楊 淑

（明導(dǎo)（上海）電子科技有限公司，上海 200120）

前言

近年來，汽車不僅僅增加了新功能的電子產(chǎn)品，原有的單純的機(jī)械系統(tǒng)在許多領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化控制[1]。汽車電線束正是連接汽車各個(gè)電器與電子設(shè)備的橋梁，在電源、開關(guān)、電器和電子設(shè)備之間傳遞信號(hào)，是汽車的神經(jīng)[2]。尤其是國內(nèi)新能源汽車的普及和智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展，必然會(huì)導(dǎo)致電子電器配置的不斷增加和線束復(fù)雜度的迅速增長，呈現(xiàn)出“量少變化大”的特征。目前一款普通車型的線束零件號(hào)往往達(dá)到數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)，如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的基于固定配置線束總成零件號(hào)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)汽車線束，將很難應(yīng)對(duì)客戶車型定制化種類多、線束總成零件庫存種類多、生產(chǎn)周期長、物流庫存壓力大等諸多問題[3]。為了解決上述問題，汽車線束在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及制造階段的全流程模塊化是一種非常有效的方法。目前國內(nèi)關(guān)于線束模塊化的論文主要集中在如何將線束總成劃分成多個(gè)子組件[4]，較少關(guān)注在較前期階段比如整車電氣原理設(shè)計(jì)階段該如何更好地引入模塊化流程。本文主要關(guān)注整車電氣原理設(shè)計(jì)階段的模塊化方法和復(fù)合方法的混合設(shè)計(jì)模式。

1 線束設(shè)計(jì)流程

線束系統(tǒng)作為汽車神經(jīng)，充當(dāng)著聯(lián)系中央控制部件和汽車各用電器的重任，線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到車輛的安全性，因此汽車線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更為重要和嚴(yán)格。線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)嚴(yán)謹(jǐn)工程，講究循序漸進(jìn)，圖1是汽車線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程[5]。

圖1 汽車線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

（1）目前國內(nèi)不少公司仍然采用基于二維機(jī)械制圖軟件開發(fā)線束系統(tǒng)。這種開發(fā)方式最大的弊端就是無法復(fù)用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期長，無法快速響應(yīng)市場(chǎng)需求。這種基于圖形元素而非數(shù)據(jù)對(duì)象的開發(fā)方式和理念難以應(yīng)對(duì)近年來電子電氣領(lǐng)域的突破性和爆發(fā)性發(fā)展。

（2）目前國內(nèi)外的整車廠越來越多地采用從整車電子電氣架構(gòu)→電線束系統(tǒng)原理圖→電線束系統(tǒng)接線圖→線束系統(tǒng)二維圖的正向開發(fā)流程。比較常用的開發(fā)方式是復(fù)合法即線束總成零件號(hào)驅(qū)動(dòng)的150%線束超集，之后再拆分成若干個(gè)單獨(dú)零件號(hào)所對(duì)應(yīng)的子圖。如圖2所示，復(fù)合線束拆分成2個(gè)子線束，分別用于不同的車型。這種開發(fā)方式流程簡(jiǎn)單，比較容易被設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)使用，對(duì)于像汽車門線束等簡(jiǎn)單線束非常適用。但是這種復(fù)合法難以應(yīng)對(duì)頻繁的線束變更管理以及越來越多的線束定制化需求，尤其是對(duì)車身等復(fù)雜線束。

圖2 線束復(fù)合設(shè)計(jì)方法

（3）為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與客戶日益增長的定制化需求，汽車電線束的模塊化設(shè)計(jì)顯得尤其重要。線束模塊化設(shè)計(jì)的主要原理是將線束總成（如圖3所示），拆分成不同的子模塊/組件，這些組件可以是半成品。每一個(gè)模塊都作為一個(gè)變量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的管理，通過對(duì)模塊不同的排列組合，實(shí)現(xiàn)不同的線束功能。

圖3 線束總成示例

如圖4所示，線束總成被拆分成3個(gè)子模塊，通過對(duì)模塊1和模塊2組合，模塊1和模塊3組合可以分別得到不同的線束總成。

圖4 線束子模塊示例

2 基于Capital的混合開發(fā)模式

針對(duì)比較小型的線束，有些整車廠可能希望延續(xù)傳統(tǒng)的基于固定配置的設(shè)計(jì)流程即使用常規(guī)的線束零件號(hào)來滿足車型配置即可。在這種情況下，整車電氣系統(tǒng)上就會(huì)出現(xiàn)兩種不同的線束設(shè)計(jì)流程，即：模塊化設(shè)計(jì)與復(fù)合法設(shè)計(jì)。為了能夠在相同的線束開發(fā)環(huán)境下支持兩種流程，我們?cè)诖艘牖贑apital軟件的生成式設(shè)計(jì)流程。

2.1 開發(fā)工具介紹

Capital軟件是西門子工業(yè)軟件公司為汽車電子電氣提供解決方案的工具套件，可高效創(chuàng)建并利用電氣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，其強(qiáng)大的技術(shù)能力可壓縮產(chǎn)品定義、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、服務(wù)等環(huán)節(jié)的成本，此外還高度開放了軟件的API接口用于擴(kuò)展軟件功能，目前廣泛地被國內(nèi)外主流汽車整車廠采用為線束系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。

2.2 生成式流程介紹

基于Capital的生成式流程的起點(diǎn)是“系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)”（通常稱之為“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”或“邏輯設(shè)計(jì)”），其包含了電器設(shè)備之間的信號(hào)連接關(guān)系。

生成式設(shè)計(jì)在應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié)是自動(dòng)合成導(dǎo)線，即 Capital軟件會(huì)利用內(nèi)置算法把“系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)”中的所有連接關(guān)系根據(jù)一系列輸入信息自動(dòng)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)線，所對(duì)應(yīng)的圖紙一般稱之為“接線圖”。最重要的是這種流程同時(shí)支持基于零件號(hào)的固定配置方法和模塊化方法（功能驅(qū)動(dòng)的客戶定制化線束開發(fā)/KSK），只需在邏輯設(shè)計(jì)中將簡(jiǎn)單的選項(xiàng)標(biāo)記添加到電氣設(shè)備上即可。圖5所示為“系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)”中的音響電路原理圖。

圖5 汽車音響原理圖

為了讓軟件自動(dòng)合成導(dǎo)線，輸入信息除了需要包含信號(hào)連接關(guān)系的“系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)”，還需要如下信息：

（1）選項(xiàng)代碼定義及其邏輯關(guān)系的完整定義。

“選項(xiàng)”即“Option”代表了可供最終用戶選擇的功能，如圖6所示的“Drive”為一個(gè)“選項(xiàng)組”，其代表了左側(cè)駕駛還是右側(cè)駕駛兩種情況，右側(cè)的詳細(xì)信息顯示：該“選項(xiàng)組”內(nèi)成員互斥，且必須存在一種。

“選項(xiàng)”間邏輯關(guān)系的完整定義通常包括“互斥”“包含”以及“強(qiáng)制”等。通常是指技術(shù)上的約束，如圖6所示，左側(cè)駕駛和右側(cè)駕駛不能同時(shí)在一輛車上存在。

圖6 選項(xiàng)代碼及其邏輯關(guān)系定義

（2）功能模塊代碼Function Module Code的定義及其邏輯關(guān)系的完整定義。

“功能模塊代碼”是完成某一功能的部件的集合即模塊，以代碼標(biāo)識(shí)。對(duì)應(yīng)于模塊化線束開發(fā)即KSK流程，在原理圖設(shè)計(jì)階段需要提前定義好所需的“功能模塊代碼”以及代碼間的依賴關(guān)系等。同傳統(tǒng)開發(fā)流程中“選項(xiàng)”間的關(guān)系定義類似，“功能模塊代碼”間也可以定義完整的“互斥”“包含”以及“強(qiáng)制”等關(guān)系。

圖7 模塊代碼定義

（3）車型配置管理。

車型配置關(guān)系是自動(dòng)合成過程中非常重要的輸入，其確定了該車型在市場(chǎng)上的可供選擇的功能，反映了市場(chǎng)需求和公司的產(chǎn)品策略，具體表現(xiàn)為確定了哪些功能為可選或者不可選，或者是標(biāo)準(zhǔn)功能。車型配置的定義視需要定義一個(gè)或者幾個(gè)，其定義需要考慮技術(shù)的約束和市場(chǎng)的需求。如圖8所示按照左右駕和3/5門定義了4種車型，其中車型“5Door_ LHD”的“CDChanger”為可選功能，“DoorLock-Pass”為標(biāo)準(zhǔn)功能。

圖8 車型配置定義

通常情況下，選項(xiàng)功能之間有一定的約束，比如互斥或者包含，否則會(huì)由于“可選”模塊間的排列組合導(dǎo)致非常多的無用組合。比如豪華配置的功能一般不會(huì)有低配的功能在一起，因此可以加約束“互斥”，以此避免豪華功能和低配功能同時(shí)出現(xiàn)在同一線束上的情況。

（4）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Planview）。

Planview又稱布置圖，反映了整車各用電設(shè)備的位置，線束的分割關(guān)系，線束在車身鈑金上的各個(gè)通孔位置。如圖9所示，布置圖主要由線束段和“槽”組成，其中“槽”代表可以放置各種用電設(shè)備的容器。

圖9 車型布置圖示例

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在3D機(jī)械CAD軟件中創(chuàng)建后通過Capital軟件自帶的橋接功能導(dǎo)入Capital，從而實(shí)現(xiàn)三維線束長度、連接器位置以及潛在線束布線通道等機(jī)械三維信息和Capital軟件中的導(dǎo)線信號(hào)信息無縫集成。

2.3 模塊化方法中的自動(dòng)合成接線

圖10 模塊化合成

Capital軟件提供了“Modular Synthesis”自動(dòng)合成接線 功能，能夠非常準(zhǔn)確、快速地把輸入信息進(jìn)行加工，從而快速自動(dòng)生成導(dǎo)線。

在合成的過程中，Capital軟件內(nèi)置算法會(huì)將每個(gè)“選項(xiàng)表達(dá)式”作為模塊來對(duì)待并自動(dòng)分組。用戶可以根據(jù)需要把軟件自動(dòng)生成的代碼與系統(tǒng)中預(yù)定義的“功能模塊代碼”進(jìn)行映射。完成模塊定義（模塊劃分）后的車身線束如下所有生成的屬于車身線束的導(dǎo)線都完成了模塊的定義，如圖11所示。

圖11 導(dǎo)線模塊化

2.4 基于復(fù)合法的自動(dòng)導(dǎo)線合成

對(duì)于門線束一類的比較低復(fù)雜度的線束，一般無須做模 塊化設(shè)計(jì)。Capital軟件中同時(shí)支持這種開發(fā)流程，對(duì)應(yīng)的自動(dòng)接線合成方式為：Full Synthesis，如圖12所示。

圖12 復(fù)合法導(dǎo)線合成

如圖13所示，Capital軟件按照復(fù)合法計(jì)算出的門線束僅有兩種組合，可以非常便利地在Part Number欄位指定線束的零件號(hào)。在下游二維線束圖紙?zhí)幚磉^程中，這兩種組合分別對(duì)應(yīng)于不同的車型。

圖13 復(fù)合法下的線束子圖組合

3 線束混合設(shè)計(jì)模式的效益

混合開發(fā)模式主要針對(duì)整車廠整車電氣設(shè)計(jì)部門，主要的優(yōu)勢(shì)在于Capital軟件提供的生成式流程自身優(yōu)勢(shì)和所采用混合開發(fā)模式。目前國內(nèi)數(shù)家領(lǐng)先的整車廠采用混合設(shè)計(jì)模式來進(jìn)行整車電氣原理設(shè)計(jì)。

（1）Capital內(nèi)置的生成式流程本身是一種“設(shè)計(jì)即正確”的開發(fā)方法，其利用多種輸入信息自動(dòng)的合成導(dǎo)線，不受人工因素干擾。此外，生成式設(shè)計(jì)支持廣發(fā)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)復(fù)用，包含導(dǎo)線信息的車型拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以在后續(xù)新項(xiàng)目中通過增刪車型來適應(yīng)新項(xiàng)目的需求。

（2）Capital軟件提供了多種自動(dòng)化的規(guī)則檢查和數(shù)字連續(xù)性，即與相鄰領(lǐng)域（與需求建模和線束工程）的無縫數(shù)據(jù)整合。無論是模塊化方法還是傳統(tǒng)復(fù)合方法下生成的導(dǎo)線信息均可以無縫地傳遞到下游模塊，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效、準(zhǔn)確與及時(shí)傳遞。

（3）對(duì)于比較復(fù)雜的線束如車身線束，采用模塊化設(shè)計(jì)可以大大降低線束設(shè)計(jì)、制造以及物流方面的壓力，使得線束開發(fā)過程簡(jiǎn)單化，流程化和系統(tǒng)化。

（4）對(duì)于比較小型的線束如門線束，采用常規(guī)復(fù)合方法開發(fā)流程可以在維護(hù)非常少量零件號(hào)的方法下延續(xù)已有的開發(fā)流程，增加了線束設(shè)計(jì)開發(fā)方式的靈活性。

4 結(jié)論

隨著用戶對(duì)車輛個(gè)性化配置的需求越來越高以及車身等 大型線束越來越復(fù)雜，模塊化線束設(shè)計(jì)是一種很好的解決方案。針對(duì)當(dāng)前整車廠的實(shí)際情況，本文提出的混合式設(shè)計(jì)方式是一種靈活的線束設(shè)計(jì)方法：對(duì)大型線束采用模塊化方法，對(duì)小型線束沿用傳統(tǒng)零件號(hào)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。目前國內(nèi)的自主品牌和領(lǐng)先的線束供應(yīng)商紛紛從線束模塊化設(shè)計(jì)和線束模塊化制造方面積極探索，這顯示出模塊化思想在國內(nèi)市場(chǎng)巨大潛力。但由于線束模塊化對(duì)于技術(shù)和資金投入，供應(yīng)商模塊化線束制造能力以及管理等多方面具有較高要求，目前這種模塊化方法還沒有在國內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用。相信隨著開發(fā)工具的不斷創(chuàng)新和設(shè)計(jì)思路的不斷開闊，線束模塊化最終將逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。