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摘 要：在汽车电子电气设计制造领域，基于模型的系统工程思想已经开始逐步取代传统基于文档的设计开发流程。面向PREEvison使用的EEA分层模型架构，该文设计实现了一种基于通信矩阵的快速建模方案，采用PREEvison的二次开发功能进行总线通信网络和软硬件网络拓扑的自动化建模。该文提出的方法在工程实践中，显著提高了相关车型平台的建模工作效率并为相关设计企业将现有设计文档转化为可复用的数据模型。
关键词：汽车电子电气 基于模型的系统工程 PREEvision 通信矩阵
中图分类号：N945.12;U463.61 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）02（b）-0088-03
A Method for Automobile Electronic and Electrical System Modeling Based on Communication-Matrix
LI Dechen SUN Zhixin* PU Yang
（School of Modern Posts， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu Province， 210000 China）
Abstract： In the field of automotive electrical and electronic design and manufacturing， model-based system engineering has begun to gradually replace the traditional document-based design and development process. For the EEA model architecture used by PREEvison， this paper designs and implements a rapid modeling solution based on communication matrix. Use the secondary development function of PREEvison to automatically model the bus communication network and hardware network topology. In engineering practice， the method proposed in this paper greatly improves the modeling efficiency of related vehicle models and transforms existing design documents into reusable data models for related design companies.
Key Words： Automobile E/E; MBSE; PREEvision; Communication matrix
現代汽车的电子电气网络包含了大量电子控制单元（ECU）、传感器和执行器，它们通过各种总线通信系统和网关进行通信，随着汽车智能化、车联网化的发展，新车型的电子电气系统复杂度不断提升。汽车整车电子电气系统开发作为一项复杂的跨学科系统工程，传统的基于文档的设计开发模式在实际项目中版本控制复杂，产业链上下游相关企业协同设计开发的难度因此大大增加，近年来汽车行业引入基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）思想，逐步开始向基于模型的设计开发模式转换。
1 PREEvision的分层建模架构
近年来车联网系统、驾驶辅助系统和自动驾驶功能等升级使得汽车电子系统架构愈发复杂，为应对这种系统复杂度的提升，降低整车集成成本和研发周期，汽车行业现在正在逐步采用不同架构视图的集成建模方法[1]，PREEvison作为其中一种主流的汽车电子电气架构模型开发工具，使用EEA分层模型架构[2]，这种模型架构提供了复杂的建模功能支持，通过该模型对汽车E/E系统开发设计各阶段进行对接，使得不同的设计团队在工程开发各个阶段能够基于相同的模型协同工作，如图1所示。其采用的分层架构基于UML和SysML进行模型可视化描述[3]。PREEvison作为在汽车工业使用MBSE理论的一个建模软件平台[4]，对目标模型按需求工程、功能系统逻辑、通信网络设计、软件/硬件体系结构、线束拓扑对整车电子电气开发进行分层建模[5]。PREEvison支持对模型组件元素的抽象、分解和重用以及车型高低配置的变形管理[6]，同时还支持对各层模型之间进行层间映射。
2 基于通信矩阵的系统建模
2.1 建模流程描述
汽车电子电气系统架构开发包括自顶向下和自底向上两种开发流程[7]。一般新车型平台开发多采用自顶向下流程开发，基于统一的需求定义格式对需求层进行建模。当具体功能域子系统有供应商成熟方案则一般采用自底向上方案，使用相关工具链导入相关数据，向上对需求层、逻辑功能架构和线束信息进行建模[8]。结合上述两种顺序建模流程，该文根据工程实践需要，在参考传统文档的形式的功能需求和完成了通信网络设计的前提下，设计了一种基于信号矩阵的快速建模方法。建模流程如下。
（1）Metric算法模型构建。
（2）通信层信号报文建模与模型合并。 （3）硬件层模型复用与自动重构。
（4）软件架构层建模。
（5）逻辑层建模。
2.2 通信层自动导入建模
通过PREEvison内置的Eclipse编辑器对Metric算法模型的计算模块（CaculationBlock）进行Java代码编写，构建自动导入建模的算法模型，随后执行导入算法模块将通信工程师给出使用CANoe导出的DBC、LDF等格式的通信矩阵文件以通信层模型包的形式导入到EEA模型数据库中。
执行对应的计算模块后在模型数据库中分别生成了不同的导入包，分不同批次导入的信号矩阵文件分属于各功能域的不同通信总线，所以导入后的信号层模型包要在产品线级模型层级进行合并操作。通过使用合并模块（MergeBlock）根据项目需要先设定好融合规则，将待合并的导入包作为合并模块的输入参数对上述步骤导入的模型包和硬件组件元素進行模型合并，从而确保系统内部元素的一致性。合并生成的通信层模型既包含了信号、报文的详细属性定义信息，也自动生成了基于网络节点的信号路由信息，为后续建模流程提供了公用模型资源池。最后通过内置表格和模型树视图核对导入的信号报文属性。
2.3 硬件层模型
硬件网络架构模型是对上文建模的通信网络物理实体抽象，通过复用公用模型资源池中的ECU、等元器件模型组件，根据具体子功能的构图需要对硬件网络拓扑进行图形化建模描述。网络拓扑图中的模型块元素间自动生成的连接关系同时也蕴含了信号路由信息，极大地提高了建模工作效率。同时将手动操作带来的潜在错误降到了最低。
复用信号层导入的网络节点ECU组件进行硬件网络拓扑层建模，从而对早先导入的结构化信号路由数据进行图形化显示。在硬件网络层对连接关系参照相关文档进行详细属性定义，硬件网络拓扑中抽象连接关系此时包含了总线通信设计导入的相关详细定义，对其进行自动重构便可以生成对应的电气原理图。类似的，对电气原理图进行细化设计可以重构生成对应的线束原理图。
2.4 软件层模型
与硬件网络拓扑层类似，软件层建模基于对之前导入的模型组件资源的复用。按详细功能设计文档建立对应的软件架构图，软件层基本建模组件（SWC）间的端口自动继承自报文名，连接关系自动继承自通信层的信号路由。
2.5 逻辑层模型
在上述工作的基础上，依照硬件层的网络架构设计再对整车逻辑功能架构模型进行搭建。整车系统架构采用硬件网络层的拓扑布局，通过继承软件架构使用的端口和接口属性按系统功能设计文档对功能域内抽象功能模块建模。完成了五大功能域、网关、T-Box逻辑层建模。
3 结语
该文提出一种基于信号矩阵的汽车电气架构快速建模方法，采用PREEvison分层模型架构，通过Metric算法模型进行信号层自动化导入建模工作。该方法在顺序开发流程的基础上，以通信层作为建模起点，对目标车型平台的软硬件功能架构进行建模，通过使用PREEvison的Metric二次开发功能自动化导入模型元素，实现了传统设计文档到单一抽象模型库的转换，显著提高了建模工作效率，同时保障了项目前期架构设计开发的一致性和工作质量，为企业积累了可复用的数据模型和相关工程经验，取得了较好的经济效益。
参考文献
[1] 王永辉.基于PREEvision的汽车电子电气架构设计介绍[J].汽车实用技术，2019（15）：111-112.
[2] harald Bucher，jurgen Becker. Electric Circuit-and Wiring Harness-Aware Behavioral Simulation of Model-Based E/E-Architectures at System Level[C]//IEEE International Systems Engineering Symposium （ISSE）.2018：1-8.
[3] 马燕燕，杨志斌，江国华.一种SysML模型到AADL模型的自动转换方法[J].计算机工程与科学，2020，42（3）：456-466.
[4] hannes Stoll，eduard Koch，Eric Sax. Integration of ROS communication interfaces in a model-based tool for the description of AUTOSAR-compliant electrical/electronic architectures （E/EA） in vehicle development[C]//2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems （ITSC）.2020：1-6.
[5] 赵洪林.基于Pareto的L4级智能电动汽车EE架构优化及实现[D].天津职业技术师范大学，2020.
[6] 周涛.基于PREEvision的汽车电子电气架构研究[D].河北工业大学，2016.
[7] 袁仲楠.基于PREEvision的电子电气架构开发研究[J].电子测试，2020（3）：55-57，130.
[8] 匡小军，唐香蕉，周涛，等.基于PREEvision的汽车电子电气架构工具链研究[J].汽车电器，2019（8）：62-64.
关键词：汽车电子电气 基于模型的系统工程 PREEvision 通信矩阵
中图分类号：N945.12;U463.61 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）02（b）-0088-03
A Method for Automobile Electronic and Electrical System Modeling Based on Communication-Matrix
LI Dechen SUN Zhixin* PU Yang
（School of Modern Posts， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu Province， 210000 China）
Abstract： In the field of automotive electrical and electronic design and manufacturing， model-based system engineering has begun to gradually replace the traditional document-based design and development process. For the EEA model architecture used by PREEvison， this paper designs and implements a rapid modeling solution based on communication matrix. Use the secondary development function of PREEvison to automatically model the bus communication network and hardware network topology. In engineering practice， the method proposed in this paper greatly improves the modeling efficiency of related vehicle models and transforms existing design documents into reusable data models for related design companies.
Key Words： Automobile E/E; MBSE; PREEvision; Communication matrix
現代汽车的电子电气网络包含了大量电子控制单元（ECU）、传感器和执行器，它们通过各种总线通信系统和网关进行通信，随着汽车智能化、车联网化的发展，新车型的电子电气系统复杂度不断提升。汽车整车电子电气系统开发作为一项复杂的跨学科系统工程，传统的基于文档的设计开发模式在实际项目中版本控制复杂，产业链上下游相关企业协同设计开发的难度因此大大增加，近年来汽车行业引入基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）思想，逐步开始向基于模型的设计开发模式转换。
1 PREEvision的分层建模架构
近年来车联网系统、驾驶辅助系统和自动驾驶功能等升级使得汽车电子系统架构愈发复杂，为应对这种系统复杂度的提升，降低整车集成成本和研发周期，汽车行业现在正在逐步采用不同架构视图的集成建模方法[1]，PREEvison作为其中一种主流的汽车电子电气架构模型开发工具，使用EEA分层模型架构[2]，这种模型架构提供了复杂的建模功能支持，通过该模型对汽车E/E系统开发设计各阶段进行对接，使得不同的设计团队在工程开发各个阶段能够基于相同的模型协同工作，如图1所示。其采用的分层架构基于UML和SysML进行模型可视化描述[3]。PREEvison作为在汽车工业使用MBSE理论的一个建模软件平台[4]，对目标模型按需求工程、功能系统逻辑、通信网络设计、软件/硬件体系结构、线束拓扑对整车电子电气开发进行分层建模[5]。PREEvison支持对模型组件元素的抽象、分解和重用以及车型高低配置的变形管理[6]，同时还支持对各层模型之间进行层间映射。
2 基于通信矩阵的系统建模
2.1 建模流程描述
汽车电子电气系统架构开发包括自顶向下和自底向上两种开发流程[7]。一般新车型平台开发多采用自顶向下流程开发，基于统一的需求定义格式对需求层进行建模。当具体功能域子系统有供应商成熟方案则一般采用自底向上方案，使用相关工具链导入相关数据，向上对需求层、逻辑功能架构和线束信息进行建模[8]。结合上述两种顺序建模流程，该文根据工程实践需要，在参考传统文档的形式的功能需求和完成了通信网络设计的前提下，设计了一种基于信号矩阵的快速建模方法。建模流程如下。
（1）Metric算法模型构建。
（2）通信层信号报文建模与模型合并。 （3）硬件层模型复用与自动重构。
（4）软件架构层建模。
（5）逻辑层建模。
2.2 通信层自动导入建模
通过PREEvison内置的Eclipse编辑器对Metric算法模型的计算模块（CaculationBlock）进行Java代码编写，构建自动导入建模的算法模型，随后执行导入算法模块将通信工程师给出使用CANoe导出的DBC、LDF等格式的通信矩阵文件以通信层模型包的形式导入到EEA模型数据库中。
执行对应的计算模块后在模型数据库中分别生成了不同的导入包，分不同批次导入的信号矩阵文件分属于各功能域的不同通信总线，所以导入后的信号层模型包要在产品线级模型层级进行合并操作。通过使用合并模块（MergeBlock）根据项目需要先设定好融合规则，将待合并的导入包作为合并模块的输入参数对上述步骤导入的模型包和硬件组件元素進行模型合并，从而确保系统内部元素的一致性。合并生成的通信层模型既包含了信号、报文的详细属性定义信息，也自动生成了基于网络节点的信号路由信息，为后续建模流程提供了公用模型资源池。最后通过内置表格和模型树视图核对导入的信号报文属性。
2.3 硬件层模型
硬件网络架构模型是对上文建模的通信网络物理实体抽象，通过复用公用模型资源池中的ECU、等元器件模型组件，根据具体子功能的构图需要对硬件网络拓扑进行图形化建模描述。网络拓扑图中的模型块元素间自动生成的连接关系同时也蕴含了信号路由信息，极大地提高了建模工作效率。同时将手动操作带来的潜在错误降到了最低。
复用信号层导入的网络节点ECU组件进行硬件网络拓扑层建模，从而对早先导入的结构化信号路由数据进行图形化显示。在硬件网络层对连接关系参照相关文档进行详细属性定义，硬件网络拓扑中抽象连接关系此时包含了总线通信设计导入的相关详细定义，对其进行自动重构便可以生成对应的电气原理图。类似的，对电气原理图进行细化设计可以重构生成对应的线束原理图。
2.4 软件层模型
与硬件网络拓扑层类似，软件层建模基于对之前导入的模型组件资源的复用。按详细功能设计文档建立对应的软件架构图，软件层基本建模组件（SWC）间的端口自动继承自报文名，连接关系自动继承自通信层的信号路由。
2.5 逻辑层模型
在上述工作的基础上，依照硬件层的网络架构设计再对整车逻辑功能架构模型进行搭建。整车系统架构采用硬件网络层的拓扑布局，通过继承软件架构使用的端口和接口属性按系统功能设计文档对功能域内抽象功能模块建模。完成了五大功能域、网关、T-Box逻辑层建模。
3 结语
该文提出一种基于信号矩阵的汽车电气架构快速建模方法，采用PREEvison分层模型架构，通过Metric算法模型进行信号层自动化导入建模工作。该方法在顺序开发流程的基础上，以通信层作为建模起点，对目标车型平台的软硬件功能架构进行建模，通过使用PREEvison的Metric二次开发功能自动化导入模型元素，实现了传统设计文档到单一抽象模型库的转换，显著提高了建模工作效率，同时保障了项目前期架构设计开发的一致性和工作质量，为企业积累了可复用的数据模型和相关工程经验，取得了较好的经济效益。
参考文献
[1] 王永辉.基于PREEvision的汽车电子电气架构设计介绍[J].汽车实用技术，2019（15）：111-112.
[2] harald Bucher，jurgen Becker. Electric Circuit-and Wiring Harness-Aware Behavioral Simulation of Model-Based E/E-Architectures at System Level[C]//IEEE International Systems Engineering Symposium （ISSE）.2018：1-8.
[3] 马燕燕，杨志斌，江国华.一种SysML模型到AADL模型的自动转换方法[J].计算机工程与科学，2020，42（3）：456-466.
[4] hannes Stoll，eduard Koch，Eric Sax. Integration of ROS communication interfaces in a model-based tool for the description of AUTOSAR-compliant electrical/electronic architectures （E/EA） in vehicle development[C]//2020 IEEE 23rd International Conference on Intelligent Transportation Systems （ITSC）.2020：1-6.
[5] 赵洪林.基于Pareto的L4级智能电动汽车EE架构优化及实现[D].天津职业技术师范大学，2020.
[6] 周涛.基于PREEvision的汽车电子电气架构研究[D].河北工业大学，2016.
[7] 袁仲楠.基于PREEvision的电子电气架构开发研究[J].电子测试，2020（3）：55-57，130.
[8] 匡小军，唐香蕉，周涛，等.基于PREEvision的汽车电子电气架构工具链研究[J].汽车电器，2019（8）：62-64.