基于Capital的電子電氣系統生成式設計流程

竇明佳，肖 聰，黃 棕

（東風汽車股份有限公司商品研發院，湖北 武漢 430000）

1 引言

整車電子電氣系統的設計涉及硬件、軟件、網絡、線束等各方面，其復雜程度隨著電氣化、智能化、網聯化的趨勢而愈甚，傳統的設計方法因諸多弊端而無法滿足主機廠面臨的諸多挑戰。

1）傳統的功能設計依靠Word、Visio用文字、流程圖來描述車輛的具體功能，因為文字描述可能存在的歧義性以及多個文檔之間無法關聯、數據無法追溯，造成數據的一致性無法保證。

2）傳統的網絡設計信號矩陣、DBC等文件依靠手工編輯，在Excel、CANoe中進行，信號與功能無法關聯，存在信號無法支撐功能實現以及信號冗余的現象，但是在設計階段很難發現，只能在測試驗證階段才能得到糾正。

3）傳統的原理、線束設計依靠AutoCAD等工具進行，原理設計的數據無法直接用于線束設計，需要依靠人工轉化，線束圖紙中回路表的繪制需要耗費巨大人力，且最終原理和線束的數據一致性需要依靠人工校驗，錯誤的概率增大。

4）隨著車輛定制化、個性化的趨勢，車輛的配置愈加復雜，造成車輛線束的種類越來越多，傳統依靠人工來劃分線束種類，分配線束配置的方法已無法滿足需求。

5）電氣化、自動駕駛對車內電器和電子架構進行重大變革，導線的數量、線束的質量急劇增加 （圖1），如何顯著減輕車重以使行駛距離最大化，對電氣系統設計提出了挑戰。

圖1 Chevy Bolt EV低壓線束普通版與自動駕駛版的對比

綜上所述，傳統的設計方法已無法滿足目前車輛電器功能急劇增加的趨勢，而Mentor Graphics公司的Capital軟件平臺可提供從功能設計、架構設計、原理設計、線束設計到線束制造以及電子化維修服務文檔的全流程設計工具，本文將重點介紹基于Capital platform的電子電氣系統生成式設計流程以及該流程在面對上述挑戰的解決措施。

2 Capital平臺的功能模塊及生成式設計流程

Cpaital基礎工具及定義設計模塊如圖2所示。

2.1 基礎工具與企業集成

1）Capital Symbol用于創建和維護原理圖、線束圖中的圖形符號，包括Symbol和Border兩類圖形符號，創建的圖形符號所有項目共用，庫文件實時更新。建立符號圖形庫的方法有兩種：①Capital Symbol環境下繪制；②由DXF文件1∶1比例導入Capital Symbol生成。

Capital Symbol的創建方法如圖3所示。

2）Capital Project用于管理項目和設計，Capital Project結構分為System Level Data和Project Level Data，System Level Data可設置系統級別的值，設置后多個項目可共享使用，Project Level Data可設置項目級別的值，設置后僅在當前項目生效。圖4為Capital Project可設置項目視圖。

圖2 Cpaital基礎工具及定義設計模塊

圖3 Capital Symbol的創建方法

在Capital Project中可定義圖紙狀態等級，系統默認的圖紙狀態等級有Draft、Pending、Released、Obsolete，以及設置用戶在某個發布等級所能進行的操作，例如拷貝設計、刪除設計、創建修訂、打印設計等，同時規定不同發布等級之間的轉換關系，例如Pending狀態可以重新編輯為Draft進行設計更改，而處于Released狀態的設計不允許進行更改，可創建修訂升級版本后進行設計變更，這個要和各主機廠的圖紙發布流程相關。

①Capital Project中Preferences可用于配置系統是否記錄操作日志以及記錄用戶的哪些操作，這個功能可用于后期的設計行為追溯以及錯誤操作的恢復，同時可定義圖片的放置路徑以及設計日志的存放路徑，另外可定義圖片的網格間隔、文本文字樣式等。

②Object Type Information：可針對不同類型的對象定義其名稱、屬性、隔離代碼等。

③Change Polices：用于控制哪些變更可被執行，如創建、更新、刪除等，變更策略同時也可應用于屬性編輯，如控制器用戶是否有權限更改一個幾何的屬性。

④Option Maintenance：用戶可在系統級別或項目級別創建選項，若在系統級別創建，則可以將此選型拷貝到任何項目中，一個選項代表了產品的一個特征或功能，可通過表達式來定義一個產品配置中是否具備此特征或功能。

⑤Query Expressions：可定義查詢規則，系統基于規則來確定對象，可和Style Set結合使用來定義特定的需求。

⑥Rules：可在設計規則中定義設計約束來約束用戶的設計行為。

⑦Style Set：通過樣式集來制定文本、標注等的放置樣式，用戶可對不同類型的對象單獨定義樣式集。

圖4 Capital Project可設置項目視圖

3）Capital Library是Capital的零部件管理工具，可用于創建零部件及零部件分組，同時可創建各零部件間的關聯關系，例如插接件、端子、導線、防水栓、盲堵的匹配關系，所創建的這些零部件可在Capital設計模塊 （Capital Logic、Capital Integrator、Capital HarnessXC）進行調用，可創建的零部件分組如下：Assembly（組合件）；Backshell（尾部附件）；Backshell Plug（尾部附件插頭）；Backshell Seal（尾部附件密封）；Cavity Group（孔位組）；Cavity Plug（盲堵）；Cavity Seal （密封圈）；Clip （卡釘）；Connector （連接器）；Connector Seal（連接器密封）；Device（設備）；Grommet（橡膠件）；Fixtures （固定件）；Heat Shrink Sleeve （熱縮管）；IDC Connector（IDC連接器）；In-house Assembly（自制組件）；Multicore Wire（多芯導線）；Other（其他）；Solder Sleeve（錫焊套筒）；Splice（焊接點）；Tape（膠帶）；Terminal（端子）；Tube （管）；Ultrasonic Weld （超聲波焊接）；Wire （導線）。

Capital Library也可以創建Code（代碼）用于區分一個零部件和其他零部件的區別，可創建的代碼包括顏色代碼、材料代碼、部件類型代碼、客戶顏色代碼、導線規格、特性代碼，這些代碼可用于零部件的創建、維護和具體設計過程中。

4）Capital User提供項目管理工具，可根據項目成員及其任務制定不同的使用權限，為項目設計權限管理提供后臺管理工具，Capital User用戶定義流程如下。

①創建域 （Domains），可以平臺劃分。

②創建用戶角色 （Roles），例如設計師 （Designer）、庫管理員 （Librarian）、項目管理人員 （Project Administrator），不同的角色可分配不同的權限。

③創建用戶賬號 （User Accounts），設定賬號登錄密碼，例如以工號、姓名創建賬戶。

④為賬號分配角色、讀寫域。

⑤創建用戶組。

同時，解除設計鎖定也在Capital User中，在設計過程中因為誤操作、或者軟件異常退出，那么該用戶的設計會被系統自動鎖定，用戶需要在Capital User中來解除對于該設計的鎖定。

2.2 Capital的設計模塊及生成式設計流程

Capital生成式設計流程是目前汽車、飛機行業電子電氣系統設計較先進的設計流程，整合和管理企業特定規則，建立統一的設計平臺及規則約束，減少人工操作、提升自動化能力。生成式設計流程的優勢：①自動化合成運算生成導線、焊接點，減少設計復雜度；②基于企業規則驅動合成結果，如焊點數量及分布、CAN總線合成能力；③支持車型配置管理，基于整車需求進行配置定義，驅動合成線束配置；④合成運算150%線束等級；⑤支持線束等級管理及優化，運用捐贈減少線束等級數量；⑥基于合成結果進行物理成本優化及對比，提供數據對比參數；⑦支持擴展仿真分析應用能力，增強設計驗證能力。

圖5為Capital生成式設計流程，其核心模塊包括Capital Systems Capture、 Capital Systems Architect、Capital Logic、Capital Integrator、Capital HarnessXC。

1）結合外部設計工具如SystemWeaver、Doors進行需求階段的整車需求定義，需求包含用戶特性定義 （Customer Feature）及設計技術需求 （Requirement），通過市場分析、現有車型數據、對標、平臺規劃、新技術等信息，依據功能劃分，制定用戶特性，并將用戶特性進行詳細技術描述形成子系統設計需求 （SSTS），子系統技術需求包括外形、功能技術內容、性能、可靠度、組件特性、驗證計劃、功能安全要求 （ISO26262）等內容。

2）將需求設計階段的文件以UML、XMLbase格式導入Capital Systems Capture進行功能設計，Capital Systems Capture設計不同于Capital Logic的電氣設計的設備引腳之間的電氣連接，而是功能和功能塊之間通過接口 （Port）、信號進行連接，這些功能和塊包含執行器、傳感器和控制組件 （ECU），信號只是功能信號，信號的屬性可以是電氣信號（Electrical Signals）、軟件信號 （Software signals）、網路信號（network signals）、無線信號 （radio frequency transmitted wireless signals），同時可通過Capital Dictionary導入Excel格式信號矩陣表、DBC文件建立企業網絡信號標準庫，在功能設計 （Capital Systems Capture）時調用。

圖6為Capital Systems Capture功能設計。

圖5 Capital生成式設計流程

圖6 Capital Systems Capture功能設計

3）Capital Systems Architect用來進行平臺架構設計，將Capital Systems Capture設計的功能模塊分配到架構平臺的電器模塊上，將不同功能模塊之間的信號轉換為網絡信號、軟件通信或者電氣信號，通過Capital Insight進行架構方案的評估，例如網絡帶寬利用率、RAM、ROM和Flash的需求以及CPU負載，從而幫助設計者決定怎么分配功能以及整車應該有哪些電器零部件來承載響應的功能實現。Capital Systems Architect完成架構設計后可通過自動重構生成子系統電氣原理圖用于下游的EDA設計，可導出XML模型用于軟件設計和網絡設計。圖7為Capital Systems Architect架構設計。

4）將Capital Systems Architect設計完成后自動重構的電氣原理圖在Capital Logic中進行詳細的定義，如導線的規格、多芯線規格、關聯設備庫等，從而形成整車電氣原理圖。圖8為Capital Logic原理設計圖。

5）將整車電氣原理圖、3D電器拓撲、車型配置表在Capital Integrator中進行融合 （Merge），設置綜合布線 （Synthesize Wire）規則，從而自動合成導線、線束等級（Harness Level）、計算線束成本、質量，優化設計，可視化多維度進行設計方案評價。同時運行設計規則檢查 （DRC）進行連接性、綜合規則、一致性設計校驗，針對錯誤、報警問題進行逐項排查解決，保證了設計的正確性。圖9為Capital Integrator拓撲設計。

6）將整車拓撲數據、第三方MCAD數據通過Capital Harness Bridge導入Capital Harness XC，自動從Capital Library數據庫中選擇相同零件號的線束附件，自動根據Capital Integrator中生成的線束等級分解生成線束衍生項 （多配置線束），自動生成物料BOM清單 （多芯線清單、固定件清單、導線清單等），可輸出xml、HTML格式用于查閱。圖10為Capital HarnesXC線束設計。

圖7 Capital Systems Architect架構設計

圖8 Capital Logic原理設計

除通過Capital Harness Bridge將三維線束分支結構導入Capital HarnessXC外，也可手動繪制線束分支結構，手動添加卡釘、橡膠圈、防護方式等。通過設置數據同步規則可選擇性地將Capital Integrator中的數據 （線束段、導線、焊接點等）同步 （Synchronize）到HarnessXC中，同時可根據企業的圖紙規范在樣式集 （Style Set）中定義圖面風格、定義顯示的信息，如回路表、插件信息表、線束衍生信息表等。

3 總結

圖9 Capital Integrator拓撲設計

圖10 Capital HarnesXC線束設計

電子電氣系統的復雜性要求設計工程師擁有處理復雜信息的能力，運用Mentor Capital工具可實現從功能設計、架構設計、原理設計、線束設計的數據可追溯、數據復用，保證了數據的一致性，Capital的生成式設計流程相對于目前國內主機廠普遍采用的交互式設計流程，其設計自動化程度更高，同時規則驅動的自動化設計可降低設計師的重復操作、提升工作效率、提高設計品質，使設計者能夠有更多的精力投入到創造性的工作中。