劉冰清，王 強，甘 霖，龍昭燈，何 歸

（重慶長安汽車股份有限公司，重慶401120）

1 引言

汽車線束作為汽車的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，正確的連接設(shè)計一直是整車研發(fā)的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的汽車線束設(shè)計是通過人工計算與校核，直接在2D圖紙上繪制出線束產(chǎn)品的尺寸、接插件型號、包裹物類型、回路導(dǎo)通等信息，其電氣原理連接信息由線束設(shè)計工程師人為進(jìn)行管控［1］，圖紙正確性、規(guī)范性、完整性受工程師設(shè)計經(jīng)驗影響較大。在快速變化的市場需求環(huán)境下，傳統(tǒng)線束設(shè)計方法的連接正確性難以得到保證。

目前，諸多主機廠均已開始使用自動化線束設(shè)計軟件進(jìn)行整車線束開發(fā)，通過計算機軟件模擬汽車電器件的工作狀態(tài)，在未生產(chǎn)實物之前發(fā)現(xiàn)并解決問題。其中CHS（Capital Harness System）擁有較為先進(jìn)的設(shè)計方法和個性化的設(shè)計流程，在國內(nèi)外多家主機廠都已開始應(yīng)用［2］。CHS軟件內(nèi)置電氣原理分析功能，在完成電氣原理圖繪制后直接對其進(jìn)行連接正確性分析，再利用該原理圖直接生成線束2D圖紙，保證了線束設(shè)計的全過程控制，有效提高線束設(shè)計的連接正確性。運用CHS連接正確性分析是通過對電器零部件進(jìn)行建模，并利用整車電器功能檢查清單建模功能檢查模型，最后計算機運算檢查電器功能是否正常實現(xiàn)，從而驗證線束設(shè)計的連接正確性。由于現(xiàn)在汽車智能化程度提升，汽車電氣連接關(guān)系也日益復(fù)雜，電器部件功能數(shù)量增加會導(dǎo)致仿真運算次數(shù)呈指數(shù)增長，大大地延緩了仿真分析運算速度，難以適應(yīng)快速開發(fā)設(shè)計的需求，更甚者已超出了常規(guī)計算機的運算能力。

針對上述問題，本文提出了一種快速線束連接正確性分析方法，通過功能配置對整車電氣系統(tǒng)進(jìn)行劃分，再對各電器系統(tǒng)進(jìn)行失效模式相關(guān)性聚類，最后再對各類電氣系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真分析，有效降低仿真運算次數(shù)的同時保持連接正確性檢查的準(zhǔn)確度，且其計算量能被常規(guī)計算機所接受，適用于復(fù)雜電氣連接關(guān)系的汽車線束連接正確性分析。

2 基于CHS汽車電氣原理仿真分析

CHS電氣原理仿真通過對電器零部件進(jìn)行建模，并利用整車電器功能檢查清單確定功能檢查模型，最后計算機運算檢查電器功能是否正常實現(xiàn)。針對不同的仿真需求，CHS提供了定性分析與定量分析兩種運行方式，定性分析狀態(tài)下不進(jìn)行任何數(shù)字計算，定量分析需要引入零件的各種參數(shù)，并賦予端節(jié)點之間連接線不同的電阻值等用于計算整個電路的多種數(shù)據(jù)。由于連接正確性僅需要判斷節(jié)點之間是否正確接通，為實現(xiàn)計算機快速完成仿真運算，通常選用定性分析。

2.1 電器零部件建模

CHS的電器零部件建模需要完成模型接口參數(shù)設(shè)定、模型電器結(jié)構(gòu)設(shè)定、模型電器行為設(shè)定。模型接口參數(shù)包含該電器零部件可能發(fā)生變化的參數(shù)以及仿真時需要監(jiān)控的參數(shù)。電器結(jié)構(gòu)用于表示用電器各引腳在內(nèi)部的邏輯連接關(guān)系，具有電相關(guān)的引腳需用線進(jìn)行連接。電器行為采用狀態(tài)機進(jìn)行編程。定性分析狀態(tài)下不進(jìn)行任何數(shù)字計算，需進(jìn)行導(dǎo)通演示的電阻用ZERO（零）、MEDIUM（負(fù)載）、INFINITE（無窮）表示回路狀態(tài)。電器零部件建模如圖1所示。

圖1 電器零部件建模

2.2 電器功能建模

功能模型利用整車電器功能檢查清單建立，模型中各特征分組表示該電器系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，子特征表示系統(tǒng)子零部件需要實現(xiàn)的功能。子特征集內(nèi)可以創(chuàng)建響應(yīng)函數(shù)，用于標(biāo)識電器執(zhí)行該功能的響應(yīng)，單一子特征集可由多個響應(yīng)函數(shù)組成。例如：子特征集“前照燈點亮”需由“左前照燈點亮”響應(yīng)函數(shù)與“右前照燈點亮”響應(yīng)函數(shù)組成。響應(yīng)函數(shù)下可創(chuàng)建控制函數(shù)，控制函數(shù)用于表示電器執(zhí)行該響應(yīng)所需的外界環(huán)境的輸入，同理響應(yīng)函數(shù)下可創(chuàng)建多個控制函數(shù)，控制函數(shù)之間由“和”、“或”、“非”3個符合進(jìn)行控制邏輯的組合。響應(yīng)函數(shù)需要定義其失效與自發(fā)。整車功能模型設(shè)定如圖2所示。

圖2 整車功能模型設(shè)定

2.3 連接正確性仿真分析

完成電器零部件建模與功能模型建模后，可通過軟件進(jìn)行檢查功能模型中各功能是否正確實現(xiàn)，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)可能存在的功能問題，則會顯示這些問題，以及問題發(fā)生時候的開關(guān)控制組合，從而完成線束連接正確性檢查。功能問題報告如圖3所示。

圖3 功能問題報告

3 電氣分系統(tǒng)聚類

在汽車電氣連接關(guān)系日益復(fù)雜的背景下，整車電器設(shè)計為了應(yīng)對市場的快速變化，電氣原理設(shè)計通常會根據(jù)產(chǎn)品策劃輸出的電器功能配置表將整車電氣原理劃分為多個電氣分系統(tǒng)。由于這樣劃分的電氣分系統(tǒng)并不是完全獨立的，各系統(tǒng)之間仍存在大量信號傳輸；如果直接在這些系統(tǒng)中進(jìn)行連接正確性仿真分析，雖然可以極大地壓縮仿真分析時間，但是大量的系統(tǒng)間連接關(guān)系將無法仿真分析到，從而造成問題漏檢。

為了平衡仿真時間與正確性，本文提出了一種汽車電氣系統(tǒng)聚類的線束連接正確性快速分析方法，首先判斷失效模式庫中各情況與電氣分系統(tǒng)的相關(guān)系數(shù)：

式中：SD——失效模式庫中與該系統(tǒng)相關(guān)的因子數(shù)量；SN——失效情況所涉及因子總數(shù)；RPN=嚴(yán)重度（S）×頻度（O）×探測度（D）——失效模式庫中對失效的風(fēng)險評估數(shù)；然后將已得到的電器分系統(tǒng)與失效情況相關(guān)系數(shù)按照失效情況的順序排列為數(shù)組an=［H］。計算各數(shù)組內(nèi)均值，選取數(shù)組an均值最大對應(yīng)的電器分系統(tǒng)作為第一個聚類中心進(jìn)行聚類［3］。

本文采用K均值的方式對系統(tǒng)進(jìn)行聚類，首先按照如下公式計算各數(shù)組到聚類中心的歐式距離：

并計算所有樣本之間距離的平均距離：

把與已有聚類中心距離大于平均距離d的樣本方差置空，在剩余樣本中選取均值最大的那個樣本作為下一個聚類中心；重復(fù)該步驟，得到k個聚類中心；在本文實驗設(shè)k=5。然后計算每個數(shù)組到各個初始聚類中心的距離，按歐式距離最近原則將每個數(shù)組對應(yīng)的電氣系統(tǒng)分到各個類；然后按照平均法更新各個類的質(zhì)心，作為新的聚類中心，計算每個數(shù)據(jù)對象到新聚類中心的距離d，按最近距離原則將每個數(shù)組對應(yīng)的電器系統(tǒng)原理圖分到各個類；計算準(zhǔn)則函數(shù)E：

判斷E是否收斂，若收斂，則結(jié)束，輸出最終聚類結(jié)果；若不收斂，則再次更新聚類中心并重復(fù)聚類步驟。

4 基于電氣分系統(tǒng)聚類的連接正確性分析

本文方法流程如圖4所示。通過電氣分系統(tǒng)聚類，原電器分系統(tǒng)根據(jù)失效模式相關(guān)性聚為多個類，對于每個類可單獨進(jìn)行電氣原理仿真分析，當(dāng)每個類都進(jìn)行仿真分析后，可認(rèn)為整車電氣原理通過了仿真分析，可進(jìn)行下一步的試生產(chǎn)與實物驗證。本文以某量產(chǎn)項目的CHS電氣原理圖為例用以驗證本文仿真方法的有效性，該項目原理圖已完成過整車級電氣功能分析，通過人為設(shè)定100個設(shè)計問題進(jìn)行驗證，本文通過檢查運算次數(shù)，設(shè)計問題檢出率和設(shè)計問題誤檢率對最終檢查模型進(jìn)行評估。設(shè)計問題檢出率表示被檢出問題占總設(shè)定問題的比例，誤檢率表示系統(tǒng)錯誤判斷的設(shè)計問題占總檢出問題的比例，詳見表1。

表1 中O表示仿真分組范圍內(nèi)開關(guān)數(shù)量。從表1結(jié)果可以得出，本方法較全局仿真算法誤檢率下降了13%，檢測率僅降低了1%，同時，相對于系統(tǒng)仿真算法誤檢率上升了2%，檢測率提高了29%，由于誤檢出來的問題可以通過設(shè)計人員判斷再次排除，而漏檢項往往會產(chǎn)生設(shè)計錯誤，就準(zhǔn)確率來說全局仿真算法最優(yōu)，其次為本文算法，最差為分系統(tǒng)仿真。同時將本文方法與平均分組算法進(jìn)行對比，平均分組是將系統(tǒng)按照排列順序直接分為一組在組內(nèi)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果可以看出，兩種方法運算次數(shù)相近，但是本文方法準(zhǔn)確率較平均分組方法提升了20%，證明本文系統(tǒng)聚類方法的有效性。

圖4 本文方法流程圖

表1 本方法與全局檢查以及系統(tǒng)檢查算法的準(zhǔn)確率以及時間對比

結(jié)合運算次數(shù)對四者進(jìn)行了對比，從結(jié)果看出本算法較全局仿真大大降低了運算時間，同時檢測率未明顯下降。

表2 為本算法分類數(shù)量K不同時算法的檢查率與算法時間對比，通過表格數(shù)據(jù)可以看出，隨著分類數(shù)量的增加，檢測率逐漸下降，算法運算時間也同時下降，運算時間下降趨勢呈指數(shù)形式，在分類數(shù)量達(dá)到一定程度后繼續(xù)增加分類數(shù)量時間收益并不高，且檢測率下降嚴(yán)重，本方法旨在解決普通計算機無法滿足的大運算量問題，因而在普通計算機能滿足運算的條件下應(yīng)盡量減少分類數(shù)量。

表2 本發(fā)明聚類數(shù)量結(jié)果對比

5 結(jié)論

綜上所述，本文方法根據(jù)市場需求的功能配置對整車電器原理進(jìn)行劃分，在需求發(fā)生變化時，能夠針對配置變化涉及的系統(tǒng)進(jìn)行更新，相對于整車全局仿真，該仿真模型具有更好的適應(yīng)性，仿真速度也得到了有效提高。同時仿真模型將失效風(fēng)險評估數(shù)引入各個電器分系統(tǒng)相關(guān)系數(shù)中，有效地利用問題的關(guān)重信息，在提升運算速度的同時有效避免了關(guān)鍵信息丟失。系統(tǒng)分組數(shù)量以及分組方式仍對連接正確性仿真分析結(jié)果有較大的影響，后續(xù)仍需對分組數(shù)量以及分組方式進(jìn)行更加深入的研究。