtuálních simulací u testování systémů autonomní jízdy.

Ano, to je trend, který se rychle rozvíjí. Virtuální simulace se využívají hlavně ve fázi vývoje pokročilých asistenčních systémů řidiče, které by měly v budoucnu vést ke zcela autonomnímu řízení. Je proto jasné, že systémy musí být prověřené v mnoha situacích, které je těžké v celé šíři představitelných variant fyzicky vytvořit a následně v reálném prostředí vyzkoušet. Čili je velmi těžké naplnit ambici, že všechny scénáře, kterým může autonomní systém čelit, budeme schopni otestovat fyzicky. Ve světě virtuálních simulací můžeme naproti tomu simulovat všechny rozumně předvídatelné kombinace dopravních situací včetně dalších vozidel, různorodé dopravní infrastruktury nebo třeba chodců při řádově jiných nárocích na prostor a čas.

Hlavním přínosem virtuálních simulací je úspora času a nákladů.

U autonomních systémů tedy můžeme mluvit o jakési pyramidě testů. Na vrcholu budou v mém odhadu desítky povinných homologačních testů, které prověří vozidlo v základních jízdních stavech a které budou určitě probíhat z velké části fyzicky, v budoucnu i virtuálně.

Druhou vrstvu budou představovat vývojové testy nad rámec schvalovacích povinností. Výrobci si určitě budou chtít otestovat systémy třeba v „drsnějších“ podmínkách, než jsou povinné zákonné požadavky. Tyto testy budou kombinací fyzického a virtuálního testování a budou jich odhadem stovky až tisíce.

Základna pyramidy zahrne všechny ostatní scénáře, které je třeba vzít v úvahu při návrhu systému, ty se budou prověřovat virtuálním modelem. Protože, jak jsme si řekli, fyzicky by to nebylo možné z časového ani finančního hlediska.

Dá se říct, že virtuální simulace v testování autonomních systémů jsou už běžnou součástí zkoušek v TÜV SÜD?

Musím pochválit celou skupinu TÜV SÜD za to, že se začala na příchod autonomních vozidel včas připravovat a troufnu si proto říct, že dnes jsme v oblasti virtuálních simulací pro automatizovanou jízdu lídrem trhu mezi zkušebními organizacemi. A navíc dovedeme velmi šikovně spojovat virtuální testy s těmi fyzickými.

Všechny asistenční systémy, Advanced Driver Assistance Systems, zkráceně ADAS, testujeme podle platné legislativy, metodik výrobců nebo globálních konsorcií, jako je například EuroNCAP. Jde třeba o testy pokročilých brzdových systémů, adaptivních tempomatů nebo systémů pro podporu jízdy v jízdních pruzích.

Česká republika byla vaší skupinou vybrána jako jedna ze startovacích lokalit pro projekt Highly Automated Driving, tedy automatizovaného řízení. Co to pro vás znamená?

Ano, byli jsme mnichovskou centrálou TÜV SÜD vybráni společně s Německem a Singapurem. Zaměřujeme se na využívání simulačních nástrojů pro modelování chování systémů vozidel včetně funkční bezpečnosti a kybernetické bezpečnosti.

V oblasti fyzického zkoušení vozidel disponujeme sofistikovanou technikou. Testovací tým TÜV SÜD Czech je vybaven robotickou platformou s měkkým cílem a řídicím a pedálovým robotem. Veškeré vybavení pracuje v diferenciální GPS síti s vysokou přesností určení pozice, rychlosti, zrychlení a dalších parametrů. Testování kolizních situací probíhá opět bez rizika zničení testovaného vozidla či testovací techniky.

Jiří Socha. Vystudoval Katedru automobilů fakulty strojní ČVUT v Praze, část doktorského studia strávil v německém Centru pro letectví a kosmonautiku blízko Mnichova. Po návratu nastoupil jako specialista na matematické simulace do tehdejšího Ústavu pro výzkum motorových vozidel (dnešní TÜV SÜD Czech), kde se na různých pozicích věnoval zejména aktivní a pasivní bezpečnosti vozidel. Od roku 2014 je ředitelem divize Mobility TÜV SÜD Czech a zároveň prokuristou společnosti. Již pátým rokem je členem představenstva Sdružení automobilového průmyslu a od června letošního roku také členem Rady vlády České republiky pro bezpečnost silničního provozu. Foto: Barbora Mráčková

Pro které klienty a co konkrétně testujete?

Můžu říct jen to, že testy systémů automatizovaného řízení provádíme pro přední evropské značky. Zdá se mi ale, že oblast autonomního řízení teď trochu trpí ztrátou pozornosti – možná ještě pod vlivem covidu a jeho dopadů na dodavatelské řetězce nebo také proto, že se velká pozornost výrobců vozidel právem soustředí na zpřísňování emisních předpisů pod agendou Green Deal a na související oblast alternativních pohonů a elektromobility.

Zmiňujete elektromobilitu. Ještě jsme si neřekli, jak konkrétně se nástup nových pohonů odráží ve vaší práci.

Už dnes se zabýváme měřením výkonu a spotřeby elektrických vozidel, což je vlastně podobné tomu, co měříme u spalovacích motorů. U elektromobilů samozřejmě nehodnotíme emise, navíc ale posuzujeme jejich dojezd. To se dnes dělá jedním laboratorním cyklem podle normy WLTP. Očekávám ale, že v budoucnosti určitě přibydou další a náročnější testy, do kterých se budou promítat třeba výraznější výkyvy teplot a další vlivy, které se dnes nesledují. Testy se tedy více přizpůsobí reálným podmínkám. V tom vidím budoucnost.

Testuje TÜV SÜD také samotné baterie?

Ano, ale ne v České republice. Zkušební laboratoře na testování baterií máme v Německu a v Asii.

Je ještě něco v oblasti mobility, co se na rozdíl od Německa v Česku nedělá?

Ano. Divize Mobility v Německu je tradičně silná v provádění technických kontrol vozidel, u nás známých jako STK. Tuhle oblast jsme na českém trhu vůbec neobsadili, protože TÜV SÜD sem vstupoval v době, kdy už byl trh rozebraný našimi konkurenty. Strategické rozhodnutí tedy bylo tuhle oblast aktivit zatím neotevírat.

 Už vám prošel zkušebnou nějaký čínský vůz?

Čínská auta jsme zatím netestovali. Spolupracujeme ale s našimi čínskými kolegy a pro ně už jsme nějaké komponenty testovali.

 Máte už nějaké zkušenosti s testováním komponent nebo systémů pro vozy s palivovými články?

Ano. Provádíme například zkoušky, kterými prověřujeme chování vodíkových nádrží při nehodě. Zkouška se provádí způsobem, o kterém jsme již mluvili – simulovaným nárazem na saňové dráze. Už jsme ale také testovali a homologovali autobusy na kombinovaný pohon, který obsahoval i vodíkové palivové články.

Kromě vodíku jsme schopni podrobit zkouškám i komponenty do vozů na další alternativní plynná nebo syntetická kapalná paliva.

Je jasné, že se do vaší práce promítá obecně technologický pokrok, ale také nové předpisy a legislativa, jak česká, tak evropská. Co se týče nových předpisů, dostáváte informace včas, abyste se na to mohli připravit?

Je pravda, že rozvoj předpisové základny pro nás často znamená nějaké další investice a dovybavení. Ale přináší nám také nové kompetence, takže chceme‑li i nadále být lídrem středoevropského trhu a hrát roli kompetentního partnera evropskému automobilovému průmyslu, nestačí se jeho vývoji pouze přizpůsobovat. Snažíme se proto hrát aktivní roli a třeba ve vývoji zkušebních metodik dokonce ukazovat budoucí trendy. Tím se vracím k našemu sloganu o tom, že nás baví hýbat světem mobility.

Dovolte mi ještě jednu poznámku k nástupu ostře sledovaných změn v emisních předpisech: Pro nás i pro výrobce v oblasti automotive by bylo samozřejmě příjemnější, kdyby se chystané změny oznamovaly včas a systematicky. Příkladem je norma Euro 7, jejíž podoba byla dlouho neznámá a termín, kdy by měla začít platit, je spíše předmětem politických dohod. To velmi komplikuje život nám i výrobcům, protože na přísnější podmínky se nelze připravit ze dne na den.

Pro TÜV-SÜD i pro výrobce v oblasti automotive by bylo určitě příjemnější, kdyby se chystané změny předpisů oznamovaly včas a systematicky.

TÜV SÜD Czech se před několika lety angažoval v přípravách na vybudování národního polygonu v České republice. Proč podle vás tyto plány skončily bez výsledku?

Máte správné informace. TÜV SÜD Czech skutečně sehrál v době „před covidem“ velmi aktivní roli v přípravách na budování národního polygonu, který by byl k dispozici celému českému automobilovému průmyslu a vysokým školám k testování různých stupňů autonomních vozidel. Záměr byl poměrně daleko, my jsme už ve spolupráci s dopravní fakultou ČVUT začínali zpracovávat takzvanou studii proveditelnosti. Pak přišla pandemie, úspory a ministr Havlíček tento projekt zastavil.

Jednotlivé subjekty dnes řeší potřebu testovacích ploch vlastními silami. Jestli je to dobře, nebo ne, si dnes bez znalosti dat o dopadech takového rozhodnutí na český automobilový sektor netroufám hodnotit.

Kde testujete vy?

Máme dlouhodobě v pronájmu zkušební plochu na letišti v Mnichově Hradišti a využíváme také zkušební polygon Škodovky v Úhelnici. V areálu tohoto polygonu máme dokonce vlastní laboratoř pro zkoušky z oblasti aktivní bezpečnosti.

Jedním z nejmladších oborů – i v testování – je kyberbezpečnost. A ta se týká i systémů u vozidel.

Kybernetickou bezpečnost je třeba řešit u těch systémů, kde lze předpokládat, že mohou být zasaženy zvenčí a že takový cílený zásah může vést k úniku dat nebo dokonce může ovlivnit chování zasaženého systému. U vozidel si to lze představit třeba tak, že někdo zvenčí převezme částečně nebo zcela řízení.

Jak takové testy kybernetické bezpečnosti vypadají? Vámi najatí hackeři se snaží proniknout do systému?

Také. Kybernetická bezpečnost už se promítla i do předpisů EHK OSN a její posouzení stojí na několika pilířích. První pilíř posuzuje systém řízení podniku výrobce. Tedy to, jak firma celkově funguje a zda testovaný produkt vzniká v prostředí, které dává předpoklady k tomu, aby byl bezpečný. Druhý pilíř se už zaměřuje na vozidlo a studuje celkovou architekturu řídicích jednotek a vnitřní řídicí logiku vozidla.

Třetí pilíř je ten vlastní penetrační test, který jste zmínila. Provádí ho takzvaní etičtí hackeři, kteří se pokoušejí nabourat systém. V případě, že se jim to nepovede a vše dobře dopadne, nebo je riziko prolomení vyhodnoceno jako přijatelné, následuje certifikační akt.

Takže vy už máte své etické hackery?

Laboratoř na penetrační testy právě budujeme. Ano, máme už i dva etické hackery.

Jste členem představenstva Sdružení automobilového průmyslu a z tohoto titulu zastupujete AutoSAP v radě BESIP. Co je hlavní agendou, kterou se zabýváte?

BESIP je garantem realizace Národní strategie bezpečnosti silničního provozu. Cílem je zvýšení bezpečnosti a významné snížení počtu usmrcených a těžce zraněných osob na pozemních komunikacích. Bezpečnost provozu stojí na třech základních prvcích: řidič, dopravní infrastruktura a vozidlo. Zjednodušeně řečeno, já v BESIPu reprezentuji vozidlo, přesněji tedy jeho výrobce. To, o čem se teď hodně mluví, jsou asistenční systémy v automobilech. Naposledy jsme diskutovali o tom, jak vozidla umí číst dopravní značky. Cílem je zajistit takovou spolupráci mezi výrobci vozidel a těmi, kdo zodpovídají za dopravní infrastrukturu a výchovu řidičů, abychom se s tragickými důsledky dopravních nehod potkávali co nejméně. Sníží se s nástupem autonomních vozů nehodovost? Vidím tam obrovský potenciál. Je pravda, že dnes ještě tyto systémy nejsou dokonalé, ale jsme teprve na začátku cesty. Každá technologie potřebuje nějaký čas na to, aby byla dostatečně spolehlivá a získala si tak důvěru uživatelů.

Libuše Bautzová

 

O SPOLEČNOSTI TÜV SÜD

Společnost TÜV SÜD byla původně založena jako spolek pro kontrolu parních kotlů v šedesátých letech 19. století v bádenském Mannheimu. Dnes je významným hráčem na poli poskytovatelů řešení v oblasti kvality, bezpečnosti a ochrany lidí, životního prostředí a majetku před riziky, která souvisejí s technologiemi. Zaměřuje se prakticky na všechny oblasti lidského života – od spotřebního průmyslu přes chemický a jiný průmysl až po nemovitosti.

Globální síť TÜV SÜD má tisíc poboček po celém světě a zaměstnává 25 tisíc pracovníků. TÜV SÜD Czech byla založena v 90.  letech a dnes zaměstnává 400 lidí. Její primární náplní je poskytování nezávislého ověřování a certifikace výrobků a postupů. Navrhuje rovněž řešení v rámci celého životního cyklu podniku bez ohledu na to, ve kterém odvětví působí.

Divize Mobility je dlouhodobě nejvýkonnější součástí společnosti z pohledu obratu i počtu zaměstnanců. Dalšími divizemi jsou Industry Service (zaměřuje se na průmysl včetně energetiky), Business Assurance (posuzuje systémy řízení firem), Real Estate/Buildings (hodnotí budovy například z hlediska energetické náročnosti) a Product Service (posuzuje bezpečnost potravin a krmiv). Divize Mobility se dnes zaměřuje kromě tradičních homologačních testů na testy vývojové a na zkoušky shodnosti výroby (Conformity of Production). Testy se týkají prakticky všech významných komponentů a subsystémů vozidel nebo vozidla jako celku. Zkušební postupy dnes zahrnují i produkty z oblasti alternativních pohonů, elektromobility, autonomního řízení nebo kybernetické bezpečnosti. Zákazníky TÜV SÜD Czech jsou především finální výrobci vozidel a dodavatelé úrovně TIER 1

TÜV SÜD umí propojovat dva světy: vedle fyzického testu vytvoří digitální dvojče celého systému

TÜV SÜD umí propojovat dva světy: vedle fyzického testu vytvoří digitální dvojče celého systému. Foto: TÜV SÜD