基于仿真技術(shù)的客車電子電氣架構(gòu)開發(fā)研究

林明（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450016）

基于仿真技術(shù)的客車電子電氣架構(gòu)開發(fā)研究

林明
（鄭州宇通客車股份有限公司，鄭州450016）

針對(duì)客車電子電氣系統(tǒng)配置復(fù)雜、種類繁多、開發(fā)要求時(shí)間短的特點(diǎn)，提出基于仿真技術(shù)的開發(fā)方法，并結(jié)合客車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)的實(shí)例，使用CANoe對(duì)客車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和仿真，通過反復(fù)迭代測(cè)試，對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

電子電氣架構(gòu)；仿真技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

客車產(chǎn)品定制化程度高，開發(fā)和生產(chǎn)均采用小批量、多品種模式，導(dǎo)致電子電氣系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、效率低和成本高。仿真分析是汽車電子電氣開發(fā)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，通過合理有效的仿真分析，可以加快開發(fā)進(jìn)度，節(jié)約開發(fā)成本［1］。本文介紹基于仿真技術(shù)的客車電子電氣架構(gòu)開發(fā)研究，并針對(duì)客車企業(yè)比較關(guān)心的整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真應(yīng)用舉例。

1　 EEA設(shè)計(jì)方法

從戴姆勒-奔馳汽車公司的技術(shù)人員開發(fā)出世界首款基于電子電氣架構(gòu)（簡(jiǎn)稱EEA）概念的汽車，EEA的開發(fā)模式在國外主流的整車廠得到普及。歐美的乘用車和商用車開發(fā)部門均采用平臺(tái)化的EEA設(shè)計(jì)方法［2］，而且形成了自己獨(dú)有的工具鏈和方法［3］。國內(nèi)乘用車EEA起步較晚，基本上都還處于摸索階段［4］，商用車基本還未涉足。電子電氣架構(gòu)涉及到的內(nèi)容有電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能安全評(píng)估、功能邏輯設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、線束設(shè)計(jì)以及零部件規(guī)范設(shè)計(jì)等（見圖1）。如按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行各個(gè)部分的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，人力物力投入大，效率低，很難適應(yīng)現(xiàn)代客車行業(yè)的開發(fā)速度。因此，筆者通過引入仿真技術(shù)以及工具鏈解決以上問題。

如圖1所示，EEA設(shè)計(jì)的各個(gè)階段可使用相應(yīng)的工具進(jìn)行建模和仿真：使用PREEvision進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計(jì)［5］。該軟件是一個(gè)基于圖形的模型設(shè)計(jì)及開發(fā)工具，用于電子電氣系統(tǒng)的可視化開發(fā)和評(píng)估，具有良好的版本管理以及產(chǎn)品發(fā)布和變更管理功能；電氣系統(tǒng)、線束設(shè)計(jì)和仿真使用CHS以及Catia；功能邏輯建模和仿真一般使用Matlab的Simulink工具箱；通信和診斷架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試使用Vector公司的CANoe和CANstess工具。EEA的各個(gè)部分設(shè)計(jì)均可通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行建模仿真和測(cè)試［6］，從而形成基于仿真技術(shù)的電子電氣架構(gòu)開發(fā)方法。本文以國內(nèi)車企普遍關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

2　仿真研究和應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開發(fā)的流程主要包括：需求分析與開發(fā)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件仿真/半實(shí)物仿真、性能測(cè)試、方案輸出等步驟。各個(gè)開發(fā)階段使用的工具如圖2所示。

2.1需求分析與開發(fā)

通過對(duì)需求人群的調(diào)研，并根據(jù)市場(chǎng)狀況及對(duì)未來市場(chǎng)的評(píng)估，確定待開發(fā)車型的定位、風(fēng)格、銷售地區(qū)、市場(chǎng)前景等內(nèi)容。該定位決定了后續(xù)對(duì)標(biāo)工作的車型以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的復(fù)雜程度，確定了對(duì)標(biāo)車型后，需要對(duì)對(duì)標(biāo)車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信?hào)分布和定義等進(jìn)行細(xì)致的拆解，并繪制出對(duì)標(biāo)車型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。另外，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的專家還需要共同制定評(píng)判準(zhǔn)則，其作用是用于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建模之后的模型評(píng)估與變型比較。

2.2架構(gòu)設(shè)計(jì)

在需求分析之后，綜合客車行業(yè)的法規(guī)要求，并充分考慮整車電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)、車輛功能的擴(kuò)展等因素，設(shè)計(jì)出適應(yīng)自身需求的整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)。圖3是某車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

該架構(gòu)將整車網(wǎng)絡(luò)劃分為6路CAN網(wǎng)絡(luò)，分別為動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)、底盤車身CAN網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)交互CAN網(wǎng)絡(luò)、信息CAN網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)CAN網(wǎng)絡(luò)以及診斷CAN網(wǎng)絡(luò)。6路CAN網(wǎng)絡(luò)主要通過中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)信息共享；信息CAN網(wǎng)絡(luò)中使用車聯(lián)網(wǎng)終端作為網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與整車網(wǎng)絡(luò)的隔離以及信息交互。中央控制器作為整車網(wǎng)絡(luò)的核心，實(shí)現(xiàn)了車輛各智能部件的系統(tǒng)性管理。主要功能：管理整車網(wǎng)絡(luò)、融合和共享車聯(lián)網(wǎng)、車內(nèi)網(wǎng)與車際網(wǎng)信息；管理整車綜合性能，全局優(yōu)化客車性能目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整車性能管理功能；管理整車控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，實(shí)現(xiàn)整車控制功能。

2.3軟件仿真/半實(shí)物仿真

初始的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，如果立即著手進(jìn)行各個(gè)控制器的開發(fā)，若網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)存在大量的返工工作。因此，先引入軟件仿真/半實(shí)物仿真的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行建模，并在CANoe模擬的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能和性能測(cè)試。CANoe是德國Vector公司開發(fā)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)集成開發(fā)環(huán)境，具有網(wǎng)絡(luò)建模、網(wǎng)絡(luò)仿真、監(jiān)聽和分析的功能，適用于基于CAN、LIN等協(xié)議開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)；接入CANoe環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)，既可以是物理節(jié)點(diǎn)，又可以是仿真節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)之初，沒有任何實(shí)物節(jié)點(diǎn)。因此，采用純軟件仿真形式；在部分節(jié)點(diǎn)完成開發(fā)后，具備部分調(diào)試條件的情況下，可以進(jìn)行半實(shí)物仿真。如圖4所示。

根據(jù)前述設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及仿真的型式，在CANoe中建立模擬的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，最終配置成的仿真模型如圖5所示。在這個(gè)仿真系統(tǒng)中包括有中央控制器、車身控制器、儀表、行駛記錄儀等電控單元，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)純軟件仿真或者半實(shí)物仿真配置在線或者離線狀態(tài)。

在對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建模時(shí)，可以利用CANdb建立網(wǎng)絡(luò)消息庫。CANdb是集成在CANoe環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫操作工具，利用它可以把網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中應(yīng)用層定義的消息參數(shù)引入到CANoe的開發(fā)環(huán)境中，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀以消息的形式定義，而數(shù)據(jù)幀中的參數(shù)以信號(hào)的形式定義。CANoe開發(fā)環(huán)境中也自帶了大量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，如在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中引入了開發(fā)環(huán)境自帶的標(biāo)準(zhǔn)J1939數(shù)據(jù)庫，可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間。

在圖5中的模型建立后，已經(jīng)有了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的輪廓，但是各個(gè)節(jié)點(diǎn)中并沒有控制邏輯，需要利用CAPL語言對(duì)節(jié)點(diǎn)仿真。CAPL語言是一種類C的編程語言，用它可以對(duì)每一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程，CAPL語言編寫的程序是事件觸發(fā)的程序。它的觸發(fā)事件諸如總線上的消息、環(huán)境變量、鍵盤輸入或者定時(shí)器的溢出，而對(duì)于一個(gè)事件的響應(yīng)可能是向總線發(fā)送消息或者改變環(huán)境變量的值。另外，為了仿真測(cè)試中的便利性，利用Panel Designer編輯出操作面板，如圖6所示。CANoe自帶的PanelDesigner用來創(chuàng)建和編輯圖形化的操作面板和狀態(tài)顯示，用戶可以利用其自帶的文本框、開關(guān)、按鈕、進(jìn)度條、儀表盤等組件創(chuàng)建良好的用戶交互界面。

仿真/半實(shí)物仿真的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建完成后，就可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括消息的頻率、數(shù)據(jù)通信情況、總線數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)跟蹤、負(fù)載率等，如實(shí)時(shí)地跟蹤總線上的數(shù)據(jù)，顯示總線上數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)符、幀名稱、傳輸方向、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)內(nèi)容等，驗(yàn)證各個(gè)幀數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔時(shí)間，檢查與定義是否相符；分析網(wǎng)絡(luò)的平均負(fù)載率以及峰值負(fù)載率，對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化和均衡，如圖7所示。另外，還可以利用CANstress對(duì)網(wǎng)絡(luò)的健壯性進(jìn)行測(cè)試［7］，從而分析出該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能優(yōu)劣。根據(jù)仿真測(cè)試的結(jié)果，反復(fù)迭代建模和測(cè)試過程，發(fā)現(xiàn)架構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案不斷地調(diào)整和優(yōu)化，確保最終達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將該架構(gòu)輸出成設(shè)計(jì)文檔，并分配給各個(gè)零部件供應(yīng)商用于實(shí)物開發(fā)。

3　結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)客車電子電氣的安全可靠運(yùn)行，需要大量的人員和車輛的參與，時(shí)間長(zhǎng)、成本高、效率低；而通過在客車電子電氣開發(fā)中引入仿真的方法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試的反復(fù)迭代，提前發(fā)現(xiàn)并解決問題，縮短了開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了開發(fā)成本。

［1］雍建軍，章一舫.仿真技術(shù)在汽車電子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.汽車電器，2010，（5）：8-11.

［2］Joachim Lassmann.商用車電氣電子（E/E）架構(gòu)現(xiàn)狀與全球趨勢(shì)［J］.商用汽車，2009，（3）

［3］李白.技術(shù)整合的解決之道德爾福派克電氣羅伯特·賽德勒談汽車電子電氣架構(gòu)［J］.汽車與配件，2010，（16）：22-23.

［4］劉明輝.本土整車企業(yè)要掌握E/E架構(gòu)和動(dòng)力總成電子［EB/OL］.蓋世汽車網(wǎng)，2010-03-16.（2010-03-16）http：//auto.gasgoo. com/News/2010/01/11090358358146376125.shtm l

［5］VECTOR Informatik.PREEvision_Release Notes_7. 0.1_EN.Germany：Vector Informatik GmbH.

［6］VECTOR Informatik.CANoe Help Files About CANdb++ and PanelDesigner.Germany：Vector Informatik GmbH.

［7］VECTOR Informatik.CANstress_Manual_EN.Germany：Vector Informatik GmbH.

修改稿日期：2015-06-03

Research on Developmentof Electronic&ElectricalArchitecture for Bus/Coach Based on Simulation Technology

Lin Ming
（Zhengzhou Yutong BusCo.，Ltd，Zhengzhou 450016，China）

According to the characteristics with comp lex configurations，many varieties，short development time of the bus/coach electronic&electricalsystem，the author proposes the developmentmethodsbased on thesimulation technology，and combineswith theexampleofabusnetwork architecture developmenttouse CANoe for itsmodeling and simulation.Through repeated iteration tests，thestructuredesign of thebusnetwork isoptimized.

electronic and electricalarchitecture；simulation technology；network architecture

U463.61

B

1006-3331（2015）04-0011-03

林明（1980-），男，架構(gòu)師；主要從事商用車車聯(lián)網(wǎng)、客車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。