基于模型的整车电子电气架构设计

最近十年来，整车电子电气架构开发领域，基于模型的开发方法已经被广泛接受，甚至被作为首选的开发方法，目前已经成为保证设计成功的一个必要措施。随着燃油经济性、环境保护和道路安全要求的逐步加强，汽车电子电气架构设计中必须要考虑系统整体优化，并需要提高开发效率、缩短开发时间，此时基于模型的方法就变得非常重要。采用这种方法必须要借助工具才能实现，PREEvision是整车厂中常用的系统架构设计及优化工具。其功能包括需求开发、逻辑功能设计、网络和部件架构、电气系统和线束设计以及拓扑结构设计。该工具涵盖了从概念原型设计阶段到具体详细设计阶段，并支持大型工程团队的详细开发和系统规范制定工作。本文依托该工具对基于模型的整车电子电气架构设计进行介绍。

开发流程

为了能够保证电子电气架构体系的质量，电子电气架构开发需要按照一定的流程进行开发，电子电气架构开发流程主要包括：确定车型市场定位，对标分析，需求开发，架构模型设计、输出方案设计文件等步骤。

1)市场定位

市场企划部或车型战略部通过市场调研，分析待开发车型的市场表现，调研销售人群需求，根据当前市场状况及对未来市场的评估，确定待开发车型的定位、外形、风格、预销售地区、市场前景等内容。此时的车型定位决定了后续对标工作的车型以及电子电气系统开发的复杂程度。

2)对标分析

在对新车型进行开发之前，一般需要选择一款或几款企业内部的既有车型以及市场表现较好的竞争对手车型进行全面的对标分析，获取对标车型的相关功能与非功能特性。对标分析包括以下内容：电子电气特性配置；功能需求规范；车辆驾驶与操作的测量；CAN总线测量；供电系统分析；电子电气拓扑分析；ECU节点技术规范分析；电子电气成本分析等方面。

对标工作量较大时，对标成果包含的信息很多，一般不采用文档的形式保管，而是将对标数据保存到企业数据库中，比如PREEvision所提供的电子电气系统数据库中。对标分析的结果，可用于分析现有车型的不足、提出新的功能需求并为新车型的设计提供蓝本和素材。

3)需求开发

需求开发的工作需要结合车型市场定位与对标结果，并结合以往车型的相关数据开展。主要包括确定需求规范与制定评判准则两方面内容。

确定需求规范首先需要收集客户的需求以及法律法规的要求，初步确定整体的功能需求；其次收集其他车型参考信息，如果是改型项目，可以参照已有车型的需求文件，如果是全新车型，可以参考对标车型的需求信息；再次需要将客户需求和法规要求具体化，并用技术语言描述，制定具体技术需求文档，形成Excel列表或DOORS文件。

评判准则由公司内部相关领域的专家共同制定。评估准则的制定分为两个方面，一是要确定在对模型进行评估时需要考虑的各方面影响因素，二是要确定各影响因素所占的权重。当完成电子电气架构建模之后，根据该评判标准进行模型评估与变型比较。图1所示即为评判准则的范例。
 

4)电子电气架构模型设计

整车电子电气系统开发过程中，会涉及到需求、功能设计、网络设计、功能分配、线束设计等多方面内容，由不同部门或工程团队进行共同开发。为了实现多团队并行开发过程中的合理分工与协作，整个电子电气架构设计需要按照分层设计的思路展开 (如图2所示)。在模型开发过程中需要进行不断的评估优化，最终选择最优的设计方案。
 

a)需求定义

该层需要导入需求开发的工作成果——需求规范，也可以直接将需求开发的工作在此阶段开展。该层用来描述电子电气系统要实现的功能需求和非功能需求，是电子电器架构设计的起始点。

b)功能逻辑设计

该层约定整个系统功能的逻辑实现方法。功能网络层的内容包括逻辑传感器、功能块、逻辑执行器等功能模块，以及各功能模块之间的信息交互接口。当功能网络层各模块之间的端口通过信息交互接口连接后，相应模块就能进行数据和控制信息的交换。在功能网络里，用户可以看到各功能模块之间的逻辑关系。
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c)硬件系统设计

该层主要包括网络层、部件层和原理层。网络层描述各部件之间的逻辑连接方式，例如：总线系统、传统连接、电源供应和地线连接，这些连接将在随后的线路原理层进行进一步的细化；部件层描述每个部件内部构成及其对外接口的详细信息；线路原理层描述网络层中逻辑连接的具体实现情况，如具体的导线、线缆连接方式、保险继电器盒的内部结构等。

d)线束层设计

逻辑和原理性的连接关系在线束层中进行物理实现。该层中可以将线路原理层的连接关系在电线和电缆两方面进一步细化，将线束特定的属性添加到模型中。在该层中每段电线（或电缆）及相应的接插件都具有其物理属性（包括单位长度重量、成本、过流能力等信息）。线束元素将来可以在拓扑结构中形成具体的电线和电缆布局（包括结合点和对接插头的布局等）。

e)拓扑层设计

该层描述了电子电气系统的实际布置情况。设计人员需要根据实际情况，确定各个部件以及线束的最终安装位置，需要设定不同安装位置之间的“线路段”的具体长度。之后便可以得出电子电气系统中的整个线束的统计长度。

5)输出设计文件

当确定最优的方案之后可以根据此方案输出整个系统、子系统以及各部件的设计规范。将规范分发给相关部门以进行具体设计。
 

模型应用及优势

通过分层开发的电子电气架构模型是一个拥有丰富属性的系统，针对该模型可以进行多种的应用，基于模型的开发方式为整车电子电气开发带来了诸多优点。

1)开发工具统一化

传统的电子电气架构开发中，基本依靠Excel、Visio、Word等工具，会生成大量的文档。基于模型的开发方式则采用统一的开发工具，将电子电气系统的相关内容都集成到一款工具中，从而形成整体的数据库，保证数据一致性。

2)数据跟踪功能

PREEvision工具采用分层开发的方式来建立电子电气架构的模型，通过超过30种跨越不同技术层面的信息映射方法实现各层面之间的映射联系，使得电子电气架构模型形成一个整体，保证了整个模型的一致性，同时能够进行数据跟踪，快速实现设计更改的同步以及错误源的快速定位。

3)一致性检查

基于模型的方法能够快速进行一致性检查，能够检验整个结构的完整性与不一致性；能够检验模型是否满足总体需求和自定义的需求。在工具支撑下可以快速检索到不一致的元素，从而使相关问题的解决更为容易。

4)架构评估

除了满足功能需求外，系统架构还应尽量符合特定的性能要求。基于模型的方法能够根据指定的评估算法和计算环境，针对电子电气模型中各种参数进行评估。通过架构评估能够得到度量指标的估计值甚至是精确结果，再将此结果与预先给定的参考值进行比较，即可对架构性能优劣程度进行量化评估。

5)变型管理

架构开发过程中，同时设计多个方案，用于比较和选型的方法，称为“变型”。基于模型进行开发能够容易地将整体模型分解成多个模型部件，并能为模型部件建立多个备选方案，并进行重新整合。通过架构评估的功能可以有效评估各种方案的优劣，并得到可靠的电子电气系统架构模型。

另外基于模型的开发方式能够很好的综合整车的电子系统与电气系统，能够对整车的电子电气进行全局优化；电子电气模型非常容易再次利用，利于公司的技术积累。

本文小结

基于模型的电子电气架构开发方法一般采用的开发流程为：确定车型市场定位，车型对标分析，需求开发，架构模型设计、输出方案设计文件等步骤。基于模型的开发方法能够采用统一的工具，很好的保证模型数据的一致性，能够进行便捷的变型管理，能够提供快速自动的评估计算，使得整车厂的电子电气架构开发工作变得更加快速便捷。