平台化汽车环境下系统集成与电气分布设计自动化

一、 介绍

汽车平台中电气系统的增加以及选择成为今天重要的挑战。现代的汽车平台经常会整合80 个以上的独立系统，这些电气系统通常由几百个设备以及数千个电气连接所组成。汽车领域突出的电气系统设计趋势包括：

选配及派生复杂性不断提升、
功能设计方面显著强调更高层次复用、系统级建模以及架构设计
电气系统必须适合企业数据管理以及多个领域应用所需
汽车产业软件成分迅速增加
汽车中多样化电气系统的应用日益普及

汽车产业由传统的机械产业已经转向电子学驱动的机电产业，此外，面向特殊市场需求、反映汽车平台选配以及型号派生的特殊车辆配置的提取也将进一步加剧这种复杂性。

高效率地整合名目繁多且复杂的电气系统需要科学的方法学支持，这种方法学通过复用规则强化公司内部的IP 资源，这些复用规则将指导设备的布局确保这些电气系统安放在合适的装配位置，并且据此实施物理布线综合。

电气系统和设备在汽车平台中的智能化分布并通过物理布线实现电气系统之间的互联，成为影响最终产品质量和可靠性的关键步骤。因而合理的流程并应用相关的工具和技术可以推进和改善电气系统的优化设计，从而显著减少设计和制造成本，科学合理的流程应该遵循以下准则：

改善设计流程和方法学强调自动化
复用业已验证好的现有系统、部件、流程以及最佳设计经验
支持底层数据的图表综合
强化车辆高层次的仿真以及高级分析

汽车平台中有关电气系统的部署及其电气分布方面的挑战显著提升，因而迫切需要独到的解决方案，这种解决方案应该能够自动化地实现设备在汽车中的智能化分配，并且依据可能的布线通道实现布线综合。这种解决方案支持电气互联系统综合，并且适合所有车辆派生及选配，支持仿真，高级分析以及下道工序的制造作业。这种解决方案的核心是一个中央数据库，依据该中央数据库可以自动生成相关的图表。

二、 启用新流程

面向汽车平台的系统电气设备集成，产业目前并没有好的解决方案，所以任何的解决方案都必须适合业已存在的从设计到制造的流程。极少有公司或者部门具备共享的设计流程，因而很难就软件解决方案研发的实质性指导意见方面达成一致。事实上，在绝大多数公司内部只有极个别资深的员工，他们既有权利，又具备相关的知识，因而比较适合推动这一完善解决方案的实施。一开始大型EDA 公司并没有介入相关的汽车平台层次的系统集成技术研发，所以早期业界出现的技术本质上是汽车企业“局部的”也是“本土的”解决方案。很快OEM 厂商以及系统集成商开始对于通用的电子工程设计方法提出了需求，期望依靠通用技术来提升设计生产力并且应对汽车产业复杂性以及派生等方面的挑战。

上图简要描绘出汽车平台化设计理念下从设计到维修的整个流程。流程中引入了“交互式设计”以及“生成式设计”两种理念、方法学以及配套的工具集，相关的方法学和工具面向平台层次的系统集成、互联布线综合以及线缆网工程化。目前主流OEM 厂商普遍开始采纳的流程兼具以下特点：

1) 确认汽车平台以及目标系统需求，定义可能的选配和派生
2) 选择满足特定汽车平台需求的标准系统和/或特殊部件
3) 创建标准解决方案无法满足需求的新系统和部件
4) 获得目标汽车平台的特殊需求以及关键参数（比如：电源分布、接地位置以及网络节点等）
5) 在平台中分配所有系统部件及连接，并且通过物理布线实现系统互联（这一过程通常手工实现）
6) 将所有部件分别指定到各自线缆网
7) 生成该模型（反映出实际应用中所有可能的选配和派生）所有的发布和维护文档

该流程的所有阶段会实施各种各样的分析以及尝试性研究（比如成本、重量、空间、安全性FMEA 、电气验证以及可制造性分析等）。涉及这一流程的不同领域和不同机构在逐步的细化过程中设计数据不断丰富，同时这些设计数据也可以进行观察和报告输出。电子设计数据同样也可以实现与企业工程化系统如机械CAD 或者PLM 解决方案之间的共享。 [page]

这种设计流程本质上几乎无一例外地都表现为交互式的工作模式，同时许多应该考虑的仿真和分析由于缺乏合适格式的设计数据而被忽视。为了开发一种全新的生成式设计流程，需要确立一些关键的交付内容以及特殊情形实用性方面的法则。以下原则影响和约束了数据管理以及工程化工具的研发：

1) 在此流程的任何阶段，设计数据随时都可以用于分析、观察以及实现与其它企业系统之间的共享
2) 设计数据将逐步丰富，而且面向不同应用领域可以提供合适的格式
3) 跨越设计流程的不同领域彼此并不熟悉，因此任何工程化的技术都必须解决好特定用户群的需求

符合这种需求的电气设计流程因而必须提供与其它领域进行存储和共享电气设计数据的基础架构，以及相关工程化的工具操作和访问这些设计数据实现其分析、观察和报告输出。业界有两种核心方法学通过操作集中方式数据库来支持这一流程：

交互式设计流程：在这种设计流程中，设计工程师通过图形化或者表格方式的设计工具手工创建数据并且存储到数据库之中。这是最常见的方式，因为这种方式协助实现设计活动、以及从仿真或者分析获得反馈的可视化实现，从而提供设计决策的依据和支持

生成式设计流程：在这种设计流程中，流程早期阶段的设计数据会自动融合到整合的系统之中并且实现互联布线的综合。在后续阶段类似的生成式设计流程通过合并布线设计与几何线缆网捆扎配置（早期应用3D MCAD 创建）实现线缆网综合。

三、 生成式设计流程实现平台层次的系统集成与布线

行业研发的最新算法已经开始支持生成式设计流程，同时设计规则约束也开始支持设计流程中重要步骤的自动化。IP 的高效率复用开始有效激励最佳设计实践的逐渐成熟。生成式设计流程的关键步骤包括：

1) 创建新的项目（可能基于或者源自早期的设计）
2) 协作完成汽车平台中系统逻辑设计（设备与连接关系）以及汽车的详细选配和派生（配置）图表
3) 设计平台拓扑（条件允许的情况下尽可能在3D 环境下完成）
4) 标识系统设备的物理安装位置与装配开槽
5) 基于关联规则实现特定设备与特定位置的自动聚类。这一过程确保电气系统可以安装在平台中最优化的位置
6) 基于对相关设备安装位置约束的详尽了解智能化分配各自位置，比如在某些确定的接地点上可以有效减少EMI 噪声
7) 设备聚类可以自动创建新的装备。比如将所有系统熔丝全部聚类在一起就可以创建出一个保险丝盒
8) 在安装设备时，系统会识别选配内容（比如选择一个大功率的汽车遮阳棚马达）以及派生汽车模型（比如左右手驾驶）
9) 布线系统根据可能的路径互联所有的设备
10) 为了解决正常生产导致的破损通常用列式连接来分割路径。这将有效识别出生产和安装的线缆网分类

四、 整车布线系统综合

正如前面所说，规则用于约束设备的自动放置。同时规则也用来约束布线综合（包括线的结合、多端接等）确保实现系统的逻辑连接。这些规则定义了最佳的设计实践，以物理布线的方式规定所有设备的互联细节，通过布线综合来完成系统在车辆中的部署。通常包括以下步骤：

1) 通过分析实现线缆尺寸的自动化（支持所有可能的车辆配置）
2) 熟悉选配、派生及其约束，比如相互包含或者相互排斥的选配
3) 熟悉有关布线路径的物理约束
4) 熟悉可能影响线缆类型以及布线排斥（或者包含）的规则（比如间距规则或者敏感信号高噪声区域的避让规则）

一旦成功综合就能够实现整车电气系统的分解，同时为每一种汽车配置创建其所采用的任何一个线缆网。这样的线缆网无论单个还是成组，都可以直接用专门的工具来访问，并且在生产制造之前详细描述出完整的工程化细节以及生产制造之前的成本细节。

五、 图表综合与分析支持

平台化汽车设计环境下，系统集成与电气分布自动化迫切需求设计数据的图表（视图）生成以及电气分析。视图可以帮助不同领域工程师更好地理解并且实施调整，同时确保可以更好地满足法规或者商业的需要，比如提供高质量的维护文档。今天已经研发出相关的技术来支持生成式设计流程，确保特殊风格图表的生成，比如体现管理风格的特定分页以及原理图的设计。这种定制式样的能力支持不同机构裁剪其生成的图表进而更好地满足各自特殊的应用需求。比如，在航天航空业可能需要产生几种不同风格的接线图以满足不同的局部要求。 [page]

分析技术在交互式设计流程中经常被忽视，然而恰当地运用仿真分析技术可以优化产品质量、确保安全性并且降低成本（包括设计修改，产品保修以及产品召回等成本）。

尽管人们通常认为仿真和分析是需要的，但是仍然常常将其归类为设计工作完成之后的一种状态确认，事实上这也是图形化方式设计创见的一个必然结果，换句话说设计结构通常不适合仿真和分析。而生成式设计流程以数据为中心，本质上意味着面向仿真（网表）所需要的连接关系模型都是相关联并且是严格一致的，因而支持在设计流程的任何阶段实施不同层次的仿真和分析。相关的高级分析包括FMEA 以及SCA，这些分析可以施加于所有可能的选配和派生配置而无需人工干预，从而有效改善财务盈利。而如果没有生成式设计流程所必须的数据中心结构这一切都将不可能。

六、 面向新一代方法学的技术和产品

传统的EDA 公司在电子产品设计、建模以及仿真分析等方面积累了丰富的经验，而传统的机械和结构设计技术公司在实体造型、三维建模等领域也有着扎实的功底，EDA 公司、机械CAD 技术公司通过和飞机、汽车等制造行业的合作，成功地开发出一系列全新的系统集成与电气分布自动化设计和工程化的技术和产品。这些设计技术和工程化产品特别适合复杂电气系统的集成和互连、充分吸收也最大程度地发挥了目前EDA 技术和MCAD 技术的精髓，强调电气系统设计、集成、线缆网设计技术与机械设计环境之间的紧密沟通。以数据管理、协同设计、仿真分析、强调质量可靠性等为基本特征的全新系统集成以及线束设计技术和方法业已在行业全面展开，在此过程中，EDA 公司起到了排头兵作用，走在了行业的前沿。

Mentor Graphics 公司不断发展和壮大其在电气系统集成以及分布式设计领域的力量，先后合并和整合了业界著名的Harness Software 公司以及Innoveda 公司的相关技术和产品，实现了快速高效率地融合，并且把上述技术和产品整合成一条完善而高性能的产品线，为行业用户带来先进的系统集成与电气系统分布式设计与工程化的集成实施环境Capital Harness System（简称为CHS），CHS 覆盖逻辑设计、仿真分析、工程化直至后期的生产制造与维护等整个流程。CHS 提供全面广泛的库管理系统，实现部件的统一管理，提高设计效率。CHS 可以实现产品设计中的派生设计以及设计选配的高效管理，同时也支持版本管理。CHS支持相关的仿真与分析机制。

电气设计工程师可以在逻辑连接设计工具Capital Logic 中绘制高层系统功能图和底层更详细的连线图。简单、易学易用的图形化用户界面，把用户从复杂、繁琐的线缆设计中解脱出来。逻辑连接设计工具可以和CATIA 的三维设计软件进行数据交换，通过三维仿真，可以得到准确的连线长度信息，避免了过多的设计余量，降低了成本。仿真与分析引擎支持高性能的DC 分析、FMEA 分析、应力分析以及潜藏电路缝隙。工程化软件Capital Harness 根据器件和连线属性自动进行检查和计算，产生工程制造所需要的各种数据，自动对整个系统的有效性进行检查，自动进行成本核算，自动产生接线表、物料清单。制造软件Formboard产生用于电缆网制造的模板图。

整个流程中的所有数据统一管理，前一阶段产生的数据可以直接应用于下一个阶段，而后面阶段产生的数据又可以自动返回到前面阶段，避免了传统设计中大量的重复性劳动，减少了设计人员的工作量，提高了工作效率，同时也避免了各阶段应用不一致的数据。采用了可以支持电气系统开发与设计的EDA 工具，可以在实际的生产制造前进行相关的电性能分析，从而降低了风险并且提高了系统的可靠性。

国外许多飞机、汽车、航天器的设计都采用了这种先进的设计流程和工具，波音777从设计开始就实现了设计、加工和检测的一体化，即从产品设计、加工、安装和维护完全实现了无纸化过程。目前中国的电子设计领域包括PCB、FPGA、IC 等在设计、制造等方面几乎达到了和国外同样先进的技术水平，但在飞机、汽车等制造行业，和国外先进水平还有相当大的差距。我们相信通过引进先进的设计流程和工具，能够很快改变这一现状，使我们在汽车飞机等机电产品领域在电气系统集成、布线综合以及线缆网设计和制造方面迎头赶上并且呈现出崭新的面貌。

Mentor Graphics 于2005 年5 月完成对Volcano Communications Technologies AB（VCT）公司的收购，从而在其主导产品系列中融入了面向所有主流汽车网络通信系统的设计工具、嵌入式软件以及测试和验证技术。这一整合对于汽车领域电气和电子系统设计知名度不断提升的Mentor Graphics 提供了强有力的支持。

七、 总结

生成式设计流程促进整个车辆的智能化集成以及互联综合。部件布局，设备创建以及布线综合和验证高度整合在一个流程中，这一流程最好地反映并且真实地履行着一个企业最佳的设计实践，从而确保最终机电产品的高性能、高质量和高可靠性，同时这一流程可以高效率地执行，并且高度支持复用，有效降低成本。

生成式设计流程成为汽车工业的设计理念先驱并且已经在实际的生产应用中开花结果。行业预言在未来的几年时间里几乎所有的汽车电气设计流程都将转向生成式设计流程。与此同时这一崭新的设计理念也将在相邻产业比如航天航空、铁路火车等得到光大，这种趋势和潜力都将十分明显。最初为系统设备布局和布线综合而研发的工具都将逐渐上移，为平台层次的设计流程提供结构化支持并且衍生出功能类似的系统。

Mentor Graphics 公司成为这个行业解决方案研发的先驱，相关的技术和产品包括电子系统设计（ASIC/FPGA/PCB 设计技术）、线束和线缆网设计、仿真分析与工程化、嵌入式软件、系统建模与仿真、汽车电子系统网络与数据通信等广泛的领域，这些技术和产品构成平台化汽车设计环境下完备的系统集成与电气分布自动化解决方案，为新一代方法学提供有力支持，并且成功应用在复杂高性能的设计和工程化领域。(end)