一種基于通信矩陣的汽車電子電氣系統(tǒng)建模方法

李德辰 孫知信 濮陽

摘? 要：在汽車電子電氣設(shè)計制造領(lǐng)域，基于模型的系統(tǒng)工程思想已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)基于文檔的設(shè)計開發(fā)流程。面向PREEvison使用的EEA分層模型架構(gòu)，該文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于通信矩陣的快速建模方案，采用PREEvison的二次開發(fā)功能進(jìn)行總線通信網(wǎng)絡(luò)和軟硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣踊?。該文提出的方法在工程實踐中，顯著提高了相關(guān)車型平臺的建模工作效率并為相關(guān)設(shè)計企業(yè)將現(xiàn)有設(shè)計文檔轉(zhuǎn)化為可復(fù)用的數(shù)據(jù)模型。

關(guān)鍵詞：汽車電子電氣? 基于模型的系統(tǒng)工程? PREEvision? 通信矩陣

中圖分類號：N945.12;U463.61? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代汽車的電子電氣網(wǎng)絡(luò)包含了大量電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器，它們通過各種總線通信系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，隨著汽車智能化、車聯(lián)網(wǎng)化的發(fā)展，新車型的電子電氣系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提升。汽車整車電子電氣系統(tǒng)開發(fā)作為一項復(fù)雜的跨學(xué)科系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的基于文檔的設(shè)計開發(fā)模式在實際項目中版本控制復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)企業(yè)協(xié)同設(shè)計開發(fā)的難度因此大大增加，近年來汽車行業(yè)引入基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）思想，逐步開始向基于模型的設(shè)計開發(fā)模式轉(zhuǎn)換。

1? PREEvision的分層建模架構(gòu)

近年來車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)和自動駕駛功能等升級使得汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，為應(yīng)對這種系統(tǒng)復(fù)雜度的提升，降低整車集成成本和研發(fā)周期，汽車行業(yè)現(xiàn)在正在逐步采用不同架構(gòu)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(gòu)模型開發(fā)工具，使用EEA分層模型架構(gòu)[2]，這種模型架構(gòu)提供了復(fù)雜的建模功能支持，通過該模型對汽車E/E系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計各階段進(jìn)行對接，使得不同的設(shè)計團(tuán)隊在工程開發(fā)各個階段能夠基于相同的模型協(xié)同工作，如圖1所示。其采用的分層架構(gòu)基于UML和SysML進(jìn)行模型可視化描述[3]。PREEvison作為在汽車工業(yè)使用MBSE理論的一個建模軟件平臺[4]，對目標(biāo)模型按需求工程、功能系統(tǒng)邏輯、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、軟件/硬件體系結(jié)構(gòu)、線束拓?fù)鋵φ囯娮与姎忾_發(fā)進(jìn)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(jìn)行層間映射。

2? 基于通信矩陣的系統(tǒng)建模

2.1 建模流程描述

汽車電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)包括自頂向下和自底向上兩種開發(fā)流程[7]。一般新車型平臺開發(fā)多采用自頂向下流程開發(fā)，基于統(tǒng)一的需求定義格式對需求層進(jìn)行建模。當(dāng)具體功能域子系統(tǒng)有供應(yīng)商成熟方案則一般采用自底向上方案，使用相關(guān)工具鏈導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，向上對需求層、邏輯功能架構(gòu)和線束信息進(jìn)行建模[8]。結(jié)合上述兩種順序建模流程，該文根據(jù)工程實踐需要，在參考傳統(tǒng)文檔的形式的功能需求和完成了通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的前提下，設(shè)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(gòu)建。

（2）通信層信號報文建模與模型合并。

（3）硬件層模型復(fù)用與自動重構(gòu)。

（4）軟件架構(gòu)層建模。

（5）邏輯層建模。

2.2 通信層自動導(dǎo)入建模

通過PREEvison內(nèi)置的Eclipse編輯器對Metric算法模型的計算模塊（CaculationBlock）進(jìn)行Java代碼編寫，構(gòu)建自動導(dǎo)入建模的算法模型，隨后執(zhí)行導(dǎo)入算法模塊將通信工程師給出使用CANoe導(dǎo)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(dǎo)入到EEA模型數(shù)據(jù)庫中。

執(zhí)行對應(yīng)的計算模塊后在模型數(shù)據(jù)庫中分別生成了不同的導(dǎo)入包，分不同批次導(dǎo)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(dǎo)入后的信號層模型包要在產(chǎn)品線級模型層級進(jìn)行合并操作。通過使用合并模塊（MergeBlock）根據(jù)項目需要先設(shè)定好融合規(guī)則，將待合并的導(dǎo)入包作為合并模塊的輸入?yún)?shù)對上述步驟導(dǎo)入的模型包和硬件組件元素進(jìn)行模型合并，從而確保系統(tǒng)內(nèi)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(xì)屬性定義信息，也自動生成了基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信號路由信息，為后續(xù)建模流程提供了公用模型資源池。最后通過內(nèi)置表格和模型樹視圖核對導(dǎo)入的信號報文屬性。

2.3 硬件層模型

硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型是對上文建模的通信網(wǎng)絡(luò)物理實體抽象，通過復(fù)用公用模型資源池中的ECU、等元器件模型組件，根據(jù)具體子功能的構(gòu)圖需要對硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行圖形化建模描述。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中的模型塊元素間自動生成的連接關(guān)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(fù)用信號層導(dǎo)入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點ECU組件進(jìn)行硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵咏?，從而對早先?dǎo)入的結(jié)構(gòu)化信號路由數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示。在硬件網(wǎng)絡(luò)層對連接關(guān)系參照相關(guān)文檔進(jìn)行詳細(xì)屬性定義，硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲谐橄筮B接關(guān)系此時包含了總線通信設(shè)計導(dǎo)入的相關(guān)詳細(xì)定義，對其進(jìn)行自動重構(gòu)便可以生成對應(yīng)的電氣原理圖。類似的，對電氣原理圖進(jìn)行細(xì)化設(shè)計可以重構(gòu)生成對應(yīng)的線束原理圖。

2.4 軟件層模型

與硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵宇愃疲浖咏；趯χ皩?dǎo)入的模型組件資源的復(fù)用。按詳細(xì)功能設(shè)計文檔建立對應(yīng)的軟件架構(gòu)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(guān)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(chǔ)上，依照硬件層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計再對整車邏輯功能架構(gòu)模型進(jìn)行搭建。整車系統(tǒng)架構(gòu)采用硬件網(wǎng)絡(luò)層的拓?fù)洳季?，通過繼承軟件架構(gòu)使用的端口和接口屬性按系統(tǒng)功能設(shè)計文檔對功能域內(nèi)抽象功能模塊建模。完成了五大功能域、網(wǎng)關(guān)、T-Box邏輯層建模。

3? 結(jié)語

該文提出一種基于信號矩陣的汽車電氣架構(gòu)快速建模方法，采用PREEvison分層模型架構(gòu)，通過Metric算法模型進(jìn)行信號層自動化導(dǎo)入建模工作。該方法在順序開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，以通信層作為建模起點，對目標(biāo)車型平臺的軟硬件功能架構(gòu)進(jìn)行建模，通過使用PREEvison的Metric二次開發(fā)功能自動化導(dǎo)入模型元素，實現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)計文檔到單一抽象模型庫的轉(zhuǎn)換，顯著提高了建模工作效率，同時保障了項目前期架構(gòu)設(shè)計開發(fā)的一致性和工作質(zhì)量，為企業(yè)積累了可復(fù)用的數(shù)據(jù)模型和相關(guān)工程經(jīng)驗，取得了較好的經(jīng)濟效益。

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