PREEvision软件的电子电气架构的设计开发应用

摘要

　　近些年，消费者对整车的舒适性、稳定性、可靠性等提出了更多的要求。

　　为了满足这些要求，整车电子电气系统的复杂性不断增加，用电设备也越来越多，同时整车开发的成本压力也越来越大。如何缩短设计开发周期、减少研发成本、降低部件成本、提高开发效率成为整车电子电气设计开发面临的主要问题。

　　本文通过对传统线束设计方法的深入分析结合对PREEvision软件的研究，提出基于模型的线束设计方法，以改善车电子电气设计开发面临的问题，缓解日益增加的设计成本，减少重复性工作。

　　PREEvision软件作为基于模型的计算机辅助设计软件，主要用于电子电气架构的设计开发，功能涵盖着从概念原型规划阶段到具体详细规划阶段。在对传统线束开发方法分析的基础上，提出基于PREEvision软件进行线束开发的基本流程。建立线束设计开发过程中使用部件的数据库，依据传统线束设计的原则及方法，在PREEvision软件中完成原理层、线束层和拓扑层的设计以及模型的搭建。此外，利用PREEvision软件搭建匹配计算模型，对在原理层设计过程中选择的线束部件进行匹配校验。在进行拓扑层设计时，利用计算最短路径的迪杰斯特拉（Dijkstra）算法，选择最优的布线路径，从而得到优化的线束设计方案。

　　利用PREEvision软件搭建评估线束的计算模型，对线束设计方案进行评估。

　　利用搭建的线束回路数模型、线束长度模型、线束成本模型、线束重量模型、平均线径模型对线束方案进行评估。对于整车设计过程中的不同配置车型或者设计方案，利用PREEvision软件进行变型管理，并利用评估计算模型对线束设计方案的各变型进行评估，以得到最优的线束设计方案。

　　关键词：模型，线束，PREEvision,二次开发，变型管理

　　ABSTRACT

　　In recent years, consumers have put forward more requirements about the vehicle's comfort , stability, reliability and so. In order to meet these requirements, vehicle electrical and electronic system complexity is increasing, electrical equipment is also increasing, the cost of vehicle design pressure is growing as well. Therefore, how to shorten the design cycle, reduce the design costs, reduce component costs, improve design efficiency has become a main problem in the design and development of electrical and electronic equipment.

　　Through the traditional harness design method analysis and the study of PREEvision, this paper proposes a harness design method based on the model, in order to improve the vehicle electronic and electrical design and development problems., alleviate the increasing design cost and reduce the repetitive work.

　　the design of electronic and electrical architecture development. The features of PREEvision is range from conceptual prototype design phase and specific detailed design phase. The Design of Automotive Electronic And Electrical Harness used byPREEvision based on the traditional harness design method is proposed. A database of components used in the harness design process is created. According to the traditional harness design principles and methods , The principle layer, harness layer and topology layer design and model of the structure are completed in PREEvision. In addition, PREEvision is used to build the matching calculation model to check the selected wiring harness components in the course of the design process. In the design of topology layer, the optimum routing path is selected by using Dijkstra algorithm, in this way, the optimal path and optimized design scheme of harness is obtained.

　　PREEvision is used to build the evaluation harness model to evaluate the harness design. The model of harness loop number, harness length, harness cost, harness weight, average wire diameter is built. The harness design scheme is evaluated using these model. For the different configuration and design in the vehicle design process, PREEvision is used to conduct variant management, and each design of the wire harness is evaluated by the evaluation model to obtain the optimal harness design.

　　KEYWORDS:model, wire harness, PREEvision, secondary development, variant management

　　目 录

　　第一章 绪论

　　汽车的出现实现了人类短距离快速移动的梦想，它不仅缩短了人类相互间的距离，也极大的推动了社会的进步与发展。在汽车出现至今的一百多年时间里，已经从一种奢侈品成为一种较为普遍的交通工具。然而，就在汽车工业急剧进步的今天，汽车的使用者以及制造者也面临着急剧发展带来各种问题。日益增多的交通事故，日益突显的环境问题，逐渐增加的行业竞争压力，这些问题都对汽车的制造者和生产者提出了更高的要求。汽车线束作为整车的重要组成部分，在一定程度上影响着汽车行业的发展。

　　1.1 汽车线束的发展及现状

　　伴随着汽车行业的发展，整车功能和用电器的增加，使得整车的线束也越来越复杂，成本也越来越高。如图 1.1 所示的为整车用电器及线束的演化发展历程。在汽车行业发展的初期，由于汽车结构简单，少有电器设备，人们将大部分精力放在了对机械性能方面的研究，汽车线束仅仅作为电路的导通工具，其经济性、可靠性没有引起设计者的关注。到 20 世纪末，汽车行业得到了迅猛的发展，整车电气系统日趋复杂，汽车线束除了导通电路，其信号传输的作用也越来越得到重视。为了解决整车用电器不断增加的问题，设计者开始不断增加电线回路，这样做导致的结果就是电线、连接器、传感器等数目的不断增加。

　　进入 21 世纪以来，日益增加的电气部件满足了整车的各种功能，同时改善了汽车的舒适性和可靠性[1-2].但是，设计者们逐渐意识到，线束回路的增多不仅占用了整车空间，还增加了整车重量，此外，越来越繁杂的线束也降低了整车的可靠性，增加了维护地难度。如今，线束成为汽车的关键零部件，占汽车重量的比重为 2%,并且伴随汽车用电器的逐渐增加而继续扩大[3].除此之外，由汽车带来的环境问题日益突显，汽车行业的竞争日趋激烈，整车的线束设计与优化得到了越来越多的重视[4].据 悉 [5],一辆高档汽车上导线的使用量达 2km,其重量达到 20~30kg.而线束重量每减少 10%,燃油经济性可提高 3%.

　　早期的汽车电气系统，主要是通过硬线进行信号传输，这样的设计不仅增加了线束的复杂性，也大大增加了线束的成本和线束的重量。随着整车电子器件的急剧增多，单纯的依靠硬线传导信号逐渐的不能符合整车的需求。博士企业研发的专门使用在汽车上的串行通讯系统控制器局域网（CAN）应时而生[6-7].CAN 总线技术为串行通讯协议，可以有力地支持具有较高安全等级的分布实时控制。CAN 总线技术能够使用的领域广泛，从高速的通讯到低端的多路接线都能够应用。目前，汽车普遍使用 CAN总线[8]的通信技术。总线技术的应用，不仅满足了电子控制系统中的数据交互，也极大的优化了整车的线束系统，促进了电子电气架构的进步。

　　汽车的线束主要分为发动机舱线束、仪表台线束和车身线束三个大部分。前舱线束如图 1.2 所示，主要是蓄电池与发动机、蓄电池与发电机、前照灯、转向灯等回路，不同的车型还包含各种不同的 ECU 回路。

　　仪表线束如图 1.3 所示，一般是位于仪表附近的线束，仪表线束连接了各种功能开关，多媒体设备和大部分电子控制单元等。

　　1.2 PREEvision 软件概述

　　近些年来，随着工业技术的发展，基于模型的开发形式逐渐作为开发手段被设计者所接受[9-10],并逐渐应用在实际的工程领域。近些年，基于模型的开发设计方法也开始被应用到汽车工业当中，其缩短设计周期，较少重复工作，提高工作效率的优势也日益体现出来。基于模型[11-12]的设计，主要是依靠某种功能全面的工具软件完成的，将其应用于整车电子电气架构中，有效地促进电子电气架构设计地发展。

　　电子电气架构的设计过程涵盖了整车的需求分析、功能安全分析、功能逻辑、硬件架构、电气原理、线束连接、拓扑设计以及各层之间的信息交互[13].PREEvision软件是 Aquintos 公司研发的基于模型的计算机辅助开发软件工具，主要用于电子电气架构的概念设计、对比验证和产品开发等。PREEvision 软件的主界面如图 1.5 所示。

　　作为一款基于模型的整车架构辅助软件，PREEvision 软件包含了整个设计中的各层内容：需求层、逻辑架构和逻辑类库、软件系统架构、硬件系统架构、线束层设计、拓扑层设计以及各层面之间的映射联系[14-16].其分层开发的理念不仅将架构的设计工作逐步细化，还将不同领域的工程师通过 PREEvision 软件结合在一起协同工作，使不同领域的工程师可以将更多的精力放在自己所擅长的方面，并使用相同的资源，保证了整个设计开发过程的一致性。

　　除此之外，PREEvision 软件是一款自上而下的开发工具，其基于模型的架构开发思想，对整车电子电气架构设计的平台化发展有很大推动作用。PREEvision 软件的一大特点就是可以针对架构中各层建立模型，层与层之间的模型通过相互映射建立联系，便于设计者用于设计、验证以及评估。如图 1.6 所示为架构中各层搭建的模型内容。

　　PREEvision 软件整合了全面的电子电气架构数据模型，模型中包含着上百个类和属性，架构开发的每个层次都有专用的搭建环境，它包含了输入需求分析，功能设计，软硬件及网络开发，线束及拓扑结构等多个电子电气架构相关的范畴，并能够实现电子电气架构平台化开发与变型管理[17-18].

　　在整车电子电气架构设计流程中，PREEvision 软件中有可供实现评估优化验证的二次开发的环境。通过二次开发得到的评估结果，甚至可以是精确地结果。此外PREEvision 软件支持第三方工具资源的输入与输出，例如在需求层设计时，可直接导入 DOORS、Excel 形式的需求文件。

　　在利用 PREEvision 软件[19]进行线束设计时，不同领域的工程师相互之间联系起来，协同工作。通过综合的数据模型，能够在早期的开发阶段进行影响分析；通过自动化的评估方式可以更快的进行迭代计算；使架构过程具有可追溯性；更快的进行一致性检查；基于模型的设计方法支持输入需求的变更。如图 1.7 所示为基于 PREEvision软件的设计流程图。

　　PREEvision 软件不局限于单个架构项目开发，具有平台化和通用性的特点。规范了架构流程。开发人员可以在同一模型数据库下进行各自系统的开发[20].利用PREEvision 软件做变型管理时，不仅可以复用搭建的模型，对于变型方案的评估，也可以通过建立的各种计算模型直接得出，减少了开发周期，提升了设计开发效率，减小了设计人员的工作量。目前，国外的很多汽车厂商如大众、通用、福特、沃尔沃等，都将 PREEvision 软件作为电子电气架构的工具使用，而国内汽车电子电气架构设计还处于刚刚发展的阶段，尚未形成较为成熟和完备的系统设计流程。

　　1.3 课题研究的内容及意义

　　1.3.1 课题研究内容

　　本文研究的主要内容是利用 PREEvision 软件对整车线束设计评估流程进行优化。

　　通过深入学习了解 PREEvision 软件，掌握其基本功能和操作外充分发挥软件在基于模型设计开发中的优势。

　　首先梳理了传统的整车线束设计方法，在此基础上，利用 PREEvision 软件对整车电子电气架构过程中的线束开发地过程进行研究完善。通过对线束设计流程的重新梳理和深入的理解，将 PREEvision 软件作为开发工具应用其中。通过现有车型和标 杆车型的线束设计方案研究，创建线束部件的数据库。在线束设计的过程中建立部件模型，完成电气原理层模型、线束层模型以及拓扑层模型的搭建，并按照最短路径的原理，在拓扑层中确定布线路径。对于线束设计中选用保险丝、导线等进行匹配校验。

　　模型搭建完成后，利用 PREEvision 软件进行变型管理，通过其提供的二次开发平台搭建的评估计算模型，对各线束方案实现验证，以得到合理的可接受的线束设计。

　　基于 PREEvision 软件的整车线束设计研究内容及流程如图 1.8 所示。

　　1.3.2 课题研究意义

　　在人们意识到汽车线束的设计对整车设计的重要性后，设计者开始使用各种方法以求得到合理优化的线束设计方案，包括部件选取、线路的数量、材料使用以及它们在车辆中的布置等[21].当基于模型的开发技术还没有得到发展的时候，完全理解和掌握汽车开发的复杂性是一项巨大的工作量，随着基于模型方法的出现，设计者利用各种开发工具软件优化汽车的设计过程。PREEvision 软件作为一款基于模型的电子电气架构开发软件，利用其特点来完善设计方案，提高工作效率，缩短设计周期，降低生产制造成本。

　　同时，利用 PREEvision 软件[22-24]得到的优化结果，在一定程度上可以提高整车的性能，不仅对于汽车设计制造者来说可以减少设计生产成本，对于汽车的使用者来说可以减少燃油消耗，对于减少汽车带来的环境问题也有重要帮助。

　　1.4 本章小结

　　本章介绍了汽车电气及线束的发展趋势及现状，并介绍了基于模型的设计开发的工具 RPEEvision 软件。分析了目前整车线束设计面临的问题，结合 PREEvision 软件在基于模型方法中的优势，提出了利用 PREEvision 软件来进行基于模型的电子电气线束设计的方法，简单介绍了本文研究的内容。
 
　　第二章 整车线束设计
　　2.1 电气原理设计
　　2.1.1 电源分配设计
　　2.1.2 保险丝和继电器的初选
　　2.1.2.1 保险丝的选择
　　2.1.2.2 继电器的选择
　　2.1.3 搭铁点设计
　　2.1.3.1 搭铁的类型
　　2.1.3.2 搭铁的方式
　　2.1.3.3 搭铁点的布置
　　2.2 导线的初选及布置
　　2.2.1 导线类型的选取
　　2.2.2 线束的布置
　　2.3 本章小结

　　第三章 基于 PREEvision 的线束设计流程及模型搭建
　　3.1 线束类型的定义
　　3.1.1 PREEvision 软件中数据库的类型
　　3.1.2 线束数据库的建立
　　3.2 电气及线束模型的建立
　　3.2.1 电气原理层设计
　　3.2.1.1 保险丝的匹配计算模型
　　3.2.1.2 导线与保险丝的匹配计算模型
　　3.2.1.3 搭铁点的模型
　　3.2.2 线束层设计
　　3.2.3 拓扑层设计

　　3.3 自动线束路由
　　3.3.1 线束路由的映射
　　3.3.2 线束路由
　　3.3.2.1 理论基础-迪杰斯特拉算法
　　3.3.2.2 线束路由的实现
　　3.4 本章小结

　　第四章 PREEvision 的二次开发与评估验证
　　4.1 基于 PREEvision 的二次开发理论基础
　　4.1.1 PREEvision 的二次开发环境
　　4.1.2 PREEvision 的二次开发原理
　　4.1.2.1 模型规则
　　4.1.2.2 算法原理
　　4.1.2.3 报告输出

　　4.2 基于 PREEvision 的二次开发模型
　　4.2.1 线束回路数模型
　　4.2.2 线束长度模型
　　4.2.3 线束成本模型
　　4.2.4 线束重量模型
　　4.2.5 平均线径模型
　　4.3 基于 PREEvision 的二次开发应用
　　4.4 本章小结

　　第五章 变型管理及线束方案分析
　　5.1 基于 PREEvision 的变型管理概述
　　5.1.1 变型管理的概念
　　5.1.2 变型管理的开发
　　5.2 变型方案中的线束评估
　　5.2.1 变型方案中线束的影响
　　5.2.2 变型方案的评估
　　5.3 本章小结

第六章 全文总结

　　6.1 工作总结

　　通过以上各章节的论述，本文从整车电子电气架构中线束设计的经验出发，利用PREEvision 软件作为开发工具，提出了基于模型的整车线束设计评估的新方法。此方法不仅能够满足整车线束设计的需求，并能对线束设计方案作出准确的评估，而且能够对设计方案的变型进行快速的评价。基于 PREEvision 软件地线束设计不仅可以得到优化的方案，而且有效地减少了线束设计过程中重复的工作，缩短了线束设计开发的周期。

　　本文利用 PREEvision 软件进行整车线束设计与优化，主要完成的工作包括：

　　1、深入分析了整车线束的发展趋势和目前面临的各种问题，提出了基于模型的整车线束设计方法。对传统的整车线束设计方法进行分析研究，针对线束设计过程中面临的问题进行优化和改进；

　　2、利用 PREEvision 软件提供的开发环境，对整车线束中涉及的物料（包括导线、端子，接插件，连接件等）建立线束设计的数据库。利用 PREEvision 软件，建立电气原理层、线束层、拓扑层的线束模型。在电气原理层中，搭建了线束匹配模型，并以保险丝的匹配模型和导线与保险丝的匹配模型为例，说明了匹配模型搭建的流程方法。将电气原理层的设计同步到线束层，并将原理层和线束层映射到拓扑层。利用迪杰斯特拉算法提供的计算最路径的方法，实现了最优布线方案的线束路由；

　　3、PREEvision 软件提供了二次开发的平台，在二次开发的平台上，建立了对整车线束设计方案进行评估的各种计算模型，包括线束回路数、线束长度、线束成本、线束重量、线束平均线径的计算模型，从这些角度对整车线束设计方案进行评估；

　　4、针对线束设计过程中，可能出现的各种变型方案和不同配置方案，利用PREEvision 软件进行变型管理。并利用变型管理和二次开发中建立的评估计算模型，对两种设计变型进行重新评估，推荐线束优化设计方案。

　　6.2 研究展望

　　本文对基于模型的线束设计进行研究，体现出 PREEvision 软件在线束设计中的优势。但是受到个人经验和水平的限制，基于 PREEvision 软件的线束设计还存在不完善的地方，设计方法的优势还没有完全发挥出来，因此在后面的开发设计过程中，要不断提高自己的水平，积累经验并继续挖掘这种设计方法的优势。对于不完善的部分，总结如下：

　　1、在建立数据库时，目前只针对一款车型及其变型搭建了导线、端子，接插件的数据库，虽然满足了该车型的线束设计，但不具有通用性。为了实现平台化的设计，需要建立更加完善的数据库，模型等，实现通用。这样有助于缩短整车设计的开发周期，减小设计成本，缓解整车设计面临的成本、周期问题。

　　2、在线束路由的过程中，本文采用了迪杰斯特拉算法寻找线束布置的最优方案。但是迪杰斯特拉算法本身具有一定的局限性，例如当抽象出来的顶点较多时，循环次数也相应的增多，计算时间就会增加，影响计算的效率。因此在后续的工作中，希望能够优化迪杰斯特拉算法，使得寻找最优的线束路由方案时，能够效率更高；

　　3、目前的基于 PREEvision 软件的整车线束设计，部分设计过程需要继承传统的线束设计方法，有些设计过程如果与其他的设计工具配合，可以优化设计过程。例如，如果 PREEvision 软件能够与 3 维绘图工具 UG、CATIA 交互使用，可以直接将使用UG、CATIA 等绘制的整车模型中导入各部件的布置信息等到拓扑层，可以有效地减 少设计开发周期，减小工程师的工作量；

　　4、PREEvision 软件提供了二次开发的平台，帮助设计人员进行优化设计，本文中涉及的二次开发，只利用了其中的部分，还有待于进一步的完善。对于整个的设计方案，也需要从更多的角度进行评价，希望后面的工作，可以进一步的完善评估标准，为设计人员提供更加全面的方案数据参考；

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致 谢

　　本论文首先需要感谢的是我的导师河北工业大学的崔根群教授和中国汽车技术研究中心的唐风敏总工。本论文的主要研究工作是在两位老师的细心指导下完成的。

　　从确定研究方向，到选择研究方法，再到实践应用，都离不开两位老师的关心与指导。

　　两位老师严谨的工作态度，严于律己的生活态度，以及不断创新的科研态度都深深的影响着我，无论在生活还是学习方面为我们树立了学习的榜样。在研究生学习的三年时间里，我的导师在专业知识，科研方法上给以我最大的指导；在中国汽车技术研究中心实习工作的一年多的时间里，唐风敏总工在实践方法和工作作风上也对我日后的工作学习有重要的影响。在此，向我的导师崔根群教授和唐风敏总工表达我最真挚的感谢和敬意。

　　同时，要感谢各位师兄师姐在学习生活中给以我的帮助。在作为研究生新生时，在面对问题无从下手时，各位师兄师姐总是在第一时间给出我意见和建议；在生活上遇到困难时，各位师兄师姐也总能伸出援助之手。在此，要向各位师兄师姐表示感谢。

　　此外，在日常的学习和生活中，离不开身边同学的帮助，营造出浓厚的学习氛围和良好的生活环境。在生活上，刘亚男、赵家旺，颜晗同学，给予我很大的帮助，不仅让我感受到温暖，也对我的学习工作提供了强大的后盾；在学习科研上，郑子健、李桂伟、孙利文、丁光林同学给予我很多宝贵的意见，扩展我的思路。此外，我的师弟刘旭、殷振华、董远也给予我最大的支持。

　　在此，还要特别感谢我的父母，是他们勤劳地工作给予我最好的学习生活条件，是他们辛勤培养才会有我今天的一点点成果，也正是他们不断地鼓励和无限的支持才能让我克服一个又一个的困难，攻克一个又一个难关。

　　最后，再次向每一位帮助我的老师、同学、亲人朋友表示感谢，也祝你们工作顺 利，万事如意。

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