汽車電氣/電子設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客戶與各種政府規(guī)章和要求促進(jìn)了大眾對(duì)汽車電氣 / 電子 (E/E) 系統(tǒng)更多功能的需求，這種需求為負(fù)責(zé)執(zhí)行這些功能的原始設(shè)備制造商 (OEM) 帶來新的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，系統(tǒng)開發(fā)和制造的成本巨大，但原始設(shè)備制造商必須應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是成本問題，還包括不斷增加的重量、可靠性和質(zhì)量問題、呈指數(shù)增長的復(fù)雜性以及政府要求等。

從整個(gè)電氣系統(tǒng)平臺(tái)而言，它具有整合所有獨(dú)立電氣/電子系統(tǒng)的獨(dú)特作用。整合時(shí)可能產(chǎn)生需要設(shè)計(jì)修改的意外問題。通常這些問題是隨著設(shè)計(jì)的逐步進(jìn)行而被發(fā)現(xiàn)，從而會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃延遲，從而錯(cuò)過截止日期并產(chǎn)生代價(jià)高昂的返工。

向客戶提供的配置數(shù)量引起的日益提高的復(fù)雜性以及錯(cuò)誤成本都體現(xiàn)出使用系統(tǒng)設(shè)計(jì)途徑來解決該問題的價(jià)值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法應(yīng)讓 OEMs 能夠維持產(chǎn)品質(zhì)量，減少總成本，管理變化變更并滿足上市時(shí)間目標(biāo)。

在探討系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何能用于克服這些挑戰(zhàn)之前，我們先詳細(xì)檢查部分這些問題。

電氣系統(tǒng)重量和成本增加

在車輛中增加電纜布線和電氣功能對(duì)整體重量和生產(chǎn)成本都會(huì)帶來重大影響。例如，一些帶有更多功能的豪華車包含超過5千米和大約90公斤的電纜。更多布線重量和成本令電氣平臺(tái)設(shè)計(jì)人員不得不權(quán)衡取舍，在成本、重量和功能之間取得最佳平衡。

更多電子功能意味著更高復(fù)雜性

設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性隨著電氣/電子功能的增加而增加。在當(dāng)今的車輛中，超量的電子模塊提供著客戶和法規(guī)規(guī)定需要的功能。這些功能甚至分布在大量的電子控制單元 (ECU) 中。高端汽車可能擁有多達(dá)70個(gè)ECU，從而能提供800多項(xiàng)功能，并通過5套系統(tǒng)總線相互連接。

隨著電線、總線和功能的數(shù)量增加，出現(xiàn)潛在電路等意外問題的可能性也會(huì)增加。潛在電路中，開關(guān)和載荷的特殊結(jié)合可能導(dǎo)致電氣功能的偶然運(yùn)行或故障。

潛在電路可能帶來的良性后果恰似糊涂的駕車人，但更嚴(yán)重的惡性后果包括丟失對(duì)安全至關(guān)重要的功能，甚至車禍。

配置：對(duì)復(fù)雜性而言是個(gè)噩夢(mèng)

雖然很多人并沒有意識(shí)到，但汽車已經(jīng)成為市場(chǎng)電子消費(fèi)品最復(fù)雜的一個(gè)領(lǐng)域。這種復(fù)雜性帶來了以多種方式配置功能的機(jī)會(huì)。隨著向客戶提供旨在提高價(jià)值和需求，滿足安全性、可靠性以及 ISO 26262 和 Euro 5/6 排放標(biāo)準(zhǔn)等法定排放要求的功能變多，電氣系統(tǒng)可能性配置的數(shù)量也在激增。

電氣設(shè)計(jì)過程中的步驟數(shù)量乘以配置數(shù)量，如圖1所示。設(shè)計(jì)人員要面對(duì)整個(gè)平臺(tái)的一系列要求，他們通過幾個(gè)階段;首先將其分解為單個(gè)特性，然后分解為實(shí)現(xiàn)這些特性的功能。這些功能被集群到系統(tǒng)中，然后分配物理設(shè)備或軟件中。當(dāng)今現(xiàn)代化汽車中的嵌入式軟件可多達(dá)1億行代碼。然后，原理設(shè)計(jì)與整個(gè)車輛的機(jī)械定義關(guān)聯(lián)，并以物理布線系統(tǒng)互連起來，該系統(tǒng)最后被劃分進(jìn)線束系列。每種平臺(tái)配置都有其獨(dú)一無二的線束，其可以分化為數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)線束。

圖1：該圖表說明，增加汽車的客戶可選功能會(huì)迅速導(dǎo)致可能的配置數(shù)量驚人的大。

配置數(shù)量的急劇增多影響著從需求到服務(wù)文檔的整個(gè)數(shù)據(jù)流。一旦銷售出去，OEMs就要負(fù)責(zé)終生有效的汽車服務(wù)。法律越來越嚴(yán)格地要求此類數(shù)據(jù)(特指每種獨(dú)一無二的汽車配置)要向所有經(jīng)銷商提供(而不僅是原始設(shè)備制造商網(wǎng)絡(luò))。

管理設(shè)計(jì)變更

以前，汽車設(shè)計(jì)的每個(gè)階段都是一個(gè)“孤島”，它們有自己的設(shè)計(jì)工具以及一種用來描述特定階段的組件、輸入和輸出的復(fù)雜本地語言。通信通常也比較麻煩，每個(gè)步驟都需要轉(zhuǎn)化和/或手動(dòng)重新錄入數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致冗余和延遲。這些方法難以應(yīng)對(duì)當(dāng)今的時(shí)間、成本和競(jìng)爭(zhēng)壓力。電氣設(shè)計(jì)工程師需要能夠與其他工程師及其它“孤島”共享信息，來提升跨團(tuán)隊(duì)及跨部門的通信。他們需要能夠更容易地理解變更的環(huán)境和影響，從而更快地執(zhí)行變更，并且減少誤解。

系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法更好地管理復(fù)雜性

當(dāng)今的周期時(shí)間太慢，不能有效地參與競(jìng)爭(zhēng)和滿足需求。從自上而下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始創(chuàng)建詳細(xì)的布線設(shè)計(jì)的過程重復(fù)而且費(fèi)時(shí)間，使設(shè)計(jì)周期延長了數(shù)月。這里討論的這些問題增加了設(shè)計(jì)和制造周期的時(shí)間，而競(jìng)爭(zhēng)又增大了更快創(chuàng)造理想電氣系統(tǒng)的壓力。

不斷增多的電氣內(nèi)容，再加上法律和供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)正在推動(dòng)流程變化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)可讓面臨現(xiàn)代化汽車開發(fā)重壓的各方受益。大量證據(jù)顯示了系統(tǒng)設(shè)計(jì)范例在管理復(fù)雜性中的有效性，幾個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)包括：整體性、抽象性、逐步整合和互聯(lián)性。

整體性指可從整體上來看一個(gè)問題，而不是從一系列孤立的活動(dòng)上來看。在汽車電氣/電子設(shè)計(jì)環(huán)境中，這意味著連接各個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，包括形形色色的嵌入式軟件設(shè)計(jì)、電子元件設(shè)計(jì)、配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)。

V 形圖表

工程設(shè)計(jì)有了相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)周期。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)周期通常用“V 形圖表”來表示。圖2顯示了完整的 V 形圖表，每個(gè)步驟都列舉了出來。

圖2：系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可通過這個(gè) V 型圖顯示。

一款產(chǎn)品首先進(jìn)行頂層的可視化處理，生成需求。然后這些需求被分解成特性和功能。下一步是完成邏輯設(shè)計(jì)，然后是不超出平臺(tái)限制的物理設(shè)計(jì)。接著，組件設(shè)計(jì)進(jìn)入最詳細(xì)的關(guān)頭(V 型圖底部)。然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行“重新安排”，將印刷電路板、電子控制單元和線束等整合進(jìn)最終產(chǎn)品。

面對(duì)與日俱增的復(fù)雜性，要想管理設(shè)計(jì)和變更，并且及早發(fā)現(xiàn)問題以便快速找到低成本的解決方案，需要實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，從而在合理的時(shí)間內(nèi)處理復(fù)雜問題。

要想解決這一挑戰(zhàn)，可以采取一種結(jié)合先進(jìn)軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來提供數(shù)字連續(xù)性、要求追蹤、歸檔和設(shè)計(jì)自動(dòng)化，并采用涵蓋生命周期各個(gè)階段的綜合性系統(tǒng) V 模型。V 型圖左側(cè)代表的是需求的分解和系統(tǒng)規(guī)范的創(chuàng)建，而右側(cè)代表的是零件的集成和驗(yàn)證。

利用這種方法，高度抽象化的數(shù)據(jù)被逐步分解和豐富，直到可建造的組件(軟件模塊、電子元件和線束等)被充分定義。然后這些組件被集成并不斷驗(yàn)證，直到完成整個(gè)系統(tǒng)的裝配。抽象化數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變可通過計(jì)算機(jī)可執(zhí)行規(guī)范來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)(這個(gè)過程被稱之為合成)，從要求到組件執(zhí)行都能保持全面的可追溯性。

連續(xù)性和自動(dòng)化是成功的關(guān)鍵

市面上已推出執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的軟件包，其中一款來自Mentor Graphics。這款軟件可生成系統(tǒng)工程范例。執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件自動(dòng)化應(yīng)該為用戶提供大量工具。下文介紹了軟件包應(yīng)具備的必要功能。

平臺(tái)級(jí)抽象化

軟件應(yīng)使用一種生成方法，讓布線設(shè)計(jì)通過高水平的輸入自動(dòng)生成，在構(gòu)建時(shí)即做到準(zhǔn)確無誤。軟件可以針對(duì)所有平臺(tái)級(jí)配置自動(dòng)生成準(zhǔn)確的布線設(shè)計(jì)(如圖3所示)。

圖3：通過自動(dòng)化，系統(tǒng)能夠完成合乎邏輯的初步設(shè)計(jì)。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)程，軟件將不斷“完善”數(shù)據(jù)。

這種方法使制造商能夠掌握并發(fā)展他們具有競(jìng)爭(zhēng)力的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)。系統(tǒng)集成很快，只需幾小時(shí)即可完成以往需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間的任務(wù)。這減少了電氣設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本，同時(shí)可以評(píng)估替代架構(gòu)。

集成設(shè)計(jì)環(huán)境

軟件應(yīng)提供適用于更大生態(tài)系統(tǒng)的完整電氣設(shè)計(jì)套件。設(shè)計(jì)之初就應(yīng)采用能推動(dòng)與第三方 MCAD、PLM 或 ALM 工具集成的 IT 架構(gòu)。

管理變更

自動(dòng)化應(yīng)允許多種抽象化層次，并管理它們之間的聯(lián)系，以便變更得到全面?zhèn)鬟f。在傳遞變更時(shí)要加以控制并采取智能化的方式，確保先前在較低抽象化層次下完成的任何增值工作都能保留下來。

通過緊密集成，應(yīng)用于配電系統(tǒng)的變更能夠與其他領(lǐng)域要求的變更協(xié)調(diào)一致以完整得實(shí)施變更：有效協(xié)調(diào)變更、節(jié)約時(shí)間并支持并行設(shè)計(jì)。

架構(gòu)優(yōu)化

設(shè)計(jì)人員應(yīng)能夠生成最詳細(xì)的線束成本模型和相關(guān)報(bào)告，便于在幾分鐘內(nèi)對(duì)幾種設(shè)計(jì)方案的成本進(jìn)行比較(如圖4所示)。他們可在數(shù)小時(shí)內(nèi)對(duì)各種廣泛的布局概念進(jìn)行詳細(xì)準(zhǔn)確的分析。快速準(zhǔn)確的權(quán)衡可節(jié)省每輛汽車的成本并降低汽車重量。為不同客戶開展數(shù)千次有時(shí)甚至數(shù)百萬次電氣設(shè)計(jì)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，但有了這些軟件工具，一個(gè)平臺(tái)項(xiàng)目的數(shù)千個(gè)構(gòu)造的零部件布局和布線可同時(shí)得到優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)更佳且成本更低的設(shè)計(jì)。更高的設(shè)計(jì)質(zhì)量可降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

圖4：系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)輕松權(quán)衡比較，從而使設(shè)計(jì)人員能夠快速敲定最佳設(shè)計(jì)方案。

可追蹤流程

用戶能夠?qū)α鞒炭刂七M(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)可核實(shí)和可追蹤的發(fā)布流程和設(shè)計(jì)修改。該軟件還可利用設(shè)計(jì)規(guī)則檢查執(zhí)行特定的約束條件。

盡早排查問題

應(yīng)在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)問題并提供解決方案。這樣才能迅速做出調(diào)整，調(diào)整相關(guān)成本要比設(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)問題所付出的代價(jià)低得多。通過模擬仿真，設(shè)計(jì)可在試制之前進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試，這樣問題就能及早發(fā)現(xiàn)，而在設(shè)計(jì)早期，調(diào)整成本也相對(duì)較低。軟件可提供嚴(yán)格的故障模式效果分析，以確定可能只被客戶發(fā)現(xiàn)的問題。如果問題只被客戶發(fā)現(xiàn)，廠家的聲譽(yù)和利潤都將嚴(yán)重受損。

設(shè)計(jì)階段完善數(shù)據(jù)

線束開發(fā)是車輛設(shè)計(jì)和制造過程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在線束開發(fā)環(huán)境下，關(guān)鍵設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可經(jīng)過完善轉(zhuǎn)變成可制造的產(chǎn)品。軟件工具套件需通過實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性為該流程提供支持，貫穿從最早的設(shè)計(jì)工作(獲取電氣功能需求和物理需求)到實(shí)施的各個(gè)流程階段。應(yīng)交付產(chǎn)品為附有詳細(xì)文檔資料的完整線束產(chǎn)品。

管理復(fù)雜性，避免召回和延誤帶來的重大損失

沒有認(rèn)識(shí)到電子 / 電氣系統(tǒng)所發(fā)揮的特殊作用可能會(huì)造成召回或延誤等嚴(yán)重后果，從而使廠家蒙受重大損失。例如，已造成重大經(jīng)濟(jì)損失的空客 A380 大型噴氣式客氣的布線故障本質(zhì)上是機(jī)械和電氣工程師在管理數(shù)據(jù)連續(xù)性和信息流方面的失職。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì) V 模型右側(cè)的整合和驗(yàn)證流程便可避免這種最壞結(jié)果的發(fā)生。

實(shí)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有助于車輛生產(chǎn)商在未來保證品質(zhì)和保持利潤率。Mentor Graphics的 Capital 工具可通過在整個(gè)電氣平臺(tái)提供數(shù)據(jù)連續(xù)性和設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)成功的變化管理，從而有助于管理和應(yīng)對(duì)車輛設(shè)計(jì)領(lǐng)域所面臨的電子器件不斷增多的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。