以數(shù)據(jù)為中心設(shè)計(jì)解決汽車設(shè)計(jì)中成本和復(fù)雜性

依靠實(shí)際的工程圖紙作為貫穿整個(gè)汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的思路是一種常見的傳統(tǒng)做法。 但是圖紙僅僅是從邏輯到物理設(shè)計(jì)展示平臺(tái)所累計(jì)數(shù)據(jù)的一方面，總還有一些其他的有關(guān)的看法：從采購(gòu)的角度（該設(shè)計(jì)中需要什么零件？）；從工程的角度（當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，該馬達(dá)會(huì)啟動(dòng)嗎？）甚至是審核者的批示：這是當(dāng)前的設(shè)計(jì)嗎？被簽署了嗎？

汽車設(shè)計(jì)中成本和復(fù)雜性的提升以及相互影響是當(dāng)前主要的挑戰(zhàn)。越來越多的整車廠商和其供應(yīng)商認(rèn)識(shí)到一種支持?jǐn)?shù)據(jù)一致性、方便從端到端獲取的以數(shù)據(jù)為中心的流程可以確保他們系統(tǒng)地解決這些問題。

在以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境里，數(shù)據(jù)為王。數(shù)據(jù)流通過貫穿域和跨組織無縫地同步。每一種工具都使用相同的數(shù)據(jù)模型。車輛上的每一個(gè)零件在設(shè)計(jì)過程的不同階段都會(huì)出現(xiàn)。產(chǎn)品計(jì)劃員、設(shè)計(jì)員、采購(gòu)代表以及流程審核員都從相同的數(shù)據(jù)源獲取信息來滿足其分析和工作需求。

核心是數(shù)據(jù)流

圖1是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的電氣設(shè)計(jì)過程的概述。 最早階段是平臺(tái)定義，這里定義了目標(biāo)車型的功能內(nèi)容和選項(xiàng)及其變型，并建立可執(zhí)行的規(guī)范。然后才會(huì)著手考慮機(jī)械的布置、電氣設(shè)計(jì)、制造以及最終長(zhǎng)期支持和服務(wù)。

物理接線的布局是把概念的系統(tǒng)連接性映射到具體的設(shè)計(jì)。當(dāng)接線信息定義完成后，就可以開始設(shè)計(jì)每個(gè)單獨(dú)的線束。單詞“線束”這個(gè)詞說起來簡(jiǎn)單，但是有可能包含了成千上萬的設(shè)計(jì)以支持所有可能的顧客選擇。當(dāng)然，這些線束必須能夠被生產(chǎn)并且線束供應(yīng)商（另外一個(gè)數(shù)據(jù)使用者）將執(zhí)行嚴(yán)格的需求分析以優(yōu)化成本。同樣的，售后服務(wù)部生成維修服務(wù)手冊(cè)以支持所有可能的變化。所有的這些準(zhǔn)則都需要依賴于一致的以整個(gè)數(shù)據(jù)為中心的流程中的信息。

圖 1： 在一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境中，每一個(gè)環(huán)節(jié)均產(chǎn)生并使用這些跨整個(gè)汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及售后服務(wù)流程中的共享數(shù)據(jù)

在流程的早期階段，零件的表示相對(duì)比較抽象。在隨后的每一步其定義都不斷地明確，但這并不表示一成不變。 許多新出現(xiàn)的電氣系統(tǒng)特征能夠并將隨著設(shè)計(jì)的逐步推進(jìn)而變化。這意味著在任何單一步驟中的特定零件定義的任何變化都必須在所有的步驟（不管是早期的還是較晚的）中反映出來。建議的更改符合車輛的初始要求嗎？它會(huì)在生產(chǎn)中增加成本嗎？ 在服務(wù)站會(huì)產(chǎn)生問題嗎？以數(shù)據(jù)為中心的方法保證了在整個(gè)流程中有效地跟蹤、管理以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)變更。

跟蹤零件的生命周期

早在邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，以數(shù)據(jù)為中心的流程就開始管理和跟蹤出現(xiàn)的設(shè)計(jì)要素。

圖 2 演示了邏輯設(shè)計(jì)步驟如何從一開始就遵循以數(shù)據(jù)為中心的原則。設(shè)計(jì)者建立圖形符號(hào)，這也是最自然的方式來創(chuàng)建這種類型的設(shè)計(jì)。這些符號(hào)包含了電氣行為的詳細(xì)信息以保證正確地創(chuàng)建設(shè)計(jì)，同時(shí)也提供一種豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。從這點(diǎn)開始，這些信息將約束隨后設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)，并確保在這個(gè)過程中的所有步驟保持同步，并且設(shè)計(jì)更改可以被標(biāo)記和處理。

圖 2： 在一個(gè)以為中心的設(shè)計(jì)套件中，選中在任何視圖中的一個(gè)部分都會(huì)在相關(guān)視圖中突出顯示同樣的部分。

項(xiàng)目瀏覽器幫助管理正在開發(fā)的平臺(tái)電氣內(nèi)容，把在設(shè)計(jì)流程中不同階段的設(shè)計(jì)如邏輯設(shè)計(jì)、接線設(shè)計(jì)、線束設(shè)計(jì)等等放置在不同的目錄下。它也包含每個(gè)設(shè)計(jì)的多個(gè)版本。誠(chéng)然，同樣的數(shù)據(jù)也可以從PLM系統(tǒng)中管理，但是這個(gè)窗口提供了有價(jià)值的特定功能以進(jìn)行交叉比較和電氣設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)深入審查，這種方式在單一的PLM系統(tǒng)中往往是比較困難實(shí)現(xiàn)的。

設(shè)計(jì)瀏覽器的功能表明以數(shù)據(jù)為中心協(xié)議的實(shí)際意義，并強(qiáng)調(diào)特定領(lǐng)域數(shù)據(jù)環(huán)境的重要性。選中一個(gè)部件的文本實(shí)體會(huì)自動(dòng)定位并高亮顯示相關(guān)的圖形元素，甚至這些元素不在當(dāng)前顯示的頁(yè)面上。

設(shè)計(jì)者通過設(shè)計(jì)瀏覽器的符號(hào)選項(xiàng)卡可以訪問存儲(chǔ)的電氣原理符號(hào)，但是這些符號(hào)不是單純的線條圖形。他們包含了庫(kù)定義和電氣分析模型，允許設(shè)計(jì)者檢查電壓降、電流流向等等。零件庫(kù)的定義包含了客戶和供應(yīng)商的名稱信息、連接器接口信息及其他的細(xì)節(jié)。 在設(shè)計(jì)流程的早期，不是每一個(gè)細(xì)節(jié)都可能被定義，但是在以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境中允許新的信息隨時(shí)添加到已有的數(shù)據(jù)中并提供結(jié)構(gòu)化的報(bào)表。 傳入的數(shù)據(jù)都將被自動(dòng)標(biāo)記并可在流程的每一個(gè)階段由設(shè)計(jì)者進(jìn)行同步更新。

在圖2的邏輯設(shè)計(jì)中定義了設(shè)備的互連但是故意不定義這些連接是如何用連接線和對(duì)接件實(shí)現(xiàn)的。下一步的接線設(shè)計(jì)將承擔(dān)這樣的任務(wù)。這代表了更細(xì)節(jié)的電氣連接示意圖，它再次從更廣的數(shù)據(jù)流中獲取數(shù)據(jù)，包括導(dǎo)線規(guī)格以及連接器內(nèi)各個(gè)引腳的分配細(xì)節(jié)。值得注意的是，連接器可能攜帶著從幾個(gè)不同子系統(tǒng)來的無關(guān)信號(hào)，而每一個(gè)信號(hào)又被幾個(gè)不同的工程師管理。由此發(fā)生沖突的可能性很高，如果沒有數(shù)據(jù)集成來允許工程師在整個(gè)流程進(jìn)行協(xié)同工作，將很難控制在這種級(jí)別的復(fù)雜性。

在一個(gè)完整的平臺(tái)上有數(shù)百個(gè)系統(tǒng)的邏輯和接線設(shè)計(jì)。以數(shù)據(jù)為中心所規(guī)定的原則，使每個(gè)設(shè)計(jì)都有自己的語(yǔ)境和與其他所有設(shè)計(jì)類似的環(huán)境，這更便于管理。以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)流系統(tǒng)，可以確保數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)計(jì)階段到下階段的一致性，系統(tǒng)本身就確保了設(shè)計(jì)者無需再次輸入相同的數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)加載約束和反饋以強(qiáng)迫數(shù)據(jù)在零件定義和在同一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中工作的各人之間的一致性。

數(shù)據(jù)中心和配置控制

以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)流程支持和幫助企業(yè)組織有效的配置管理過程。在這個(gè)過程中數(shù)據(jù)的及時(shí)性和可訪問性確保工程師知道在使用哪一設(shè)計(jì)版本、可用的規(guī)范和當(dāng)前與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)兼容匹配的原理圖。

圖表3是改編自美國(guó)空軍技術(shù)支持中心的資料，標(biāo)識(shí)了配置控制的4個(gè)主要方面：識(shí)別，狀態(tài)記賬，審計(jì)和變更控制

圖 3： 一個(gè)嚴(yán)格的配置控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)中心的方法，可以幫助企業(yè)在迅速增加復(fù)雜性時(shí)仍保持領(lǐng)先地位。

識(shí)別是指跟蹤產(chǎn)品在其生命周期內(nèi)的一切任務(wù)，從概念一直到服務(wù)，它還涉及零件的問題，如特定車輛指定的導(dǎo)線供應(yīng)商。它還包括設(shè)計(jì)文檔等等。

例如，導(dǎo)線的識(shí)別，工程師必須防止在同一設(shè)計(jì)中分配導(dǎo)線/零件識(shí)別名稱時(shí)使用那些已經(jīng)被分配給其他部件的名稱。在傳統(tǒng)的以繪制為中心的工具中，這肯定是一個(gè)問題，因?yàn)樗蕾囉诠こ處煹拿?guī)則的正確執(zhí)行，并要求額外的步驟進(jìn)行檢查和驗(yàn)證，以防止錯(cuò)誤。在具有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)為中心的方法中，系統(tǒng)持續(xù)跟蹤相關(guān)元素，防止不正確的選擇和部件自動(dòng)命名。

當(dāng)幾十個(gè)電氣設(shè)計(jì)工程師各自獨(dú)立地進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，許多的配置和版本變更不可避免。如何管理所有這些設(shè)計(jì)呢？以數(shù)據(jù)為中心的解決方案包括兩個(gè)步驟：

要求工程師按照特別規(guī)定的形式即配置管理進(jìn)行定義和記錄有效的配置。

執(zhí)行徹底的設(shè)計(jì)驗(yàn)證以確保所有的設(shè)計(jì)兼容，設(shè)計(jì)定義沒有引用另外一個(gè)設(shè)計(jì)中不存在的導(dǎo)線等等。

在后一個(gè)步驟中，傳統(tǒng)的以繪制為中心的流程中，單單這一步就需要一個(gè)人*月的工作量。 相比之下，以數(shù)據(jù)為中心的軟件工具在幾分鐘之內(nèi)就可以自動(dòng)完成該任務(wù)。實(shí)際上，以數(shù)據(jù)為中心的過程使用有效的配置和版本管理使得人們有可能去面對(duì)現(xiàn)在迅速提高的復(fù)雜性

狀態(tài)記賬要求維護(hù)產(chǎn)品描述記錄、配置驗(yàn)證記錄、更改狀態(tài)記錄、更改批準(zhǔn)追溯。許多這些功能很自然融合到產(chǎn)品生命周期管理中， 但是特定領(lǐng)域的工具提供了以數(shù)據(jù)為中心的方式來生成更細(xì)節(jié)的記錄。

在這樣一個(gè)系統(tǒng)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到接線設(shè)計(jì)再到線束設(shè)計(jì)，部件定義變得越來越豐富，到某一點(diǎn)就以庫(kù)零件定義為主。庫(kù)定義，例如連接器，就包含了物理描述、顏色、材料、孔位數(shù)等等。還提供了圖形符號(hào)，作為修訂記錄。狀態(tài)記賬的意圖即以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)提供一種手段來驗(yàn)證設(shè)計(jì)活動(dòng)，并捕捉狀態(tài)記賬記錄作為配置定義。

審核包括正式的資格審查、物理配置審核和功能配置審核。審核跟蹤是有關(guān)于跟蹤在平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)上誰(shuí)做了什么、在哪里、以及什么時(shí)候。為滿足這些要求，三種類型的功能是必不可少的：審核跟蹤，配置定義和有效性。

以數(shù)據(jù)為中心的線索審核通常列出了例如版本修訂、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、線束加工等主要的操作，再加上某天的某一時(shí)刻、被修訂的對(duì)象、修改者的名字等等。主要的意圖是 跟蹤主要的步驟如設(shè)計(jì)釋放或者設(shè)計(jì)狀態(tài)中的更改。全功能設(shè)計(jì)工具提供了針對(duì)某種特別要求的審核過濾，例如平臺(tái)、一個(gè)特別的設(shè)計(jì)或者用戶等等。此外，工具知道每一個(gè)設(shè)計(jì)和修訂的有效性范圍，并能夠在給定的有效性范圍內(nèi)自動(dòng)產(chǎn)生配置定義和完成設(shè)計(jì)配置 。

變更控制包括用戶訪問控制，更改策略定義和其與他設(shè)計(jì)活動(dòng)中的設(shè)計(jì)比較。

用戶范圍控制，系統(tǒng)管理員建立每個(gè)用戶的角色：庫(kù)管理員、設(shè)計(jì)員、項(xiàng)目管理者等等。這些角色的每一個(gè)人都可以有針對(duì)性的更進(jìn)一步的細(xì)化。 這些指定是有用的，例如，有必要區(qū)分承包商和內(nèi)部的工程師對(duì)零件和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的訪問。

更改策略是整個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的設(shè)計(jì)過程的基石，意味他們控制著設(shè)計(jì)階段之間的數(shù)據(jù)流。簡(jiǎn)單來說，更改策略提供精細(xì)的數(shù)據(jù)傳輸控制。例如可能會(huì)建立一個(gè)策略控制導(dǎo)線的定義，該定義是由幾個(gè)不同的組協(xié)同工作的。當(dāng)參與該設(shè)計(jì)的其他的工程師或者供應(yīng)商提交更改時(shí)，該策略定義是否忽略或者允許特別的導(dǎo)線屬性更改。

當(dāng)驗(yàn)證不同設(shè)計(jì)修訂的變更時(shí)，設(shè)計(jì)比較就是一個(gè)非常寶貴的能力。看起來相同的設(shè)計(jì)，其隱藏的屬性有可能不同。在輸入良好的情況下，計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確無誤地處理大量的數(shù)據(jù)。以數(shù)據(jù)為中心系統(tǒng)中的圖形和屬性設(shè)計(jì)比較工具會(huì)準(zhǔn)確地計(jì)算最新的數(shù)據(jù)，決不會(huì)由于疲勞或者厭倦而錯(cuò)過關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

結(jié)語(yǔ)

以數(shù)據(jù)為中心的流程提供 一種有效的解決汽車設(shè)計(jì)中成本和復(fù)雜性的方案。傳統(tǒng)的保存記錄的方法根本無法跟上當(dāng)今汽車或者飛機(jī)系統(tǒng)中的成千上萬的變型和數(shù)以百萬計(jì)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。以數(shù)據(jù)為中心的環(huán)境集成特定領(lǐng)域的專門工具和企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以縮短開發(fā)時(shí)間、消除系統(tǒng)錯(cuò)誤并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。它能以更低的成本帶來更好的產(chǎn)品。

關(guān)于作者： John Wilson

John Wilson是任Mentor Graphics的集成電氣系統(tǒng)事業(yè)部產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理。他在歐洲領(lǐng)先的卡車制造商單位擔(dān)任研發(fā)經(jīng)理11年，隨后的9年在相關(guān)技術(shù)的軟件公司承擔(dān)不同的技術(shù)、銷售和市場(chǎng)崗位。1997年成立了一家軟件公司開發(fā)汽車和航空領(lǐng)域的電氣軟件。2003年其公司被Mentor Graphics收購(gòu)并加入該公司。

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