基于Capital的电子电气系统生成式设计流程

窦明佳，肖 聪，黄 棕

（东风汽车股份有限公司商品研发院，湖北 武汉 430000）

1 引言

整车电子电气系统的设计涉及硬件、软件、网络、线束等各方面，其复杂程度随着电气化、智能化、网联化的趋势而愈甚，传统的设计方法因诸多弊端而无法满足主机厂面临的诸多挑战。

1）传统的功能设计依靠Word、Visio用文字、流程图来描述车辆的具体功能，因为文字描述可能存在的歧义性以及多个文档之间无法关联、数据无法追溯，造成数据的一致性无法保证。

2）传统的网络设计信号矩阵、DBC等文件依靠手工编辑，在Excel、CANoe中进行，信号与功能无法关联，存在信号无法支撑功能实现以及信号冗余的现象，但是在设计阶段很难发现，只能在测试验证阶段才能得到纠正。

3）传统的原理、线束设计依靠AutoCAD等工具进行，原理设计的数据无法直接用于线束设计，需要依靠人工转化，线束图纸中回路表的绘制需要耗费巨大人力，且最终原理和线束的数据一致性需要依靠人工校验，错误的概率增大。

4）随着车辆定制化、个性化的趋势，车辆的配置愈加复杂，造成车辆线束的种类越来越多，传统依靠人工来划分线束种类，分配线束配置的方法已无法满足需求。

5）电气化、自动驾驶对车内电器和电子架构进行重大变革，导线的数量、线束的质量急剧增加 （图1），如何显著减轻车重以使行驶距离最大化，对电气系统设计提出了挑战。

图1 Chevy Bolt EV低压线束普通版与自动驾驶版的对比

综上所述，传统的设计方法已无法满足目前车辆电器功能急剧增加的趋势，而Mentor Graphics公司的Capital软件平台可提供从功能设计、架构设计、原理设计、线束设计到线束制造以及电子化维修服务文档的全流程设计工具，本文将重点介绍基于Capital platform的电子电气系统生成式设计流程以及该流程在面对上述挑战的解决措施。

2 Capital平台的功能模块及生成式设计流程

Cpaital基础工具及定义设计模块如图2所示。

2.1 基础工具与企业集成

1）Capital Symbol用于创建和维护原理图、线束图中的图形符号，包括Symbol和Border两类图形符号，创建的图形符号所有项目共用，库文件实时更新。建立符号图形库的方法有两种：①Capital Symbol环境下绘制；②由DXF文件1∶1比例导入Capital Symbol生成。

Capital Symbol的创建方法如图3所示。

2）Capital Project用于管理项目和设计，Capital Project结构分为System Level Data和Project Level Data，System Level Data可设置系统级别的值，设置后多个项目可共享使用，Project Level Data可设置项目级别的值，设置后仅在当前项目生效。图4为Capital Project可设置项目视图。

图2 Cpaital基础工具及定义设计模块

图3 Capital Symbol的创建方法

在Capital Project中可定义图纸状态等级，系统默认的图纸状态等级有Draft、Pending、Released、Obsolete，以及设置用户在某个发布等级所能进行的操作，例如拷贝设计、删除设计、创建修订、打印设计等，同时规定不同发布等级之间的转换关系，例如Pending状态可以重新编辑为Draft进行设计更改，而处于Released状态的设计不允许进行更改，可创建修订升级版本后进行设计变更，这个要和各主机厂的图纸发布流程相关。

①Capital Project中Preferences可用于配置系统是否记录操作日志以及记录用户的哪些操作，这个功能可用于后期的设计行为追溯以及错误操作的恢复，同时可定义图片的放置路径以及设计日志的存放路径，另外可定义图片的网格间隔、文本文字样式等。

②Object Type Information：可针对不同类型的对象定义其名称、属性、隔离代码等。

③Change Polices：用于控制哪些变更可被执行，如创建、更新、删除等，变更策略同时也可应用于属性编辑，如控制器用户是否有权限更改一个几何的属性。

④Option Maintenance：用户可在系统级别或项目级别创建选项，若在系统级别创建，则可以将此选型拷贝到任何项目中，一个选项代表了产品的一个特征或功能，可通过表达式来定义一个产品配置中是否具备此特征或功能。

⑤Query Expressions：可定义查询规则，系统基于规则来确定对象，可和Style Set结合使用来定义特定的需求。

⑥Rules：可在设计规则中定义设计约束来约束用户的设计行为。

⑦Style Set：通过样式集来制定文本、标注等的放置样式，用户可对不同类型的对象单独定义样式集。

图4 Capital Project可设置项目视图

3）Capital Library是Capital的零部件管理工具，可用于创建零部件及零部件分组，同时可创建各零部件间的关联关系，例如插接件、端子、导线、防水栓、盲堵的匹配关系，所创建的这些零部件可在Capital设计模块 （Capital Logic、Capital Integrator、Capital HarnessXC）进行调用，可创建的零部件分组如下：Assembly（组合件）；Backshell（尾部附件）；Backshell Plug（尾部附件插头）；Backshell Seal（尾部附件密封）；Cavity Group（孔位组）；Cavity Plug（盲堵）；Cavity Seal （密封圈）；Clip （卡钉）；Connector （连接器）；Connector Seal（连接器密封）；Device（设备）；Grommet（橡胶件）；Fixtures （固定件）；Heat Shrink Sleeve （热缩管）；IDC Connector（IDC连接器）；In-house Assembly（自制组件）；Multicore Wire（多芯导线）；Other（其他）；Solder Sleeve（锡焊套筒）；Splice（焊接点）；Tape（胶带）；Terminal（端子）；Tube （管）；Ultrasonic Weld （超声波焊接）；Wire （导线）。

Capital Library也可以创建Code（代码）用于区分一个零部件和其他零部件的区别，可创建的代码包括颜色代码、材料代码、部件类型代码、客户颜色代码、导线规格、特性代码，这些代码可用于零部件的创建、维护和具体设计过程中。

4）Capital User提供项目管理工具，可根据项目成员及其任务制定不同的使用权限，为项目设计权限管理提供后台管理工具，Capital User用户定义流程如下。

①创建域 （Domains），可以平台划分。

②创建用户角色 （Roles），例如设计师 （Designer）、库管理员 （Librarian）、项目管理人员 （Project Administrator），不同的角色可分配不同的权限。

③创建用户账号 （User Accounts），设定账号登录密码，例如以工号、姓名创建账户。

④为账号分配角色、读写域。

⑤创建用户组。

同时，解除设计锁定也在Capital User中，在设计过程中因为误操作、或者软件异常退出，那么该用户的设计会被系统自动锁定，用户需要在Capital User中来解除对于该设计的锁定。

2.2 Capital的设计模块及生成式设计流程

Capital生成式设计流程是目前汽车、飞机行业电子电气系统设计较先进的设计流程，整合和管理企业特定规则，建立统一的设计平台及规则约束，减少人工操作、提升自动化能力。生成式设计流程的优势：①自动化合成运算生成导线、焊接点，减少设计复杂度；②基于企业规则驱动合成结果，如焊点数量及分布、CAN总线合成能力；③支持车型配置管理，基于整车需求进行配置定义，驱动合成线束配置；④合成运算150%线束等级；⑤支持线束等级管理及优化，运用捐赠减少线束等级数量；⑥基于合成结果进行物理成本优化及对比，提供数据对比参数；⑦支持扩展仿真分析应用能力，增强设计验证能力。

图5为Capital生成式设计流程，其核心模块包括Capital Systems Capture、 Capital Systems Architect、Capital Logic、Capital Integrator、Capital HarnessXC。

1）结合外部设计工具如SystemWeaver、Doors进行需求阶段的整车需求定义，需求包含用户特性定义 （Customer Feature）及设计技术需求 （Requirement），通过市场分析、现有车型数据、对标、平台规划、新技术等信息，依据功能划分，制定用户特性，并将用户特性进行详细技术描述形成子系统设计需求 （SSTS），子系统技术需求包括外形、功能技术内容、性能、可靠度、组件特性、验证计划、功能安全要求 （ISO26262）等内容。

2）将需求设计阶段的文件以UML、XMLbase格式导入Capital Systems Capture进行功能设计，Capital Systems Capture设计不同于Capital Logic的电气设计的设备引脚之间的电气连接，而是功能和功能块之间通过接口 （Port）、信号进行连接，这些功能和块包含执行器、传感器和控制组件 （ECU），信号只是功能信号，信号的属性可以是电气信号（Electrical Signals）、软件信号 （Software signals）、网路信号（network signals）、无线信号 （radio frequency transmitted wireless signals），同时可通过Capital Dictionary导入Excel格式信号矩阵表、DBC文件建立企业网络信号标准库，在功能设计 （Capital Systems Capture）时调用。

图6为Capital Systems Capture功能设计。

图5 Capital生成式设计流程

图6 Capital Systems Capture功能设计

3）Capital Systems Architect用来进行平台架构设计，将Capital Systems Capture设计的功能模块分配到架构平台的电器模块上，将不同功能模块之间的信号转换为网络信号、软件通信或者电气信号，通过Capital Insight进行架构方案的评估，例如网络带宽利用率、RAM、ROM和Flash的需求以及CPU负载，从而帮助设计者决定怎么分配功能以及整车应该有哪些电器零部件来承载响应的功能实现。Capital Systems Architect完成架构设计后可通过自动重构生成子系统电气原理图用于下游的EDA设计，可导出XML模型用于软件设计和网络设计。图7为Capital Systems Architect架构设计。

4）将Capital Systems Architect设计完成后自动重构的电气原理图在Capital Logic中进行详细的定义，如导线的规格、多芯线规格、关联设备库等，从而形成整车电气原理图。图8为Capital Logic原理设计图。

5）将整车电气原理图、3D电器拓扑、车型配置表在Capital Integrator中进行融合 （Merge），设置综合布线 （Synthesize Wire）规则，从而自动合成导线、线束等级（Harness Level）、计算线束成本、质量，优化设计，可视化多维度进行设计方案评价。同时运行设计规则检查 （DRC）进行连接性、综合规则、一致性设计校验，针对错误、报警问题进行逐项排查解决，保证了设计的正确性。图9为Capital Integrator拓扑设计。

6）将整车拓扑数据、第三方MCAD数据通过Capital Harness Bridge导入Capital Harness XC，自动从Capital Library数据库中选择相同零件号的线束附件，自动根据Capital Integrator中生成的线束等级分解生成线束衍生项 （多配置线束），自动生成物料BOM清单 （多芯线清单、固定件清单、导线清单等），可输出xml、HTML格式用于查阅。图10为Capital HarnesXC线束设计。

图7 Capital Systems Architect架构设计

图8 Capital Logic原理设计

除通过Capital Harness Bridge将三维线束分支结构导入Capital HarnessXC外，也可手动绘制线束分支结构，手动添加卡钉、橡胶圈、防护方式等。通过设置数据同步规则可选择性地将Capital Integrator中的数据 （线束段、导线、焊接点等）同步 （Synchronize）到HarnessXC中，同时可根据企业的图纸规范在样式集 （Style Set）中定义图面风格、定义显示的信息，如回路表、插件信息表、线束衍生信息表等。

3 总结

图9 Capital Integrator拓扑设计

图10 Capital HarnesXC线束设计

电子电气系统的复杂性要求设计工程师拥有处理复杂信息的能力，运用Mentor Capital工具可实现从功能设计、架构设计、原理设计、线束设计的数据可追溯、数据复用，保证了数据的一致性，Capital的生成式设计流程相对于目前国内主机厂普遍采用的交互式设计流程，其设计自动化程度更高，同时规则驱动的自动化设计可降低设计师的重复操作、提升工作效率、提高设计品质，使设计者能够有更多的精力投入到创造性的工作中。