基于PREEvision的電子電氣架構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

許茜，王蘭

（華晨汽車工程研究院電器工程室，遼寧 沈陽 110141）

1 背景介紹

當(dāng)前車載電氣電子系統(tǒng)(E/E)系統(tǒng)按功能典型分為動力總成域、底盤域、車身與多媒體域。在車身域又典型地分為舒適性系統(tǒng)與被動安全系統(tǒng)。為使用戶得到更好的駕駛體驗，高級輔助駕駛(ADAS)功能與車載網(wǎng)絡(luò)互連功能，進(jìn)而衍生出兩個新的系統(tǒng)，高級駕駛輔助系統(tǒng)與集成T-box的中央網(wǎng)關(guān)，又被稱為”Car2X”，如圖1所示。車載E/E系統(tǒng)提供的眾多功能中可以分為開環(huán)、閉環(huán)、監(jiān)控與診斷功能，這些功能與使用傳感器與執(zhí)行器的車輛機械零部件進(jìn)行信息交互。有些功能只在一個域的內(nèi)部進(jìn)行信息互連互通，但是也有些功能需要跨域并與其他域的系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，特別的，ADAS高級輔助駕駛系統(tǒng)與發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)、變速器控制系統(tǒng)(TCU)、轉(zhuǎn)向及制動系統(tǒng)緊密地集成。因此，幾乎所有的E/E架構(gòu)開發(fā)的準(zhǔn)則都直接或間接地受到ECU網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以及功能集成開發(fā)的影響。線束與車載通信的需求是重要的評價準(zhǔn)則，應(yīng)該在E/E架構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的前期受到重視。

圖1 集成中央網(wǎng)關(guān)和ADAS系統(tǒng)的E/E網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在E/E架構(gòu)設(shè)計中，一方面需要考慮基于與車外網(wǎng)絡(luò)通信的功能需求，另一方面集成雷達(dá)與攝像頭的ADAS為駕駛者提供整個車輛的環(huán)境模型并對于車外的網(wǎng)絡(luò)通信提出更高性能的需求。

以太網(wǎng)技術(shù)在整車E/E系統(tǒng)架構(gòu)中的運用對于車內(nèi)網(wǎng)與車外網(wǎng)來說都是一個重要的變革，越來越多國外的整車廠將其應(yīng)用到了量產(chǎn)車中，并有望成為能夠廣泛應(yīng)用的下一代技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是這并不意味著以太網(wǎng)會是唯一使用的車載通信技術(shù)。

對于功能的需求從而不再像過去一樣僅僅局限于車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平臺，也能夠擴展到車外構(gòu)架在云端或智能手機等無線設(shè)備等更多樣的網(wǎng)絡(luò)上。

與車外網(wǎng)絡(luò)互連對于車輛安全的方面提出了更為嚴(yán)苛的考驗，E/E架構(gòu)設(shè)計必須滿足安全的需求。在過去幾年當(dāng)中，ISO 26262成為在汽車行業(yè)廣泛接受的功能安全標(biāo)準(zhǔn)[1]。

總結(jié)以上內(nèi)容，以下的幾方面將會影響甚至改變當(dāng)前E/E架構(gòu)的開發(fā)趨勢。

● 純電動及混和動力驅(qū)動方式；

● 高級駕駛輔助系統(tǒng)；

● 云集成；

● 手勢控制等新HMI。

在功能集成方面，多核ECU能夠提供所需的處理性能，以太網(wǎng)能夠提供所需的通信性能。

車輛的功能配置多樣性將會進(jìn)一步增加，這意味著產(chǎn)品線管理、變型管理以及基于標(biāo)準(zhǔn)的平臺化設(shè)計方法更為重要。

對于典型域控制來說，基于AUTOSAR平臺的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被廣泛接納[2]。但是基于Linux以及Android操作系統(tǒng)的平臺同樣也被納入在考慮范圍之內(nèi)。

2 挑戰(zhàn)

如何將所有的方面歸納整合并且設(shè)計最優(yōu)化的 E/E架構(gòu)，首先需要從整個系統(tǒng)的角度考慮，僅僅優(yōu)化系統(tǒng)中的一部分只能導(dǎo)致局部的優(yōu)化。其次，新概念的可行性需要在項目開發(fā)的早期階段進(jìn)行分析研究以避免并減少開發(fā)過程中出現(xiàn)的風(fēng)險。最后需要定義一個最優(yōu)的目標(biāo)架構(gòu)。優(yōu)化一個E/E架構(gòu)有許多目標(biāo)。當(dāng)然，最困難的一些目標(biāo)依然針對于整車。這組目標(biāo)集合叫做全局車輛目標(biāo)。以全局車輛為導(dǎo)向的 E/E架構(gòu)設(shè)計目標(biāo)有（圖2）。

● 成本限制

● 重量限制

● 封裝與幾何限制(例如線徑、絞距、主線束走向)

● 耗電量限制

圖2 E/E系統(tǒng)架構(gòu)全局車輛目標(biāo)

實際上，這些目標(biāo)是作為整車目標(biāo)而設(shè)定，E/E架構(gòu)根據(jù)此目標(biāo)數(shù)據(jù)得到相應(yīng)的預(yù)期。這些目標(biāo)主要從硬件和線束的方面影響E/E的零部件。

然而，系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化不僅僅局限于以上幾個目標(biāo)，同樣存在另外的以功能實施為導(dǎo)向的目標(biāo)集合。

以整車功能為導(dǎo)向的目標(biāo)如圖3所示：

● 實時性需求(例如最大的通信延遲和電控單元(ECU)執(zhí)行時間)

● 診斷服務(wù)請求(通過服務(wù)接口與空中下載(OTA))

● 總線負(fù)載限制(例如車載和車外通信的最大總線負(fù)載率)

● 安全與加密需求

圖3 E/E系統(tǒng)架構(gòu)整車功能目標(biāo)

基于PREEVISION的E/E架構(gòu)設(shè)計并不是為了支持單獨的某個汽車，而是支持包括變型管理在內(nèi)的完整的汽車產(chǎn)品線。

以產(chǎn)品線為導(dǎo)向的設(shè)計目標(biāo)包括一下幾方面，如圖4所示：

● 考慮到變型、選配和產(chǎn)品線；

● 考慮到預(yù)期產(chǎn)量；

● 功能分解與零部件重用；

● 零部件與子系統(tǒng)重用策略。

圖4 E/E系統(tǒng)架構(gòu)產(chǎn)品線目標(biāo)

針對此目標(biāo)的解決方式通常都是折中的結(jié)果，個別專用電氣電子零部件支持專用的變型(少量產(chǎn)品數(shù)量)，相對的，通用類型電氣電子零部件支持所有的變型(大量產(chǎn)品數(shù)量)。

因此，評估并找出最佳的E/E架構(gòu)是一個非常重要的設(shè)計優(yōu)化問題，并且是包含多方面，多種類的問題。

3 PREEvision 方法

PREEvision包含一套E/E架構(gòu)設(shè)計相關(guān)中涵蓋的所有方面，可為架構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化提供一個基于方法的模型。所有在一個E/E架構(gòu)設(shè)計中的需要各方面內(nèi)容、概念均可以通過集成的方式建立模型。包括：

● 網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度方面

● 硬件與結(jié)構(gòu)方面

● 通信與軟件方面

● 功能、特性與需求

PREEvision通過多種模塊化分層結(jié)構(gòu)支持產(chǎn)品線與產(chǎn)品變型模型來處理復(fù)雜的系統(tǒng)，以下為三個經(jīng)論證的系統(tǒng)工程準(zhǔn)則：

● 抽象化

● 分解

● 重用

圖5描述了PREEvision設(shè)計從線束細(xì)節(jié)到原理/電路圖再到ECU網(wǎng)絡(luò)層的縱向的抽象設(shè)計模型，軟件與通信細(xì)節(jié)的建模可并行設(shè)計。

PREEvision設(shè)計模型垂直方向從下至上依次為細(xì)化的線束層、系統(tǒng)原理圖以及ECU網(wǎng)絡(luò)層，細(xì)化的軟件及通信層與之并行建模。更為抽象化的是在其上層的邏輯架構(gòu)層和需求、用戶特性層。

圖5 PREEvision 設(shè)計模型

圖6 PREEvision 數(shù)據(jù)建模系統(tǒng)工程準(zhǔn)則

與垂直方向的分層化設(shè)計相對應(yīng)，水平方向進(jìn)行模塊化的分解設(shè)計。

與垂直、水平方向均相交的斜線方向為重用與變型，這說明了重用與變型在每一層級中均有體現(xiàn)。

PREEvision的產(chǎn)品線工程數(shù)據(jù)模型主要受到以下汽車行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的啟發(fā)：

● 用于需求及用戶特性的RIF[3]與ReqIF[4]特性與測試用例

● 用于系統(tǒng)軟件的AUTOSAR[2]通信設(shè)計

● 用于線束的KBL[5]與VEC[6]幾何規(guī)范

在PREEvision中，在硬件層與軟件層之上由其抽象化的邏輯設(shè)計叫做邏輯架構(gòu)層[7]。考慮到車輛多樣性的功能，這一層在很多年一直保持穩(wěn)定不變，然而軟硬件及通信技術(shù)卻在迅速的發(fā)展與變革。

總體上，PREEvision模型可分為以下幾個層級：

● 用戶特性層

● 需求層

● 邏輯架構(gòu)層

● 軟件架構(gòu)層(基于AUTOSAR)

● ECU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?基于AUTOSAR)

● 通信層(基于AUTOSAR)

● 電氣原理圖層

● 線束層

● 幾何結(jié)構(gòu)層

所有層之間通過映射的關(guān)系鏈接在一起。

3.1 用戶特性

用戶特性層用于為駕駛員與乘客提供便捷、舒適及安全等的用戶特性建立系統(tǒng)模型。由于用戶特性層作為整車產(chǎn)品線架構(gòu)設(shè)計的起始點，在設(shè)計中應(yīng)考慮到市場上所有的用戶特性而不能僅僅考慮某一單一車型的用戶特性。PREEvision的用戶特性通過樹狀結(jié)構(gòu)來表示。不同用戶特性間的約束與聯(lián)系可以建模為FODA[8]樹狀驅(qū)動變型管理。PREEvision軟件集成的解析程序可確保在模型中篩選出需要的用戶特性。有效地特性選擇在特性模型框圖中被高亮，如圖7所示：

圖7 PREEvision中用戶特性模型

3.2 需求

需求層支持任何種類的需求管理與工程設(shè)計，例如功能或非功能相關(guān)的法律法規(guī)。需求可以通過系統(tǒng)化的樹狀結(jié)構(gòu)表示，使用戶能夠通過特定的使用用例定義和擴展需求屬性。Libre Office軟件功能完全支持需求的編輯。支持圖形，表格等豐富的功能格式。需求可以通過表格編輯器和 Libre Office編輯器編輯需求。每個需求都是一個帶有其各自歷史信息的樹狀結(jié)構(gòu)可裂變對象。需求也可以是層級式的對象，使用RIF或Excel格式文件可以方便地導(dǎo)入需求。需求可以互相鏈接并且與其他層級的任意人工模型映射。需求的狀態(tài)可以通過所使用的產(chǎn)品生命周期定義。

3.3 邏輯架構(gòu)

邏輯架構(gòu)提供圖像化的模塊視圖來構(gòu)建整車的控制功能。傳感器功能、控制器功能、執(zhí)行器功能以及環(huán)境功能等均可由不同類型的原子功能塊表示。同樣支持層級式構(gòu)建模塊和邏輯域。此外,需要實現(xiàn)一個特定用戶特性的功能模塊可以分配一個活動鏈，映射到該用戶特性上面。邏輯功能可以映射到ECU層，基于上述的框架模型，相關(guān)總線上的需求信號的產(chǎn)生及觸發(fā)可以通過PREEvision來表示。

3.4 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)層支持完整的AUTOSAR軟件架構(gòu)框架。軟件部件可通過可視化的圖形模塊化，如圖8所示。

圖8 PREEvision中軟件架構(gòu)框圖

3.5 ECU 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

ECU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵訉a(chǎn)品線電控單元，網(wǎng)絡(luò)通信，供電，接地以及集成的傳感器與執(zhí)行器建模。這樣也可以將許多AUTOSAR ECU網(wǎng)絡(luò)考慮在其中。圖9表示一個帶有4個電控單元交互的總線系統(tǒng)。

圖9 PREEvision中軟件架構(gòu)框圖

3.6 通信層

PREEvision支持基于AUTOSAR的通信設(shè)計流程，首先，軟件架構(gòu)與ECU網(wǎng)絡(luò)平行設(shè)計，其次將軟件組件映射到ECU當(dāng)中。下一步PREEvision工具能夠檢測出這些AUTOSAR數(shù)據(jù)元素中哪些需要發(fā)送到總線上，創(chuàng)造出需求的系統(tǒng)信號并將每個系統(tǒng)元素映射到一個系統(tǒng)信號上，這一設(shè)計步驟在AUOSAR中叫做數(shù)據(jù)映射， 一種集成式信號路由程序使用Dijkstrás算法[9]為每一個信號找出最優(yōu)化的路徑并創(chuàng)造出包括網(wǎng)關(guān)ECU通信在內(nèi)的所有相關(guān)信號的觸發(fā)。基于這一步驟，所有總線片段通過通信技術(shù)中的PDU設(shè)計，幀與調(diào)度方法來完成。到目前為止，PREEvision支持CAN，CAN FD，LIN與 FlexRay，即將釋放的版本可支持以太網(wǎng)。最后，可計算出每個總線片段的總線負(fù)載率。

圖10 PREEvision 中通信設(shè)計方法

3.7 原理圖層/電路 線束與幾何結(jié)構(gòu)層

PREEvision通過4個層級的模塊化設(shè)計方法為整車線束的設(shè)計提供便利。它們分別是：ECU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌軜?gòu)原理圖，線束與幾何結(jié)構(gòu)。

ECU網(wǎng)絡(luò)層的目標(biāo)是對于各個ECU在不同項目中的重用來最大化產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。模塊化地設(shè)計包括供電，保險以及接地概念的電氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

在原理圖層，相同的原理圖設(shè)計典型地用于一個家族式的使用完全不同的幾何結(jié)構(gòu)的各種衍生車型。

線束層將目標(biāo)聚焦于所有線束相關(guān)的細(xì)節(jié)，設(shè)計的主要驅(qū)動力將作為一個特定的衍生車型的幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。例如轎車，SUV，Coupe或箱貨車。

典型地，幾何拓?fù)鋵油ㄟ^ CAD軟件獲取并導(dǎo)入到 PREE-vision中。

這幾層均用圖解形式的框圖表示，從線束原理層到幾何結(jié)構(gòu)的路徑可以由線束路由器工具實現(xiàn)-再一次支持 Dijks-tra′s算法。線束的設(shè)計提供所有E/E架構(gòu)需要的幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)的答案：線長，線徑，線重及由此帶來的成本，如圖11所示：

圖11 PREEvision中幾何結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)安全及防護方面可以通過危險與風(fēng)險分析方法(HARA) 考慮和分析，失效模式與效果分析(FMEA)與故障樹分析方案可提供使用。

先進(jìn)駕駛員輔助（ADAS）與云集成這兩個新領(lǐng)域（圖1）需要得到以太網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的充分支持。在新的版本中(V8.0)，這兩方面將作為PREEvision的模塊化解決方案的補充。

基于方法的集成模型提供了信息的單一來源。模型可用于檢測設(shè)計的一致性與完備性。一組滿足用戶特性模型的特性篩選定義并且映射到其他層中。這一方法可以允許E/E架構(gòu)通過給定義的特性篩選而完成。

PREEvision模型可以通過單獨定義的最優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)值來評估。

此外，模型支持團隊協(xié)作，也就是說PREEvision可作為一個團隊協(xié)作的平臺。不同的E/E架構(gòu)設(shè)計能夠在同一產(chǎn)品線上并行工作，所有的架構(gòu)工件在版本控制下映射到權(quán)證以實現(xiàn)整個E/E架構(gòu)的協(xié)同更改與釋放管理。

典型地基于模型架構(gòu)設(shè)計并不是從零開始。普遍的，當(dāng)前的 E/E架構(gòu)將作為下一代架構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計的基礎(chǔ)。（圖12）。

圖12 典型的架構(gòu)設(shè)計步驟

典型的架構(gòu)設(shè)計步驟為：

（1）通過 Excel, EIF, AUTOSAR,DBC[10],LDF[11], FIBEX[12]，KBL或特定的格式的文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)到E/E架構(gòu)中；

（2）歸并，整合并驗證所導(dǎo)入的數(shù)據(jù)；

（3）考慮各種可選方案設(shè)計下一代E/E架構(gòu)的創(chuàng)新點；

（4）沿用用戶定義的優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)值在一個質(zhì)量指標(biāo)下評估并分析設(shè)計可選方案和整個E/E架構(gòu)；

（5）總結(jié)E/E架構(gòu)設(shè)計報告并輸出設(shè)計方案，并將此作為一系列研發(fā)中項目的設(shè)計起始點。

此外還包括：

圖形化示意圖

基于編輯與瀏覽的圖表

多樣化的工程與代碼重構(gòu)工具（例如上文中提到的信號與線束路由器）。

這一方法有益于E/E架構(gòu)設(shè)計新人在一系列研發(fā)項目和產(chǎn)品批產(chǎn)前高質(zhì)量目標(biāo)下的快速的入門與實施。

架構(gòu)設(shè)計并不僅僅作用于產(chǎn)品開關(guān)的開始，而且與產(chǎn)品的開發(fā)的并行設(shè)計。

架構(gòu)的決策和重設(shè)計將在系列產(chǎn)品開發(fā)及下一代架構(gòu)定義中連續(xù)不斷的進(jìn)行著。架構(gòu)設(shè)計與系列產(chǎn)品的開發(fā)的互動與交流在任何時間都是絕對強制的。

4 設(shè)計案例

通常意義來講，E/E架構(gòu)為特定的車型配置進(jìn)行定量的指標(biāo)評估（圖13）。

基本款車型：

標(biāo)準(zhǔn)的E/E功能應(yīng)在合理的成本內(nèi)交付，成本/性能比為主導(dǎo)的設(shè)計準(zhǔn)則。

暢銷款車型：

典型的E/E功能應(yīng)考慮的最高的期望產(chǎn)量來交付；

最高配置車型。

所有的E/E設(shè)計與設(shè)置需要從設(shè)計期望及約束條件方面考慮以協(xié)同工作，例如重量，封裝，總線負(fù)載，能量功耗等等。預(yù)期的產(chǎn)量是低的，但是價錢是卻最高的。成本指標(biāo)在E/E架構(gòu)中并非占支配地位的。

圖13 設(shè)計案例

這意味著優(yōu)化目標(biāo)不僅僅是多維的，也因車型配置和用戶特性選擇不同而不同，并且優(yōu)化的目標(biāo)會改變，如果隨著時間變化，可選的功能配置被用戶廣泛地接受，甚至可能成為了標(biāo)準(zhǔn)配置車型的一部分。

基于所有因素，汽車工業(yè)中廣泛可接受的優(yōu)化目標(biāo)是不存在的。針對于E/E架構(gòu)方面來看，每個整車廠的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化程序或多或少都是特定的。優(yōu)化策略甚至當(dāng)作為知識產(chǎn)權(quán)，這意味著PREEvision作為工具需要靈活的可定制的優(yōu)化策略。因此完整的數(shù)據(jù)模型可被腳本語言支持并且通過JAVA代碼可以支持開發(fā)用戶特定的最優(yōu)化腳本。數(shù)據(jù)模型可以通過權(quán)值來評估而被腳本所更改。使得用戶可以利用工具自動地執(zhí)行以及運行模型和最優(yōu)化策略，或者建模特定的場景和替代方案，通過個例分析做出均衡決策。

5 總結(jié)與展望

基于E/E架構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化方法的模型需要考慮并且支持新一輪的交通車輛的變革。科技革命所帶來的汽車新功能增加了對于安全方面的需求，使得以太網(wǎng)通信技術(shù)的引入。很多優(yōu)化目標(biāo)需要被考慮，優(yōu)化目標(biāo)可以分為不同的種類。僅考慮一種類而忽略其他種類的方法是不充分的(例如 僅僅硬線相關(guān)的模型及權(quán)值)。PREEvision產(chǎn)品線模型支持所有汽車標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)方面。定量的優(yōu)化目標(biāo)試用于專用的車輛配置。優(yōu)化目標(biāo)與權(quán)值是可以靈活配置的。

未來汽車的E/E系統(tǒng)方面功能的增加提升了架構(gòu)設(shè)計與決策在項目初期的重要性，但是架構(gòu)設(shè)計同樣可在項目開發(fā)過程中并行進(jìn)行，架構(gòu)設(shè)計，作為一系列開發(fā)的出發(fā)點，需要無縫地移交到產(chǎn)品設(shè)計工具上，反之亦然。

參考文獻(xiàn)

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