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缩短时间和降低成本-以数据为中心的电气设计工具

John Wilson
业务发展经理
集成电气系统分部
Mentor Graphics


依靠实际的工程图纸作为贯穿整个汽车电气系统设计流程的思路是一种常见的传统做法。 但是图纸仅仅是从逻辑到物理设计展示平台所累计数据的一方面,总还有一些其他的有关的看法:从采购的角度(该设计中需要什么零件?);从工程的角度(当开关打开时,该马达会启动吗?)甚至是审核者的批示:这是当前的设计吗?被签署了吗?

汽车设计中成本和复杂性的提升以及相互影响是当前主要的挑战。越来越多的整车厂商和其供应商认识到一种支持数据一致性、方便从端到端获取的以数据为中心的流程可以确保他们系统地解决这些问题。

在以数据为中心的环境里,数据为王。数据流通过贯穿域和跨组织无缝地同步。每一种工具都使用相同的数据模型。车辆上的每一个零件在设计过程的不同阶段都会出现。产品计划员、设计员、采购代表以及流程审核员都从相同的数据源获取信息来满足其分析和工作需求。
核心是数据流

图1是一个以数据为中心的电气设计过程的概述。 最早阶段是平台定义,这里定义了目标车型的功能内容和选项及其变型,并建立可执行的规范。然后才会着手考虑机械的布置、电气设计、制造以及最终长期支持和服务。

物理接线的布局是把概念的系统连接性映射到具体的设计。当接线信息定义完成后,就可以开始设计每个单独的线束。单词“线束”这个词说起来简单,但是有可能包含了成千上万的设计以支持所有可能的顾客选择。当然,这些线束必须能够被生产并且线束供应商(另外一个数据使用者)将执行严格的需求分析以优化成本。同样的,售后服务部生成维修服务手册以支持所有可能的变化。所有的这些准则都需要依赖于一致的以整个数据为中心的流程中的信息。

图 1: 在一个以数据为中心的环境中,每一个环节均产生并使用这些跨整个汽车设计、生产以及售后服务流程中的共享数据

在流程的早期阶段,零件的表示相对比较抽象。在随后的每一步其定义都不断地明确,但这并不表示一成不变。 许多新出现的电气系统特征能够并将随着设计的逐步推进而变化。这意味着在任何单一步骤中的特定零件定义的任何变化都必须在所有的步骤(不管是早期的还是较晚的)中反映出来。建议的更改符合车辆的初始要求吗?它会在生产中增加成本吗? 在服务站会产生问题吗?以数据为中心的方法保证了在整个流程中有效地跟踪、管理以及验证设计变更。

跟踪零件的生命周期

早在逻辑系统设计的第一步,以数据为中心的流程就开始管理和跟踪出现的设计要素。

图 2 演示了逻辑设计步骤如何从一开始就遵循以数据为中心的原则。设计者建立图形符号,这也是最自然的方式来创建这种类型的设计。这些符号包含了电气行为的详细信息以保证正确地创建设计,同时也提供一种丰富的数据结构。从这点开始,这些信息将约束随后设计中的数据,并确保在这个过程中的所有步骤保持同步,并且设计更改可以被标记和处理。

图 2: 在一个以为中心的设计套件中,选中在任何视图中的一个部分都会在相关视图中突出显示同样的部分.
项目浏览器帮助管理正在开发的平台电气内容,把在设计流程中不同阶段的设计如逻辑设计、接线设计、线束设计等等放置在不同的目录下。它也包含每个设计的多个版本。诚然,同样的数据也可以从PLM系统中管理,但是这个窗口提供了有价值的特定功能以进行交叉比较和电气设计数据深入审查,这种方式在单一的PLM系统中往往是比较困难实现的。

设计浏览器的功能表明以数据为中心协议的实际意义,并强调特定领域数据环境的重要性。选中一个部件的文本实体会自动定位并高亮显示相关的图形元素,甚至这些元素不在当前显示的页面上。

设计者通过设计浏览器的符号选项卡可以访问存储的电气原理符号,但是这些符号不是单纯的线条图形。他们包含了库定义和电气分析模型,允许设计者检查电压降、电流流向等等。零件库的定义包含了客户和供应商的名称信息、连接器接口信息及其他的细节。 在设计流程的早期,不是每一个细节都可能被定义,但是在以数据为中心的环境中允许新的信息随时添加到已有的数据中并提供结构化的报表。 传入的数据都将被自动标记并可在流程的每一个阶段由设计者进行同步更新。

在图2的逻辑设计中定义了设备的互连但是故意不定义这些连接是如何用连接线和对接件实现的。下一步的接线设计将承担这样的任务。这代表了更细节的电气连接示意图,它再次从更广的数据流中获取数据,包括导线规格以及连接器内各个引脚的分配细节。值得注意的是,连接器可能携带着从几个不同子系统来的无关信号,而每一个信号又被几个不同的工程师管理。由此发生冲突的可能性很高,如果没有数据集成来允许工程师在整个流程进行协同工作,将很难控制在这种级别的复杂性。

在一个完整的平台上有数百个系统的逻辑和接线设计。以数据为中心所规定的原则,使每个设计都有自己的语境和与其他所有设计类似的环境,这更便于管理。以数据为中心的数据流系统,可以确保数据从一个设计阶段到下阶段的一致性,系统本身就确保了设计者无需再次输入相同的数据。此外,系统加载约束和反馈以强迫数据在零件定义和在同一个项目团队中工作的各人之间的一致性。

数据中心和配置控制

以数据为中心的设计流程支持和帮助企业组织有效的配置管理过程。在这个过程中数据的及时性和可访问性确保工程师知道在使用哪一设计版本、可用的规范和当前与设计数据库兼容匹配的原理图。

图表3是改编自美国空军技术支持中心的资料,标识了配置控制的4个主要方面:识别,状态记账,审计和变更控制

图 3: 一个严格的配置控制结构和数据中心的方法,可以帮助企业在迅速增加复杂性时仍保持领先地位.

识别是指跟踪产品在其生命周期内的一切任务,从概念一直到服务,它还涉及零件的问题,如特定车辆指定的导线供应商。它还包括设计文档等等。

例如,导线的识别,工程师必须防止在同一设计中分配导线/零件识别名称时使用那些已经被分配给其他部件的名称。在传统的以绘制为中心的工具中,这肯定是一个问题,因为它依赖于工程师的命名规则的正确执行,并要求额外的步骤进行检查和验证,以防止错误。在具有严格的数据为中心的方法中,系统持续跟踪相关元素,防止不正确的选择和部件自动命名。

当几十个电气设计工程师各自独立地进行设计时,许多的配置和版本变更不可避免。如何管理所有这些设计呢?以数据为中心的解决方案包括两个步骤:

  • 要求工程师按照特别规定的形式即配置管理进行定义和记录有效的配置。 
  • 执行彻底的设计验证以确保所有的设计兼容,设计定义没有引用另外一个设计中不存在的导线等等。

在后一个步骤中,传统的以绘制为中心的流程中,单单这一步就需要一个人*月的工作量。 相比之下,以数据为中心的软件工具在几分钟之内就可以自动完成该任务。实际上,以数据为中心的过程使用有效的配置和版本管理使得人们有可能去面对现在迅速提高的复杂性

状态记账要求维护产品描述记录、配置验证记录、更改状态记录、更改批准追溯。许多这些功能很自然融合到产品生命周期管理中, 但是特定领域的工具提供了以数据为中心的方式来生成更细节的记录。 

在这样一个系统,从系统设计到接线设计再到线束设计,部件定义变得越来越丰富,到某一点就以库零件定义为主。库定义,例如连接器,就包含了物理描述、颜色、材料、孔位数等等。还提供了图形符号,作为修订记录。状态记账的意图即以数据为中心的系统提供一种手段来验证设计活动,并捕捉状态记账记录作为配置定义。

审核包括正式的资格审查、物理配置审核和功能配置审核。审核跟踪是有关于跟踪在平台设计数据上谁做了什么、在哪里、以及什么时候。为满足这些要求,三种类型的功能是必不可少的:审核跟踪,配置定义和有效性。

以数据为中心的线索审核通常列出了例如版本修订、设计规则检查、线束加工等主要的操作,再加上某天的某一时刻、被修订的对象、修改者的名字等等。主要的意图是 跟踪主要的步骤如设计释放或者设计状态中的更改。全功能设计工具提供了针对某种特别要求的审核过滤,例如平台、一个特别的设计或者用户等等。此外,工具知道每一个设计和修订的有效性范围,并能够在给定的有效性范围内自动产生配置定义和完成设计配置 。

变更控制包括用户访问控制,更改策略定义和其与他设计活动中的设计比较。 

用户范围控制,系统管理员建立每个用户的角色:库管理员、设计员、项目管理者等等。这些角色的每一个人都可以有针对性的更进一步的细化。 这些指定是有用的,例如,有必要区分承包商和内部的工程师对零件和设计数据的访问。

更改策略是整个以数据为中心的设计过程的基石,意味他们控制着设计阶段之间的数据流。简单来说,更改策略提供精细的数据传输控制。例如可能会建立一个策略控制导线的定义,该定义是由几个不同的组协同工作的。当参与该设计的其他的工程师或者供应商提交更改时,该策略定义是否忽略或者允许特别的导线属性更改。

当验证不同设计修订的变更时,设计比较就是一个非常宝贵的能力。看起来相同的设计,其隐藏的属性有可能不同。在输入良好的情况下,计算机可以准确无误地处理大量的数据。以数据为中心系统中的图形和属性设计比较工具会准确地计算最新的数据,决不会由于疲劳或者厌倦而错过关键细节。

结语

以数据为中心的流程提供 一种有效的解决汽车设计中成本和复杂性的方案。传统的保存记录的方法根本无法跟上当今汽车或者飞机系统中的成千上万的变型和数以百万计的设计细节。以数据为中心的环境集成特定领域的专门工具和企业数据库,以缩短开发时间、消除系统错误并提高设计质量。它能以更低的成本带来更好的产品。

关于作者: John Wilson
John Wilson是任Mentor Graphics的集成电气系统事业部产品营销经理。他在欧洲领先的卡车制造商单位担任研发经理11年,随后的9年在相关技术的软件公司承担不同的技术、销售和市场岗位。1997年成立了一家软件公司开发汽车和航空领域的电气软件。2003年其公司被Mentor Graphics收购并加入该公司.