管理交通工具电气系统设计中的变量

交通工具电气系统设计领域正在重复多年前集成电路和印刷电路板 (PCB) 设计领域的历史。这些领域在技术上的复杂性开始超过设计工程师们能够独立理解的范围。有太多的变量需要兼顾，也有太多规则需要执行。如今，汽车设计师们需要应对旨在满足消费者和监管部门要求的各种选项、不同配置、车型升级和改装。无论是两座式跑车，还是大型喷气式飞机，电气系统的日益复杂性常被视为现如今交通工具设计师们面临的第一大挑战。

对于过去的集成电路和印刷电路板设计师来说，他们可以求助于电子设计自动化软件。如今的汽车设计师可以使用强大的新型计算机工具，与以前的电子设计自动化软件相比，计算机工具提供一些相同的构造设计并能带来同样的速度、效率和准确性优势。

本文介绍了如何利用现代化布线设计工具集来应对复杂性的挑战。选项代码和表达式可以确定某一汽车项目的可能的配置。功能齐全的工具套件可以以约束形式捕捉被采用的最佳实践和规则。自动化可以帮助设计师稳定、连贯且低成本地管理复杂性。

从定义到交付

图1是典型的汽车电气设计流程简图。虚线内的步骤是重点。可以将其看作“设计块”。从输入端来说，平台定义和内容要求已被整合进机械设计和电气设计中。从输出端来说，该流程根据所有按计划设定的客户配置，给出了完整的线束界定和成本预估。它还可生成服务手册数据，为所有这些变量提供支持。物理布线设计一般由人工完成，但随着选项和变量复杂性增加至超过了人力所能及的范围，这种情况正在发生改变。

图1 传统线束设计流程简图

自动化范例

将图2的自动化流程与图1的人工流程进行对比。自动布线合成流程采用了四个单独的输入端，所有输入端都来自图1左方显示的相同的平台定义。

图2：Mentor Graphics国际 Capital 套件设计环境中的自动布线合成流程

笼统地来说，信号连接输入端表明了合成工具如何将输出端与输入端连接在一起，正如一张概念“草图”可以描述出与扩音器输入端相连的 CD 播放器和 CD 换碟机。但由于设计和配置规则会自动防止这两款播放装置安装在同一个终端产品中，也就是说，一个线束变量只适用于其中一个装置。信号连接输入端旨在将平台定义和功能文件所生成的所有潜在连接包含在内，潜在连接的数量和类型不受汽车物理设计的限制。在刚开始安装时可以不用确定接地线和其它潜在连接的位置，因为它们的布局最好是根据电子控制单元 (ECU) 等相关设备的位置来决定。这样一来，同样的设计能够用在多款汽车上，而接地点位置各有不同。 [page]

当然，系统设计设备连接图必须以汽车或飞机的实际物理结构为依据，以便为最终的线束产品生产和存档提供指导。图2中的机械约束输入端对物理布线路径进行了界定。基本信息可以人为规定，但在现代集成设计工具中，基本信息则来自机械计算机辅助设计 (MCAD) 环境，其中 3D 模型被用于空间预留和数字样机。

通过利用功能齐全的设计平台，3D MCAD 模型可以制作成 2D 拓扑结构，从而更加清楚地描绘出线束的相对长度。还可以人工创建 2D 图，然后与 MCAD 模型中的线束实现同步。在任一情况下，2D 图像都只是一种保持与 3D MCAD 模型连接的视觉辅助工具。其目的是确保拓扑结构中的线束长度尽量准确，这些长度数据随后将被用于计算布线的最低成本。使 2D 元素就位并将其连接在一起形成完整的线束并不难。例如，乘客门线束、仪表板线束和驾驶员门线束可以通过对接连接器与其它从单独 MCAD 模型中导出的线束相连。如图3所示，车内线束的线束长度和布置与 MCAD 数据一致。

图3：Mentor Graphics国际 Capital Integrator 工具制作的线束拓扑结构图

从开发到管理

另外两个输入端与连接和机械输入端一样重要。它们与设计变量的管理有关，而设计变量正是复杂性挑战的根本所在。

汽车的每项单个功能（如雾灯或CD播放器）由一个选项代码来表示。在一个具有代表性的汽车项目中，可能存在数十个甚至数百个这样的代码，这些代码通常是从另外一个系统输入到设计工具环境中。通过使用这些选项代码来确定汽车的配置变量，系统设计和2D拓扑结构中的对象都标有由这些单个代码组成的布尔组合。在整个流程中，这些选项表达式用于说明每个对象在具体汽车配置中的适用性。

这些汽车功能之间又有着怎样的联系？可以回想一下连接数据的例子。CD播放器和CD换碟机的线路都是进入同一个扩音器输入端。但工具集规定，这两项配置都是强制性和相互排斥的。这也就意味着，每辆组装完成的汽车必须拥有其中一个选项，而且只有一个。

最终的输入端是对自动合成应如何利用企业最佳实践实施布线做出具体定义的一组设计规则。这些设计规则被定义为许多组可配置的约束来定义和分配设计中的设计对象。约束可以控制从拓扑结构内设备的布置到CAN总线的准确实施等各个环节。规则表现为以下形式：

●布线规格：电线颜色为G，当信号与类型=地线匹配

●如果信号类型=功率，则该布线不要通过这里

●焊接点成本 = 100.0，当信号种类=安全性时

●利用来自所有四个流程输入端（图2）的数据，该设计工具集可将系统连接与汽车的拓扑结构联系在一起。当然，这是自动完成的，该工具可显示所有系统设计所要求的设备。结果并没有指出所有设备（从细小的保险丝到安全气囊和CD换碟机）在系统内的实际布局，但得益于预先定义的布置约束，这一步骤可以自动完成（称为“自动布局”流程）。

不断增加的“线束配置”

在合成生成布线之前，必需要决定每个线束系统需要几个零件号。随着零件号的增多，管理各个线束部件所需的成本也会相应增加。最好的情况是，成本和复杂性都可以相对降到最低。

要想获得最佳结果就要先决定不受约束的线束零件号的数量。大多数影响线束的选项直接来自相关设备，但布线合成允许将“通过”选项的影响考虑在内。“通过”是指一项特殊功能所需的电线通过线束，从而将来自汽车一端的信号传到另一端。例如，驾驶员门上的开关可以操控乘客车窗电机，而这一功能可以通过仪表板来实现。

当设备选项和“通过”数量都不受约束时，为支持生产（包括工装板和版本控制等）、服务和存档，单独变量的数量有可能达到难以想像的数百个。附赠的配置可以节省一些布线的成本并将布线留在车中（即使客户没有订购相关功能），从而帮助平衡配置的数量。明智的附赠配置选择可以将线束配置减少50%，甚至更多，从而节省比损失的布线价值更高的成本。

最后一步，综合布线合成流程考虑了所有可能的车辆配置，并提供满足不同需求的布线。该自动化流程可大幅度减少布线设计中的错误，也比人工操作快很多。在规定的条件内，计算出每根电线和焊接点的精确规格，以实现最佳信号传递。此外，导线还可自动携带相应的选项表达式，并与相应的线束配置联系在一起。

完成的布线图为设计审核提供了重要的服务存档和资料。自动化工具能够利用可配置的图面格式来生成符合企业标准和优先选择的布线设计。 [page]

衡量标准成就最佳化

考虑一下能够通过可配置规则和约束条件加以控制的一些元素：

●导线等合成对象的特点和属性

●设备的布置，设备在拓扑结构内几个位置上的多个或不同布局

●地线的布置（通常要将电线长度缩到最短）

控制合成本身甚至也有一些约束因素，比如焊接点与额外电线长度之间的权衡。

约束条件的改变会导致合成布线的相应改变。假设存在量化这种变化和衡量这种设计决策的影响的可能呢？现在大多数先进的设计平台都有这种功能。它们使用可配置的衡量标准来量化某个设计决策的“好坏”。

在线束设计领域，“好”可能意味着成本、重量或设计者选中的其他重要特点。最常见的衡量标准就是能够计算出任何设计上的更改对财务成本的影响。图4说明了在优化线束设计时要考虑的一些问题。它们全都把成本作为关键因素，不过重量和其他影响也同样要评估衡量。

图4：衡量标准可帮助设计师回答这些及其他一些问题

布线总成本包括电线成本、连接器成本和焊接点成本。图5中的条形图概述了上图汽车基准配置中布线成本中各个部分的比例。想象一下，有一个去掉一个焊接点的方案，即通过穿过仪表板的对接连接器接通从电池到配电箱的特殊电源信号。这种更改的可行性不能忽略成本因素，因此就需要进行比较评估。只要改变默认设置中的约束条件，实现与（相关线束中）某个禁止连接的焊接点相连，就有可能重新核算没有焊接点情况下的走线情况。图5中右侧的“蜘蛛状”图表描述了对于各个线束系统的影响，生动展示了这种变更的影响。很明显，仪表板线束成本显著增加。这一点在一个类似于图5下方表格的电子表格文件中有详细说明。

图5：通过一系列迭代变化，就可以看到和表示出对成本、重量及其他关键变量的影响

仪表板线束成本的增加量超过了引擎线束成本的小幅减少量。重量或电线长度等其他衡量标准可用类似方式加以比较。甚至还可以估量某个设计所需的线束零件号，用以预测复杂性。

每项衡量标准实际上就是综合计算几种要素。上述讨论基于一个单独的成本要素，包括连接器、焊接点和电线。但这是完全可配置的，用户可以根据需要添加更多元素。要计算个别类型连接器的成本影响，可以从零件库了解其价格或者建立一套评估标准。这种估算非常简单，就是拿孔位数乘以一个常量，创建一个“临时数字”，随着可用信息越来越多可以对其进行微调。

结论

利用规则和约束来指导一系列“变化与影响”的计算，这一概念是本文的逻辑结论。当今强大的计算机电气系统设计自动化工具使得创造虚拟环境成为了现实，在这种虚拟环境中每个线束组成部分、线束段和连接都可以在组装第一个硬件原型前很久就完成定义和测试。而且在这种环境中，很容易分析各种变化的影响，同时能够从性能和利润角度对线束进行优化。