動車組車體快速設計系統研究與優化

米小珍，蘇允飛，王楓

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 3.大連交通大學 現代軌道交通研究院，遼寧 大連 116028)

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動車組車體快速設計系統研究與優化

米小珍1，蘇允飛2，王楓3

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028； 3.大連交通大學 現代軌道交通研究院，遼寧 大連 116028)

對動車組車體快速設計系統的模型參數化、程序設計及實現進行研究.采用基于骨架自頂向下、模塊化、參數化及Pro/Program的設計方法創建車體參數化模型，借助Pro/Toolkit二次開發工具及Visual Studio開發環境，完成車體快速設計系統的開發和系統優化.指出系統程序優化的重點主要在于車窗車門部分快速設計的程序實現，并提出基于代碼調整和算法結構兩個層級的優化策略，代碼調整方法通過調用自定義函數的方法來優化車窗車門程序，算法結構方法從程序邏輯結構的角度對車門程序進行了優化.最后對比分析了兩種方法的優缺點，確定在動車組車體快速設計系統程序設計過程中采用函數調用的方法更加合適.

動車組車體；快速設計；系統優化；參數化

0 引言

動車組的引進為我國鐵路客運帶來更大的發展空間，如何在成熟車型基礎上快速開發新的車型系列、縮短產品開發周期、快速響應市場變化、降低成本、提高經濟效益，是企業面臨的重要挑戰.動車組車體是大型裝配體結構，其三維模型具有信息量大、結構復雜和參數多等特點.采用基于骨架的自頂向下[1-3]、模塊化、參數化及Pro/Program設計方法創建車體參數化模型[4-7]，創建具有多層骨架體系結構的多模塊參數化車體組件，建立該模型各模塊各層級骨架關聯關系，利用Pro/Program和骨架參數分別控制多模板車窗的自由組合，并確保整個組件結構的變化一致性，可以保證車體快速設計中模型的正確再生.

在對車體進行快速設計開發中，參數化模型需要具備組件協同變型的功能，即當改變頂層結構尺寸時，底層的相關結構尺寸同步變化，亦可理解為設計信息在整個組件中正確傳遞；同時參數化模型要滿足車窗、車門等數量及結構隨著列車編組的不同呈現出多樣性的特點.參數化模型建立之前，需要合理選擇建模方法、骨架層次結構及設計參數，建模方法不僅體現了建模過程，同時也反應了產品設計思想.選擇不同方法建立模型樹結構、模型參數及尺寸，程序結構與實現方法也不盡相同.與簡單模型不同，復雜模型中參數化建模占據了更為重要的位置，直接影響系統程序設計和程序質量，優質的程序可讀性及穩定性好、易于管理，且方便系統的后續開發與維護.因此，在參數化模型成功創建及系統正確實現后，對系統程序作進一步的優化是非常必要的.

本文在Pro/Engineer環境下，通過參數化建模配合Pro/Program二次開發方法實現了車體模型的快速創建，并借助Pro/Toolkit二次開發[8-12]工具及Visual Studio開發環境，完成了車體快速設計系統的開發和系統優化.

1 動車組車體快速設計系統研究

1.1 車體快速設計系統實現方法

快速設計系統主要通過參數化建模配合Pro/Toolkit二次開發的方法來實現.參數化建模采用自頂向下、模塊化、參數化及Pro/Program設計方法創建參數化模型.利用骨架建模功能，創建多層骨架結構的多模塊車體模型，在TBS模型(頂層基礎骨架)中定義參數并設定尺寸關系，完成車體模型的參數化，將各模塊所需幾何信息相關特征進行發布，底層骨架復制發布幾何，繼承參數，實現設計參數在整車模型自TBS向下的完美傳遞，并通過Pro/Program程序IF......END IF語句控制模型某類型車窗模板的顯示與否以及各級骨架之間變化的一致性，完成參數化模型的正確再生.同時，基于Pro/Toolkit底層函數實現Visual Studio環境下系統編程，創建動態鏈接庫(dll)工程文件，設計人性化的MFC對話框，開發具備友好操作界面的車體快速設計系統.

從開發角度，基于多層骨架的動車組車體快速設計系統包括三部分：參數化模型、工程文件、注冊文件.參數化模型是快速設計系統的基礎，其實現方法受系統功能需求所限制，而建模方法和過程決定了程序的實現過程，進一步影響到程序的質量.工程文件是實現系統功能的核心，涉及資源添加與源文件編制.資源文件包括圖片、對話框等，對話框利用控件編輯工具完成交互界面的設計，創建可視化人機交互界面；源文件是程序開發的核心，主程序源文件包含系統程序的入口點和結束點，其他源文件通過創建基于CDialog類的子類來添加，其中定義對話框相關控件的數據變量，控件屬性，消息傳遞，按鈕功能及初始化函數等；注冊文件是一個*.dat文本文件，主要用來啟動系統經過編譯后生成的dll動態鏈接庫.

1.2 車體參數化建模技術

車體承載結構主要由底架、側墻、車頂、端墻組成.底架通常掛靠鑲嵌各種附件；側墻結構有車窗車門及一些用于內裝等的C型或L型導軌，其中，中間車兩端都有車門，頭車有一個車門，餐車沒有車門；車頂分高頂、平頂，安裝的設備包括空調、受電弓等；端墻主要由門框、角柱、端墻板和端墻附件四部分組成[13-14]，因此，模塊化車體模型主要包括底架、側墻、車頂、端墻四個模塊.

車體參數化模型的創建，要充分考慮后續變化的靈活性和設計變型的一致性，保證車體設計參數能完整地復制表達到各部件中，確保參數的完整傳遞才能使相關的設計修改最大限度地由計算機自動完成.利用Pro/E骨架模型的“發布、復制幾何”方式實現設計意圖自頂向下傳遞，創建多層骨架體系結構，進而達到整車設計參數傳遞以及各部件模型之間的設計關聯.

根據車體結構特點及功能需要，創建過程分為五部分，包括車體多層骨架模型、車頂子組件、側墻子組件、端墻子組件、底架子組件.首先創建車體多層骨架模型，依次添加各子組件，各子組件通過骨架結構實體化生成.多層骨架中TBS模型最先被創建，位于模型樹的頂端，其包括車體設計所需要的全部特征參數及參照，特征參數主要包括車體、車窗、車門及切口等結構的相關參數，參照主要包括坐標、點、線、面，除用來確定結構空間位置，還可定義尺寸關系.Pro/Engineer提供的參數、關系工具可以對模型進行參數化，通過參數和關系定義實現TBS模型中自定義參數與模型特征某一尺寸的關聯，完成對TBS模型的參數化，參數化過程中所涉及的參數本系統定義為設計參數.對已參數化的TBS模型中各子組件需要的幾何特征進行發布，各子組件通過復制已發布的相應幾何特征，來繼承該模塊所需參數及參照，創建各自對應的子骨架模型，構建出多層骨架模型體系結構，實現車體信息自頂向下的傳遞及車體組件中各子組件之間的關聯性.

至此，宏觀角度，參數化車體模型的創建基本完成，微觀角度的局部問題——車窗車門自由設計——還沒得到實現，車窗結構和數量的設計采用多模板獨立控制的方法，而車門采用兩端獨立控制，通過Pro/Program編制自定義變量和程序控制某一車窗類型模板及某端車門的顯示與否，實現車窗車門變化多樣性的要求，最終完成全部車體快速設計，該部分所涉及變量本系統定義為控制變量.

2 系統程序優化分析

車體快速設計系統中除側墻上車門車窗結構外，其他結構的快速設計都基于唯一尺寸驅動，即不管何種情況驅動參數始終保持不變.車門車窗除了大小尺寸需要變化外，數量也需呈現多樣性，同時保證同一數量情況下各個窗口之間參數互不干涉.基于車體中間窗數量一般在8～11之間變化，系統采用多模板方法來解決，該方法具有直觀，容易理解，便于實施的優點，如圖1所示.

側墻上一位端車門、一位端小窗、中間大窗、二位端小窗、二位端車門五部分是相互對立的模塊，任何一個模塊的調用都不影響其他模塊.一位端小窗、每種中間大窗類型和二位端小窗又各自分別包括內大外小、內小外大及直通三種車窗切口，三種形式彼此獨立.通過小窗與大窗的自由組合，生成多種車窗類型，實現車窗快速設計；車門通過對一二位端門獨立控制，實現車門的自由設計.由于車體模型具有多層骨架體系結構，因此，當選擇一種車窗類型后，每層骨架都需要定義相關的控制變量，即Pro/Program定義的變量，以保證各層骨架中車門數量和車窗數量及切口形式的一致性.每個變量的完整控制需要調用ProStringToWstring()、 ProStringToWstring() 、ProParameterValueSet() 等5個Pro/Toolkit底層函數語句.

圖1 車窗車門多模板方法

當定義的控制變量越多，重復使用的Pro/Toolkit函數越多，導致代碼無節制變長，只要變量增加，代碼長度就增加，使程序變得臃腫，可讀性降低，不便于程序管理，更不便于系統的后續開發.所以，車窗車門快速設計的程序實現是提高車體快速設計系統程序質量的首要問題，也是車體快速設計系統優化的主要重點.

圖2 車窗車門程序流程圖

3 系統程序優化策略

車體快速設計系統程序優化從程序結構和代碼兩方面進行優化.程序結構優化從代碼調整角度進行優化，代碼優化從算法角度進行，它們依次產生更顯著的優化效果.針對車窗車門存在的問題，從代碼調整和算法結構兩個層級分別給出優化策略.優化前車窗車門快速設計程序流程圖如圖2所示.其中每個變量的控制需要5個語句，大窗4個變量，小窗8個變量.小窗有三種情況：0個、1個、2個.所以在不考慮其他相關變量、語句的情況下，循環體中車窗變量控制語句行數達到280行，每次執行有120行.其中，反復大量使用卻只有5個語句，唯一不同的是函數實參列表.

車體一位側兩端車門與二位側兩端車門分別是各自獨立的四個模塊，各層骨架中都單獨控制.系統程序為了使車門控制更加靈活，每側車門給出0、1、2三種情況，每個變量的控制需要5個語句，循環體中完整控制車門變化需要300行語句，每次執行其中100行.

3.1 基于代碼調整的優化策略

代碼調整主要面向代碼，是一種局部的思維方式.將上述重復使用的Pro/Toolkit函數定義為具有特定功能的自定義函數，并在程序源文件開始部分添加函數的聲明，通過調用該函數來控制車門車窗數量和切口類型的快速變形.

通過調用自定義函數進行優化后，車窗部分循環體中控制語句只有56行，每次執行的有24行，車門部分循環體控制語句只有60行，每次執行20行，顯著的減少車窗車門程序代碼長度，程序更加簡潔，方便管理，提高車體快速設計系統整體質量.

3.2 基于算法結構的優化策略

算法結構強調的重點是針對問題的算法，即選擇和構造適合于問題的算法.由于車門兩側變量的設置很相似，利用條件表達式可以從程序邏輯結構上進行優化，優化后的程序流程圖如圖3所示.

在不考慮其他相關變量、語句情況下，上述程序循環體中車門完整控制需要45行語句，每次執行41行，縮短了代碼長度，雖然相對函數調用執行語句的行數有所增加，但運行速度得到了提高.缺點是條件表達式復雜，for循環語句及switch和 if控制語句相互嵌套使程序的可讀性降低，導致程序不夠靈活，即車門部分相關變量名稍微的改動，程序的變動量很大，甚至必須重新編寫.可以看出，優化代碼和優化速度實際上是一個予盾的統一，一般優化了代碼的尺寸(指執行的代碼)，就會帶來執行時間的增加，如果優化了程序的執行速度，通常會帶來代碼增加的副作用，很難魚與熊掌兼得，只能在設計時掌握一個平衡點.根據具體情況，本系統采用自定義函數調用的方法，以滿足車體快速設計系統變動的需要.

圖3 優化后的車門程序流程圖

4 結論

通過對車體快速設計系統模型參數化、程序設計及實現的具體研究與分析，車體參數化模型主要采用基于骨架自頂向下、模塊化、參數化及Pro/Program的設計方法來創建，并利用Pro/Toolkit二次開發工具及Visual Studio開發環境，完成車體快速設計系統的開發和系統優化.同時，總結了系統優化的重點在于車窗車門部分快速變形的程序實現，并從代碼調整和算法結構兩個層級對系統進行了優化.代碼調整通過自定義函數調用的方法對車窗車門程序進行優化，該方法達到了很好的程序優化效果，算法結構從程序邏輯結構角度對車門進行優化，雖然該方法優化了代碼，提高了運行速度，但程序可讀性及靈活性降低了.針對本系統實際情況，在系統程序設計過程中采用函數調用的方法更加合適.

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Research and Optimization of Rapid Design System for EMU Body

MI Xiaozhen1，SU Yunfei2，WANG Feng3

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 3.Modern Railway & Transportation Institute,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The parametric models, program design and implementation of rapid design system for EMU Body are studied.EMU body models are created by use of top-down skeleton,parametric and modular technologies,and the rapid design system is implemented on Visual studio by Pro/Toolkit.The main focus of the program optimization is the implement of rapid design for windows and doors on body.Two levels of optimization strategies are proposed based on code adjustment and algorithm structure.The code adjusting method is used to optimize the rapid design of windows and doors by calling self-defined functions.The algorithm method is used to optimize the rapid design of body doors from the perspective of the logical structure.The advantages and disadvantages of the two methods are compared and analyzed,and the function calling method is more appropriate in the system program design.

EMU body;rapid design;system optimization;parametric design

1673-9590(2015)03-0043-05

2014-10-10

米小珍(1962-)，女，教授，博士，主要從事企業集成、協同設計與集成管理的研究E-mail:mxz@djtu.edu.cn.

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