基于電氣系統(tǒng)聚類的汽車線束連接正確性快速仿真分析方法

劉冰清，王 強(qiáng)，甘 霖，龍昭燈，何 歸

（重慶長(zhǎng)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(jì)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(jì)是通過(guò)人工計(jì)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(hào)、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(jì)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(jì)經(jīng)驗(yàn)影響較大。在快速變化的市場(chǎng)需求環(huán)境下，傳統(tǒng)線束設(shè)計(jì)方法的連接正確性難以得到保證。

目前，諸多主機(jī)廠均已開(kāi)始使用自動(dòng)化線束設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整車線束開(kāi)發(fā)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件模擬汽車電器件的工作狀態(tài)，在未生產(chǎn)實(shí)物之前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。其中CHS（Capital Harness System）擁有較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和個(gè)性化的設(shè)計(jì)流程，在國(guó)內(nèi)外多家主機(jī)廠都已開(kāi)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(duì)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(jì)的全過(guò)程控制，有效提高線束設(shè)計(jì)的連接正確性。運(yùn)用CHS連接正確性分析是通過(guò)對(duì)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(jì)算機(jī)運(yùn)算檢查電器功能是否正常實(shí)現(xiàn)，從而驗(yàn)證線束設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致仿真運(yùn)算次數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，大大地延緩了仿真分析運(yùn)算速度，難以適應(yīng)快速開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的需求，更甚者已超出了常規(guī)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種快速線束連接正確性分析方法，通過(guò)功能配置對(duì)整車電氣系統(tǒng)進(jìn)行劃分，再對(duì)各電器系統(tǒng)進(jìn)行失效模式相關(guān)性聚類，最后再對(duì)各類電氣系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真分析，有效降低仿真運(yùn)算次數(shù)的同時(shí)保持連接正確性檢查的準(zhǔn)確度，且其計(jì)算量能被常規(guī)計(jì)算機(jī)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(guò)對(duì)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(jì)算機(jī)運(yùn)算檢查電器功能是否正常實(shí)現(xiàn)。針對(duì)不同的仿真需求，CHS提供了定性分析與定量分析兩種運(yùn)行方式，定性分析狀態(tài)下不進(jìn)行任何數(shù)字計(jì)算，定量分析需要引入零件的各種參數(shù)，并賦予端節(jié)點(diǎn)之間連接線不同的電阻值等用于計(jì)算整個(gè)電路的多種數(shù)據(jù)。由于連接正確性僅需要判斷節(jié)點(diǎn)之間是否正確接通，為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)快速完成仿真運(yùn)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(shí)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(jī)進(jìn)行編程。定性分析狀態(tài)下不進(jìn)行任何數(shù)字計(jì)算，需進(jìn)行導(dǎo)通演示的電阻用ZERO（零）、MEDIUM（負(fù)載）、INFINITE（無(wú)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(shí)現(xiàn)的功能，子特征表示系統(tǒng)子零部件需要實(shí)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(shí)電器執(zhí)行該功能的響應(yīng)，單一子特征集可由多個(gè)響應(yīng)函數(shù)組成。例如：子特征集“前照燈點(diǎn)亮”需由“左前照燈點(diǎn)亮”響應(yīng)函數(shù)與“右前照燈點(diǎn)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(gè)控制函數(shù)，控制函數(shù)之間由“和”、“或”、“非”3個(gè)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(guò)軟件進(jìn)行檢查功能模型中各功能是否正確實(shí)現(xiàn)，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)可能存在的功能問(wèn)題，則會(huì)顯示這些問(wèn)題，以及問(wèn)題發(fā)生時(shí)候的開(kāi)關(guān)控制組合，從而完成線束連接正確性檢查。功能問(wèn)題報(bào)告如圖3所示。

圖3 功能問(wèn)題報(bào)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(jì)為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的快速變化，電氣原理設(shè)計(jì)通常會(huì)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(gè)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(dú)立的，各系統(tǒng)之間仍存在大量信號(hào)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(shí)間，但是大量的系統(tǒng)間連接關(guān)系將無(wú)法仿真分析到，從而造成問(wèn)題漏檢。

為了平衡仿真時(shí)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(kù)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(kù)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(cè)度（D）——失效模式庫(kù)中對(duì)失效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jì)算各數(shù)組內(nèi)均值，選取數(shù)組an均值最大對(duì)應(yīng)的電器分系統(tǒng)作為第一個(gè)聚類中心進(jìn)行聚類［3］。

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

并計(jì)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(gè)樣本作為下一個(gè)聚類中心；重復(fù)該步驟，得到k個(gè)聚類中心；在本文實(shí)驗(yàn)設(shè)k=5。然后計(jì)算每個(gè)數(shù)組到各個(gè)初始聚類中心的距離，按歐式距離最近原則將每個(gè)數(shù)組對(duì)應(yīng)的電氣系統(tǒng)分到各個(gè)類；然后按照平均法更新各個(gè)類的質(zhì)心，作為新的聚類中心，計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象到新聚類中心的距離d，按最近距離原則將每個(gè)數(shù)組對(duì)應(yīng)的電器系統(tǒng)原理圖分到各個(gè)類；計(jì)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(guò)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(gè)類，對(duì)于每個(gè)類可單獨(dú)進(jìn)行電氣原理仿真分析，當(dāng)每個(gè)類都進(jìn)行仿真分析后，可認(rèn)為整車電氣原理通過(guò)了仿真分析，可進(jìn)行下一步的試生產(chǎn)與實(shí)物驗(yàn)證。本文以某量產(chǎn)項(xiàng)目的CHS電氣原理圖為例用以驗(yàn)證本文仿真方法的有效性，該項(xiàng)目原理圖已完成過(guò)整車級(jí)電氣功能分析，通過(guò)人為設(shè)定100個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過(guò)檢查運(yùn)算次數(shù)，設(shè)計(jì)問(wèn)題檢出率和設(shè)計(jì)問(wèn)題誤檢率對(duì)最終檢查模型進(jìn)行評(píng)估。設(shè)計(jì)問(wèn)題檢出率表示被檢出問(wèn)題占總設(shè)定問(wèn)題的比例，誤檢率表示系統(tǒng)錯(cuò)誤判斷的設(shè)計(jì)問(wèn)題占總檢出問(wèn)題的比例，詳見(jiàn)表1。

表1 中O表示仿真分組范圍內(nèi)開(kāi)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(cè)率僅降低了1%，同時(shí)，相對(duì)于系統(tǒng)仿真算法誤檢率上升了2%，檢測(cè)率提高了29%，由于誤檢出來(lái)的問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)人員判斷再次排除，而漏檢項(xiàng)往往會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，就準(zhǔn)確率來(lái)說(shuō)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(shí)將本文方法與平均分組算法進(jìn)行對(duì)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(yùn)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(shí)間對(duì)比

結(jié)合運(yùn)算次數(shù)對(duì)四者進(jìn)行了對(duì)比，從結(jié)果看出本算法較全局仿真大大降低了運(yùn)算時(shí)間，同時(shí)檢測(cè)率未明顯下降。

表2 為本算法分類數(shù)量K不同時(shí)算法的檢查率與算法時(shí)間對(duì)比，通過(guò)表格數(shù)據(jù)可以看出，隨著分類數(shù)量的增加，檢測(cè)率逐漸下降，算法運(yùn)算時(shí)間也同時(shí)下降，運(yùn)算時(shí)間下降趨勢(shì)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(shí)間收益并不高，且檢測(cè)率下降嚴(yán)重，本方法旨在解決普通計(jì)算機(jī)無(wú)法滿足的大運(yùn)算量問(wèn)題，因而在普通計(jì)算機(jī)能滿足運(yùn)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(duì)比

5 結(jié)論

綜上所述，本文方法根據(jù)市場(chǎng)需求的功能配置對(duì)整車電器原理進(jìn)行劃分，在需求發(fā)生變化時(shí)，能夠針對(duì)配置變化涉及的系統(tǒng)進(jìn)行更新，相對(duì)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(shí)仿真模型將失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)引入各個(gè)電器分系統(tǒng)相關(guān)系數(shù)中，有效地利用問(wèn)題的關(guān)重信息，在提升運(yùn)算速度的同時(shí)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(duì)連接正確性仿真分析結(jié)果有較大的影響，后續(xù)仍需對(duì)分組數(shù)量以及分組方式進(jìn)行更加深入的研究。