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电子电气系统开发中的功能需求开发

摘要
        中国汽车产业在规模与生产虽然已经跃上世界先进水平,但是技术重心往往着重在验证与制造。对于自主设计,与国外主流车厂相比,经验仍然缺乏。近年各大车厂逐渐将重心转移到设计仿真的阶段,因此在电子电气开发方面,也有了相应的变化。功能需求开发工作也从供应商驱动,改变为市场需求驱动。本文旨在先容如何开展基于正向思维的功能需求开发工作。亚洲城ca88唯一官网基于多年汽车E/E系统开发经验,帮助客户导入E/E正向开发流程,并且协助进行功能需求设计工作,下面和大家先容如何开展基于正向思维的功能需求开发工作。
        本文首先先容整车开发阶段及电子电气开发流程,并且说明功能需求开发工作所在的开发环节。然后针对功能需求开发,提出如何从市场分析Voice of Customer(VOC)开始,逐步开发Vehicle Technical Specification(VTS),Subsystem Technical Specification(SSTS)以及Component Technical Specification(CTS)。此过程采用Top-down开发方式,将市场语言转化成技术语言,并且提出实现方案的过程。本文亦说明VTS/SSTS/CTS的定义,并且提出范例说明。
整车开发阶段
        车厂进行整车开发,大致分成4个阶段,如图1。
• 起始阶段:在此阶段主要发展可行商业计划,项目可行性与经济性分析,考虑开发成本、部件成本、生产成本、销售成本等等。完成一系列的分析之后,确定目标框架。
• 概念阶段:在此阶段会进行整车概念规划、初始设计需求、供应商供货能力、工厂产量分析、市场活动概念、售后概念、创新设计评估、整车性能评估、设计能力较强的车厂会在此引入虚拟车型开发,进行整车设计仿真,明确设计指标。
• 开发阶段:前一个阶段中,主要制定技术指标。此阶段主要是完成部件设计、整车集成、样车制造、测试验证、生产前准备等等工作,以满足设计需求。
• 量产/维护阶段:本阶段需要确认产品满足所有功能以及相关需求、确认市场活动与售后,确认产量与质量达成目标,确认成本与利润满足经济目标。对于售出的车辆,实行维护与品质保证等等活动。

图1:整车开发阶段

电子电气开发流程
大家所熟悉的电子电气开发流程(V模型),包含需求开发,设计与仿真,部件开发与验证,集成验证,量产完成。V模型会在前一章节的整车开发阶段的概念阶段后期开始进行,并且贯穿整个开发阶段至量产/维护阶段,如图1的黄色覆盖区域。

图2:V模型开发

        本文提出的VOC/VTS/SSTS/CTS的开发活动,主要位于电子电气开发流程中的工作项目:需求开发。除了功能需求之外,需求开发也需要考虑法律法规以及非功能性需求(non-function requirements),但此部分不在本文描述。

阶段1 –from VOC to VTS
        阶段1- from VOC to VTS主要是使用技术语言来描述市场希望的车辆性能或特色。
        市场部门完成一系列的市场调查之后,提出VOC研究报告,例如市场客户结构、市场购买因素、尺寸定位分析、领导车型感知、产品属性重要性等等。工程团队利用VOC作为输入,制定满足市场需要的VTS。VTS为顶层的需求,主要描述车辆与使用者的交互关系以及性能目标。通常包含汽车空间配置、总成配置、性能要求、气体动力学、尺寸空间、底盘系统、汽车刚性、外界接口、车辆人机界面、空调系统、各种模式NVH、操控性、刹车系统、生命周期、耐久性、道路安全、车辆回收等等。
        性能目标设定除了参考既往经验、团队能力之外,目标客户希望以及未来趋势都是关键因素。因此性能目标的设定必须基于深厚的设计经验并且进行有效的语言转化。此阶段通常需要大量对标工作以及主观判断来支撑性能目标的制定。
        大家可以通过市场输入、对标分析、生产组装分析、模拟分析、权衡分析等等方式来开发VTS。也可以引入质量管理工具Quality Function Development (QFD)如图3,进行分析,得出基本车辆信息。

图3:QFD示例

阶段2 - from VTS to SSTS                         
        本阶段主要基于VTS来开发SSTS。前一阶段所产生的VTS,对于特定性能已经有了明确的指标。在本阶段使其设计需求更加具体。
        SSTS达到承先启后的功能,满足上一层VTS需求,并建立下一层CTS需求。SSTS对复杂的功能进行有结构性的拆解与分析,并且定义多个部件的组合行为,以及各个子系统的交互信息及方式。
        SSTS相较于VTS更加具体,描绘信号交互、功能逻辑、场景分析等等。而SSTS相较于CTS更加抽象,通常不涉及包装、实现方案、详细原理、环境测试等等内容。
        也因为抽象性,SSTS才具备通用性的特点。SSTS能够独立于实现方案,却又为实现方案约定一种设计框架,使供应商在这个框架之中,能够进行各种创新或者降低成本设计,但又不会偏离初始的设计需求。因此车厂在选择供应商方案时,能够基于SSTS,去挑选品质与成本均优的方案。
        以刹车子系统为例,其SSTS可能包含1.提供制动施加信息 2.手动驻车制动 3.电子驻车制动 4.制动故障判断功能 5.防抱死制动 6.车辆动态控制7.制动清洗 8.智能制动辅助 9.上坡保持 10.自动制动等等功能。每个功能的输入输出交互,状态转换,实行策略,场景分析均会在SSTS中使用文字、图形或者方程式来描述设计内容。
阶段3 - from SSTS to CTS
        本阶段目的是将SSTS的功能点通过功能分配,将设计需求分配给不同的部件来实现。而一个功能点可能与多个部件相关。
        CTS为部件技术规范,此规范详细描述供应商所提供的控制器设计原理,包含控制芯片要求、电气原理图、控制功能逻辑、交互信号、睡眠唤醒、电气特性、性能测试等等。
        SSTS主要以子系统为中心,由多个部件共同实现。而CTS主要以控制器为中心。CTS由供应商提供,其内容必须满足各个SSTS中的需求内容。三者关系描述如下图4。

 
图4:VTS/SSTS/CTS关系示例

结论
        本文描述功能需求开发工作在整车开发项目的所在环节。并且说明VOC/VTS/SSTS/CTS的内容与相互关系。通过VTS定义整车的性能指标,由SSTS描述抽象的逻辑关系,由CTS说明实现方案。每个阶段转化都需要大量设计经验与人员的支撑。希翼通过本文让读者了解正向设计流程的面貌。除此之外,就开发方式而言,有两种方式,一种是Top-down(由上至下),另一种Bottom-up(由下至上)。而要完成一个高度平台化、易于裁剪的电子电气架构设计,必须采用Top-Down的设计思想,这也是国内自主品牌车企不断努力的方向。

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