模块化/KSK汽车线束设计

1 模块化的必要性

早在2011年的德国汉诺威工业博览会上，由博世公司（Bosch）及利奥波第那科学院 （Leo-poldina）组成的研究小组就已提出了工业4.0的概念，其定义为连接数字互联网世界与生产经济中的传统过程与服务。

]工业4.0旨在整合当前的互联网、物联网技术，优化传统工业中的生产流程，打造智能工厂，而其最终的目的就是实现大规模定制，快速响应客户需求，满足不同客户的不同个性化需求， 同时兼顾低成本、高效率的大规模生产。

作为高度自动化的汽车行业必将成为工业4.0的先驱。而如何满足日益增长的客户定制化需求， 成为实现工业4.0进程中的一个重要课题。当汽车高度定制化之后，汽车内大部分的配置都可以根据客户的需要进行选择。若将这些可能性进行排列组合，出现的将会是成千上万种不同结果。而线束作为汽车中单独的个体零件，连接了汽车中的所有用电器， 需要满足不同的功能配置，具有相当高的复杂性。这时我们必须化繁为简，此时模块化生产的概念应运而生。其基本理念为：设计时，将汽车中所有可供客户选择的功能划分成不同的模块，然后在实际生产中通过拉动模块的组合方式来生产线束，最后与整车定制化生产进行匹配。组成汽车线束的每一个零件，都应该有其模块属性。模块化生产的应用，能够让线束生产更多样化，实现一车一线，车车不同，满足客户的个性化需求。

2 如何实现模块化

2.1 模块划分

在线束设计之初，模块就必须被明确定义，然后再将每一个零件划分至不同模块之中。每个模块都必须包含插接件、导线、端子、防水塞、紧固件、熔断丝、继电器等线束的组成零件。定义模块时，首先要将所有的用电器功能划分成2种：基础模块及功能模块，如图1所示。

2.1.1 基础模块

基础模块定义为Module_Basic，具有唯一性，该模块内所有零件都用于适合所有车型配置的必装功能，且这些功能不含多种配置。因此线束图纸中应该只存在一个基础模块，并且所有车型都共用同一基础模块。基础模块一般包含BCM、内舱熔断丝盒及诊断等通用的功能。

2.1.2 功能模块

功能模块包含具有多种选择或者未来可能发生多种选择的功能。随着当下汽车用电器数量的飞速增长，继而会衍生出庞大的功能模块群。为了更容易管理这些模块，可将功能模块分为3个等级：模块组、功能模块、分支模块。

1） 模块组按功能大类分为模块组Module_A、Module_B、Module_C等，如ABS模块、前照灯模块、收音机模块。

2） 功能模块根据具体功能差异，细分模块Module_AA、Module_AB、Module_AC等，如在前照灯模块下，可分成卤素前照灯模块、氙气前照灯模块及LED前照灯模块。

3） 分支模块同一功能由于匹配不同钣金，造成分支长度不同， 需另外衍生模块 Module_AAA、Module_AAB等，实际生产时可以根据钣金需要，选择不同长度的分支。

2.2 导线模块定义

导线作为线束中的重要部件，在模块化过程中，需要有明确的模块定义。但回路总是连接着两端的设备，具有其特殊性。某一根回路将被置于设备端A的模块还是设备端B的模块之中， 则是需要考量的地方。

通常会遵循以下原则给导线定义模块：

1） 基础模块内的2个用电器连接，该回路属于基础模块。

2） 基础模块用电器与功能模块用电器直接连接，该导线属于功能模块。

3） 2个不同功能模块的用电器相连，则需判断其从属关系，再将回路分类。

4） 基础模块用电器与功能模块用电器之间存在焊接点，可将焊接点看作一个用电器，判断其模块属性。然后根据前3条判断所连回路的模块属性。

5） 若某一回路只有一端连接用电器，另一端搭铁，则该回路根据其用电器进行模块定义。图2以部分回路为例，简要说明了不同类型回路的模块划分方式。

2.3 复杂性的降低

前面介绍了如何划分基础模块及功能模块，但如果将汽车中每一个可选或潜在可选的用电器单独作为一个功能模块，将会衍生出高度复杂的模块群，对于目前的技术来说， 显然是不合适的， 因为这样会大幅增加管理成本。例如，将4个摇窗机分别划入4个不同功能模块，就是模块定义上的一种浪费。因此，需要在保证模块灵活性的前提下，合并模块，优化模块管理，降低管理成本。

1） 类型相同  具有相同类型的用电器，并确保会同时装配。例如前后排4个座椅都有加热功能， 理论上可以有4个模块，但事实上，并不会单独选某一个座椅加热，而是前排加热或前后排加热的模式。因此， 可以将前排座椅加热合并为一个模块，后排亦是如此。

2） 功能共存  不同类型的用电器，但相互连接，服务于同一功能。例如车载电话中包含了麦克风、按键、收音机、天线。如果单独划分模块，就会成立4个模块。在实际应用中，这4个用电器同时服务于车载电话这一功能，只需将其划分至车载电话这一个模块即可。

3） 配置选型  目前用户购车还是以选型为主，根据选择的舒适型或旗舰型，或选装包来配置车辆。例如高配车型配有后视镜电动折叠及感应刮水，这2个功能虽然类型功能都不同， 但可以保证会被同时选中，那么2个用电器也可合并在同一模块之中。这样可以降低目前的模块管理成本，在必要时再将其拆开。

4） 冗余布线  将一些分支包含在某些特定的配置中，无论客户有没有订购。例如无论客户是否选择前雾灯，都将这个分支包含在线束零件内。这种方法只有在减少的管理成本大于实际物料增加成本的情况下才适用。

3 不同软件实现模块化的解决方案

为了实现线束中的模块化设计，明导公司（Mentor Graphics） 开发的电子系统设计软件 （ESD）简化了设计阶段对模块代码的定义，加快了工程阶段对功能模块的材料分配和制造阶段对生产模块的材料分配。在设计之初就定义每根导线支持的功能和各功能之间的关系。设计时先合成导线，然后自动为导线分配模块，将具有相同表达式的导线归为同一模块，对于没有表达式的导线，则说明该导线对于所有车型全选，将这类导线赋予核心模块代码。在整个过程中，软件可以自动完成与模块化相关的工作，提供可靠的配置。

针对具有高度复杂性的线束设计， Aucotec公司推出了Engineering Base软件（简称EB）。EB通过中央数据模块的方式覆盖了从设计到生产的整个流程。该软件采用150%的模块化设计方法，支持插接件变量设计，导线模块化与变量设计，通过变量与模块结合的方式，控制实际车型的生产配置。此外，EB还可以面向生产，分别配置出每一根单独线束的实际信息，并且自动分析将模块重新分配，并导出制造专用模块，节省了生产工艺的大量工作，提高生产效率。

为了满足KSK的设计需求，图研（Zuken）公司也开发了E3.Harness Analyzer软件。这款软件可以结合KBL（线束信息列表）及SVG（可缩放矢量图）数据导入HCV数据库，支持带有模块信息的线束图纸，可根据STEP AP212 KBL数据结构显示模块及模块组的相关信息。在软件 中， 用户可以对模块进行选型配置，并存于HCV数据库中。

4 汽车零件模块化

如今KSK的线束生产模式已经在主机厂及供应商中逐渐普及，但其初级阶段主要还是针对导线及其相关附件的客制化。未来我们可以将这种理念不断扩展，推广至汽车中的每一个可供客户选择的零件中去。

目前， 较有可能实现的下一阶段为熔断丝盒的模块化。可将熔断丝盒中的熔断丝及底座拆分为小型的熔断丝组，并按功能分为基础及功能模块。这些熔断丝组均配有小型熔断丝盒，而且熔断丝盒可以互相拼接及拆卸。在实际生产中按车型配置选择模块，再将不同模块进行拼接组装。这些熔断丝盒的模块间同时存在机械及电气连接，可以像拼版一样根据需要叠加使用，不断扩展。这样既增加了熔断丝盒的通用及稳定性，又可减少材料、安装空间、质量以及经费。这样就从零件的角度上满足了客户订制的需要，以后还将延伸到更多功能件。

5 结束语

KSK是客户订制化在工业生产中的初步体现，德国的一些大型主机厂现已开始采用模块化生产， 客户在确定发动机与变速器的组合后，可对汽车的内外饰及电子功能等进行自由组合搭配。而中国市场还未普及这样的生产和开发方式，目前只有大众、奥迪、斯柯达、宝马及奔驰采用了模块化的生产方式，其中仅大众和斯柯达的部分车型在中国完成模块化线束开发， 其余均为来图生产。中国在模块化生产的方向，还存在着巨大潜力。

随着用户个性化需求的不断提高， KSK的生产方式 将会成为主流，并且未来还将不断发展至各个领域， 在大规模量产中实现高复杂性生产。这需要企业从研发到生产，从物流到管理全方位做出改革，即是机遇也是挑战。工业4.0将引领第4次工业革命，其最终目的就是满足客户需求，使工业产品更为个性化、人性化。希望在不久的将来，每个人都能够享受到完全符合自己需求的定制产品。