一種基于通信矩陣的汽車電子電氣系統建模方法

李德辰 孫知信 濮陽

摘? 要：在汽車電子電氣設計制造領域，基于模型的系統工程思想已經開始逐步取代傳統基于文檔的設計開發流程。面向PREEvison使用的EEA分層模型架構，該文設計實現了一種基于通信矩陣的快速建模方案，采用PREEvison的二次開發功能進行總線通信網絡和軟硬件網絡拓撲的自動化建模。該文提出的方法在工程實踐中，顯著提高了相關車型平臺的建模工作效率并為相關設計企業將現有設計文檔轉化為可復用的數據模型。

關鍵詞：汽車電子電氣? 基于模型的系統工程? PREEvision? 通信矩陣

中圖分類號：N945.12;U463.61? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）02（b）-0088-03

A Method for Automobile Electronic and Electrical System Modeling Based on Communication-Matrix

LI Dechen? SUN Zhixin*? PU Yang

（School of Modern Posts， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu Province， 210000? China）

Abstract： In the field of automotive electrical and electronic design and manufacturing， model-based system engineering has begun to gradually replace the traditional document-based design and development process. For the EEA model architecture used by PREEvison， this paper designs and implements a rapid modeling solution based on communication matrix. Use the secondary development function of PREEvison to automatically model the bus communication network and hardware network topology. In engineering practice， the method proposed in this paper greatly improves the modeling efficiency of related vehicle models and transforms existing design documents into reusable data models for related design companies.

Key Words： Automobile E/E; MBSE; PREEvision; Communication matrix

現代汽車的電子電氣網絡包含了大量電子控制單元（ECU）、傳感器和執行器，它們通過各種總線通信系統和網關進行通信，隨著汽車智能化、車聯網化的發展，新車型的電子電氣系統復雜度不斷提升。汽車整車電子電氣系統開發作為一項復雜的跨學科系統工程，傳統的基于文檔的設計開發模式在實際項目中版本控制復雜，產業鏈上下游相關企業協同設計開發的難度因此大大增加，近年來汽車行業引入基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）思想，逐步開始向基于模型的設計開發模式轉換。

1? PREEvision的分層建模架構

近年來車聯網系統、駕駛輔助系統和自動駕駛功能等升級使得汽車電子系統架構愈發復雜，為應對這種系統復雜度的提升，降低整車集成成本和研發周期，汽車行業現在正在逐步采用不同架構視圖的集成建模方法[1]，PREEvison作為其中一種主流的汽車電子電氣架構模型開發工具，使用EEA分層模型架構[2]，這種模型架構提供了復雜的建模功能支持，通過該模型對汽車E/E系統開發設計各階段進行對接，使得不同的設計團隊在工程開發各個階段能夠基于相同的模型協同工作，如圖1所示。其采用的分層架構基于UML和SysML進行模型可視化描述[3]。PREEvison作為在汽車工業使用MBSE理論的一個建模軟件平臺[4]，對目標模型按需求工程、功能系統邏輯、通信網絡設計、軟件/硬件體系結構、線束拓撲對整車電子電氣開發進行分層建模[5]。PREEvison支持對模型組件元素的抽象、分解和重用以及車型高低配置的變形管理[6]，同時還支持對各層模型之間進行層間映射。

2? 基于通信矩陣的系統建模

2.1 建模流程描述

汽車電子電氣系統架構開發包括自頂向下和自底向上兩種開發流程[7]。一般新車型平臺開發多采用自頂向下流程開發，基于統一的需求定義格式對需求層進行建模。當具體功能域子系統有供應商成熟方案則一般采用自底向上方案，使用相關工具鏈導入相關數據，向上對需求層、邏輯功能架構和線束信息進行建模[8]。結合上述兩種順序建模流程，該文根據工程實踐需要，在參考傳統文檔的形式的功能需求和完成了通信網絡設計的前提下，設計了一種基于信號矩陣的快速建模方法。建模流程如下。

（1）Metric算法模型構建。

（2）通信層信號報文建模與模型合并。

（3）硬件層模型復用與自動重構。

（4）軟件架構層建模。

（5）邏輯層建模。

2.2 通信層自動導入建模

通過PREEvison內置的Eclipse編輯器對Metric算法模型的計算模塊（CaculationBlock）進行Java代碼編寫，構建自動導入建模的算法模型，隨后執行導入算法模塊將通信工程師給出使用CANoe導出的DBC、LDF等格式的通信矩陣文件以通信層模型包的形式導入到EEA模型數據庫中。

執行對應的計算模塊后在模型數據庫中分別生成了不同的導入包，分不同批次導入的信號矩陣文件分屬于各功能域的不同通信總線，所以導入后的信號層模型包要在產品線級模型層級進行合并操作。通過使用合并模塊（MergeBlock）根據項目需要先設定好融合規則，將待合并的導入包作為合并模塊的輸入參數對上述步驟導入的模型包和硬件組件元素進行模型合并，從而確保系統內部元素的一致性。合并生成的通信層模型既包含了信號、報文的詳細屬性定義信息，也自動生成了基于網絡節點的信號路由信息，為后續建模流程提供了公用模型資源池。最后通過內置表格和模型樹視圖核對導入的信號報文屬性。

2.3 硬件層模型

硬件網絡架構模型是對上文建模的通信網絡物理實體抽象，通過復用公用模型資源池中的ECU、等元器件模型組件，根據具體子功能的構圖需要對硬件網絡拓撲進行圖形化建模描述。網絡拓撲圖中的模型塊元素間自動生成的連接關系同時也蘊含了信號路由信息，極大地提高了建模工作效率。同時將手動操作帶來的潛在錯誤降到了最低。

復用信號層導入的網絡節點ECU組件進行硬件網絡拓撲層建模，從而對早先導入的結構化信號路由數據進行圖形化顯示。在硬件網絡層對連接關系參照相關文檔進行詳細屬性定義，硬件網絡拓撲中抽象連接關系此時包含了總線通信設計導入的相關詳細定義，對其進行自動重構便可以生成對應的電氣原理圖。類似的，對電氣原理圖進行細化設計可以重構生成對應的線束原理圖。

2.4 軟件層模型

與硬件網絡拓撲層類似，軟件層建模基于對之前導入的模型組件資源的復用。按詳細功能設計文檔建立對應的軟件架構圖，軟件層基本建模組件（SWC）間的端口自動繼承自報文名，連接關系自動繼承自通信層的信號路由。

2.5 邏輯層模型

在上述工作的基礎上，依照硬件層的網絡架構設計再對整車邏輯功能架構模型進行搭建。整車系統架構采用硬件網絡層的拓撲布局，通過繼承軟件架構使用的端口和接口屬性按系統功能設計文檔對功能域內抽象功能模塊建模。完成了五大功能域、網關、T-Box邏輯層建模。

3? 結語

該文提出一種基于信號矩陣的汽車電氣架構快速建模方法，采用PREEvison分層模型架構，通過Metric算法模型進行信號層自動化導入建模工作。該方法在順序開發流程的基礎上，以通信層作為建模起點，對目標車型平臺的軟硬件功能架構進行建模，通過使用PREEvison的Metric二次開發功能自動化導入模型元素，實現了傳統設計文檔到單一抽象模型庫的轉換，顯著提高了建模工作效率，同時保障了項目前期架構設計開發的一致性和工作質量，為企業積累了可復用的數據模型和相關工程經驗，取得了較好的經濟效益。

參考文獻

[1] 王永輝.基于PREEvision的汽車電子電氣架構設計介紹[J].汽車實用技術，2019（15）：111-112.

[2] harald Bucher，jurgen Becker. Electric Circuit-and Wiring Harness-Aware Behavioral Simulation of Model-Based E/E-Architectures at System Level[C]//IEEE International Systems Engineering Symposium （ISSE）.2018：1-8.

[3] 馬燕燕，楊志斌，江國華.一種SysML模型到AADL模型的自動轉換方法[J].計算機工程與科學，2020，42（3）：456-466.

[4] hannes Stoll，eduard Koch，Eric Sax. Integration of ROS communication interfaces in a model-based tool for the description of AUTOSAR-compliant electrical/electronic architectures （E/EA） in vehicle development[C]//2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems （ITSC）.2020：1-6.

[5] 趙洪林.基于Pareto的L4級智能電動汽車EE架構優化及實現[D].天津職業技術師范大學，2020.

[6] 周濤.基于PREEvision的汽車電子電氣架構研究[D].河北工業大學，2016.

[7] 袁仲楠.基于PREEvision的電子電氣架構開發研究[J].電子測試，2020（3）：55-57，130.

[8] 匡小軍，唐香蕉，周濤，等.基于PREEvision的汽車電子電氣架構工具鏈研究[J].汽車電器，2019（8）：62-64.