軌道車(chē)輛電氣自動(dòng)布線(xiàn)工具的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

姚海蘭，郭玉亮，朱東偉，李 穎，母印亨

案例 Case Study

軌道車(chē)輛電氣自動(dòng)布線(xiàn)工具的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

姚海蘭，郭玉亮，朱東偉，李 穎，母印亨

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北省唐山市 063035）

針對(duì)軌道車(chē)輛線(xiàn)束布線(xiàn)設(shè)計(jì)、布線(xiàn)規(guī)則復(fù)雜和布線(xiàn)過(guò)程繁瑣問(wèn)題，提出了一種新的電氣自動(dòng)布線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了電氣自動(dòng)布線(xiàn)工具。通過(guò)梳理布線(xiàn)規(guī)則，采用規(guī)則引擎方式，從而實(shí)現(xiàn)具有開(kāi)放性的整車(chē)自動(dòng)布線(xiàn)功能，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成三維線(xiàn)纜、線(xiàn)束長(zhǎng)度、線(xiàn)束走向信息及出口位置定義圖，為下游工藝部門(mén)提供完整準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。且以公司X項(xiàng)目為例，自動(dòng)布線(xiàn)工具已應(yīng)用于三維線(xiàn)束設(shè)計(jì)中，應(yīng)用結(jié)果表明電氣自動(dòng)布線(xiàn)工具提高了布線(xiàn)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。

電氣；自動(dòng)布線(xiàn)；設(shè)計(jì)方法

1 引言

城市軌道交通以其高效、安全、可靠和環(huán)保的特點(diǎn)近年來(lái)在我國(guó)許多大中城市獲得迅猛的發(fā)展。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求城軌車(chē)輛設(shè)計(jì)周期短，質(zhì)量高。電氣布線(xiàn)設(shè)計(jì)是軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電氣布線(xiàn)設(shè)計(jì)主要是在Creo3.0中利用纜模塊，在三維模型環(huán)境中，根據(jù)各電氣設(shè)備空間位置情況、電氣布線(xiàn)設(shè)備布局等，依靠工作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)線(xiàn)束走向，并將線(xiàn)束走向路徑手動(dòng)逐一編輯到Excel表中，最后通過(guò)在線(xiàn)槽二維圖樣上逐一量取分段長(zhǎng)度并累加的方式進(jìn)行線(xiàn)長(zhǎng)計(jì)算設(shè)計(jì)。

由于布線(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮的路徑因素多，需要布線(xiàn)的電纜數(shù)量大，而且在Creo3.0布纜過(guò)程中需要大量手動(dòng)操作，造成布線(xiàn)過(guò)程煩瑣，布線(xiàn)效率低，易出錯(cuò)。布線(xiàn)周期的延長(zhǎng)極大地制約了型號(hào)產(chǎn)品的快速研制能力。針對(duì)這種情況，本文提出了一種新的電氣自動(dòng)布線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)了電氣自動(dòng)布線(xiàn)工具，并對(duì)自動(dòng)布線(xiàn)在軌道車(chē)輛項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索。

2 自動(dòng)布線(xiàn)工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 三維電纜設(shè)計(jì)方法

目前軌道車(chē)輛電氣布線(xiàn)設(shè)計(jì)方法主要是電氣設(shè)計(jì)師完成（電氣原理圖）電氣連接關(guān)系的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)根據(jù)電氣連接關(guān)系在三維布線(xiàn)模型環(huán)境中完成線(xiàn)束走向設(shè)計(jì)。

由于車(chē)輛自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在布線(xiàn)方案階段，根據(jù)初步電氣連接關(guān)系確定電氣設(shè)備出入口點(diǎn)，并在整車(chē)環(huán)境排布關(guān)鍵線(xiàn)束路徑，再根據(jù)線(xiàn)束排布情況及車(chē)內(nèi)設(shè)備布局進(jìn)行線(xiàn)槽、扎線(xiàn)桿和換線(xiàn)箱等布線(xiàn)設(shè)備布局。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需要在搭建的三維模型環(huán)境中，逐根給出線(xiàn)束的具體走向及經(jīng)由點(diǎn)。在此過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師經(jīng)常運(yùn)用多種布線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)。

1）相鄰兩個(gè)路徑點(diǎn)不能跨側(cè)：走線(xiàn)路徑中相鄰的兩個(gè)路徑點(diǎn)不能直接在一位側(cè)與二位側(cè)之間跨越，必須經(jīng)過(guò)橫向線(xiàn)槽。

2）相鄰兩個(gè)路徑點(diǎn)空間距離限制：走線(xiàn)路徑中相鄰的兩個(gè)路徑點(diǎn)距離不能為零。

3）同層原則：如果出口點(diǎn)和入口點(diǎn)均分布在車(chē)上，那么線(xiàn)束不應(yīng)該經(jīng)過(guò)地板或者車(chē)下線(xiàn)槽。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)原則多，常用規(guī)則有近百種；同時(shí)車(chē)型需布線(xiàn)數(shù)量也在近千根，設(shè)計(jì)師需要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間完成線(xiàn)束布線(xiàn)設(shè)計(jì)工作。

通過(guò)對(duì)上述設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和提煉，我們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行固化，并在電纜的走線(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)尋找符合規(guī)則的路徑，規(guī)避不符合規(guī)則的路徑的方法，并建立一套自動(dòng)布線(xiàn)工具，快速計(jì)算符合條件的線(xiàn)束路徑供布線(xiàn)設(shè)計(jì)師選擇，從而提高設(shè)計(jì)效率。

2.2 系統(tǒng)原理

自動(dòng)布線(xiàn)工具的總體工作原理是設(shè)計(jì)師通過(guò)讀取由電氣原理圖中導(dǎo)出的電氣接線(xiàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入至在Creo中搭建好的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)基于布線(xiàn)規(guī)則的自動(dòng)布線(xiàn)模塊生成三維線(xiàn)纜，并輸出線(xiàn)束走向文件等信息，完成三維電纜設(shè)計(jì)任務(wù)。

自動(dòng)布線(xiàn)工具的詳細(xì)運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

自動(dòng)布線(xiàn)工具的具體原理如下。

1）布線(xiàn)設(shè)計(jì)師從電氣接線(xiàn)數(shù)據(jù)中獲取電氣連接關(guān)系，形成待設(shè)計(jì)的線(xiàn)束清單，其中包括電纜的顏色、線(xiàn)徑等關(guān)鍵屬性。

2）設(shè)計(jì)師選擇要布線(xiàn)的電纜，通過(guò)規(guī)則引擎模塊靈活應(yīng)用布線(xiàn)規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)尋徑，并自動(dòng)生成線(xiàn)束走線(xiàn)路徑。

3）設(shè)計(jì)師根據(jù)自動(dòng)布線(xiàn)引擎推薦的多條路徑進(jìn)行選擇，并一鍵生成三維電纜對(duì)象。

4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師也可一次性選擇多條線(xiàn)束，按系統(tǒng)給定的最優(yōu)路徑快速生成三維電纜對(duì)象。

5）在整個(gè)線(xiàn)束布線(xiàn)結(jié)束后，自動(dòng)布線(xiàn)工具可以批量導(dǎo)出所有線(xiàn)束的經(jīng)由點(diǎn)、每段長(zhǎng)度及總長(zhǎng)。

6）生成安裝線(xiàn)束用的二維安裝圖，同時(shí)輸出線(xiàn)束走向表供工藝部門(mén)使用。

此時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的三維電纜設(shè)計(jì)完畢。

在整個(gè)布線(xiàn)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的是如何為線(xiàn)束計(jì)算并生成路徑。為了靈活計(jì)算路徑，最好的解決方案是對(duì)設(shè)計(jì)師布線(xiàn)方法進(jìn)行提煉、總結(jié)，并形成布線(xiàn)規(guī)則。故規(guī)則設(shè)計(jì)及靈活運(yùn)用固化下來(lái)的布線(xiàn)規(guī)則生成合理線(xiàn)束路徑是自動(dòng)布線(xiàn)工具設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 自動(dòng)布線(xiàn)規(guī)則設(shè)計(jì)

3.1 布線(xiàn)規(guī)則概念

車(chē)輛電氣布線(xiàn)需要考慮車(chē)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各設(shè)備空間位置情況，實(shí)際走線(xiàn)復(fù)雜，但均遵循相應(yīng)的走線(xiàn)規(guī)則，布線(xiàn)規(guī)則是指導(dǎo)線(xiàn)束路徑生成的規(guī)則，是設(shè)計(jì)師布線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)、方法和布線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)的固化。

3.2 布線(xiàn)規(guī)則分類(lèi)

通過(guò)對(duì)布線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理、總結(jié)，可從線(xiàn)束經(jīng)過(guò)線(xiàn)槽實(shí)體及線(xiàn)槽之間布線(xiàn)遵循規(guī)律，線(xiàn)束布置過(guò)程中在整車(chē)空間布局布線(xiàn)遵循規(guī)律，起始設(shè)備、終止設(shè)備下一個(gè)接線(xiàn)點(diǎn)布線(xiàn)遵循規(guī)律入手，將布線(xiàn)規(guī)則集進(jìn)行分為四類(lèi)，介紹如下。

（1）基于布線(xiàn)實(shí)體的布線(xiàn)規(guī)則系列

布線(xiàn)實(shí)體，即線(xiàn)束經(jīng)過(guò)的線(xiàn)槽、分線(xiàn)箱和線(xiàn)管等的出口路徑點(diǎn)，在布線(xiàn)工具中以坐標(biāo)系形式體現(xiàn)。通過(guò)對(duì)線(xiàn)束走線(xiàn)時(shí)，線(xiàn)槽內(nèi)部及線(xiàn)槽間布纜規(guī)律的總結(jié)，主要根據(jù)坐標(biāo)系名稱(chēng)所蘊(yùn)含的業(yè)務(wù)規(guī)則，對(duì)可能的布線(xiàn)路徑進(jìn)行規(guī)范化定義。

2）基于坐標(biāo)系空間布局的布線(xiàn)規(guī)則系列

根據(jù)車(chē)型布線(xiàn)實(shí)體（布線(xiàn)坐標(biāo)系）的空間關(guān)系進(jìn)行定義，主要從空間距離、線(xiàn)束經(jīng)由點(diǎn)數(shù)目等方面限制線(xiàn)束走向的規(guī)范化定義。

3）出口點(diǎn)/入口點(diǎn)布線(xiàn)規(guī)則

根據(jù)線(xiàn)束出口點(diǎn)、入口點(diǎn)在整車(chē)中所處的位置不同，對(duì)線(xiàn)束所經(jīng)過(guò)布線(xiàn)實(shí)體應(yīng)遵循規(guī)律進(jìn)行規(guī)范化定義。

4）手動(dòng)坐標(biāo)系布線(xiàn)規(guī)則

指線(xiàn)束經(jīng)由的特殊路徑點(diǎn)的布線(xiàn)規(guī)則及上述規(guī)則沒(méi)有描述的點(diǎn)，手動(dòng)坐標(biāo)系指通過(guò)手動(dòng)創(chuàng)建坐標(biāo)系方式完成，如貫穿車(chē)體的通孔，車(chē)體行腔開(kāi)孔等。

3.3 布線(xiàn)規(guī)則細(xì)化

走線(xiàn)模式是從設(shè)計(jì)師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)形成的，具有指導(dǎo)意義的布線(xiàn)設(shè)計(jì)方法的總結(jié)。在布線(xiàn)規(guī)則分類(lèi)的基礎(chǔ)上，就可以針對(duì)每種分類(lèi)進(jìn)行布線(xiàn)規(guī)則的細(xì)化，形成具體的布線(xiàn)規(guī)則，如表1舉例，其中編碼為02-002、05-001、03-007、03-039和06-001的規(guī)則分別為四類(lèi)布線(xiàn)規(guī)則集的典型事例。

表1 布線(xiàn)規(guī)則舉例

3.4 布線(xiàn)規(guī)則集實(shí)現(xiàn)

將每條布線(xiàn)規(guī)則按照環(huán)境條件定義，規(guī)則參數(shù)定義、控制模式等屬性進(jìn)行參數(shù)化定義，形成可定制的參數(shù)化布線(xiàn)規(guī)則集，如圖2所示。再將參數(shù)化布線(xiàn)規(guī)則加工形成程序化的XML文件，可供程序代碼直接讀取識(shí)別，并靈活運(yùn)用在自動(dòng)尋徑過(guò)程，從而自動(dòng)生成路徑。

圖2 可定制的參數(shù)化布線(xiàn)規(guī)則集

圖3 程序化的規(guī)則集

4 自動(dòng)布線(xiàn)工具實(shí)現(xiàn)及工程應(yīng)用

4.1 工具實(shí)現(xiàn)

4.1.1 接口實(shí)現(xiàn)

電氣自動(dòng)布線(xiàn)工具是由E3.Series電氣擴(kuò)展工具和Creo結(jié)構(gòu)擴(kuò)展工具構(gòu)成的，程序開(kāi)發(fā)基于Creo 3.0 Pro/Toolkit,利用C++ 語(yǔ)言,以插件的形式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布線(xiàn)工具。啟動(dòng)時(shí)，可從Creo上直接調(diào)用，如圖4所示。

圖4 調(diào)用工具界面

4.1.2 電氣連接數(shù)據(jù)生成

通過(guò)輸入并讀取電氣原理圖或接線(xiàn)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)信息，提取三維布纜所需的設(shè)備、線(xiàn)軸和連接關(guān)系三要素信息，從而可供Creo3.0軟件識(shí)別。

4.1.3 三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

通過(guò)輸入電氣設(shè)備、電氣布線(xiàn)設(shè)備模型數(shù)據(jù)搭建三維布線(xiàn)環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上建立線(xiàn)束所有的布線(xiàn)路徑點(diǎn)及起始終止設(shè)備標(biāo)示，輸出可布線(xiàn)的三維環(huán)境。

4.1.4 自動(dòng)布線(xiàn)

1）由起始設(shè)備開(kāi)始，遍歷所有布線(xiàn)路徑點(diǎn)，自動(dòng)運(yùn)用規(guī)則，保留所有符合規(guī)則的路徑點(diǎn)，剔除違反規(guī)則的路徑點(diǎn)，確定為第二個(gè)線(xiàn)束路徑點(diǎn)，并按此方式利用遞歸算法確定線(xiàn)束其他路徑點(diǎn)直至終止設(shè)備。

2）輸出多條符合規(guī)則的線(xiàn)束路徑至界面供設(shè)計(jì)師選擇。

3）根據(jù)設(shè)計(jì)師選擇的線(xiàn)束路徑，依據(jù)導(dǎo)入至Creo中的線(xiàn)軸信息，生成三維線(xiàn)纜。

4）在生成三維線(xiàn)纜基礎(chǔ)上，可將所有線(xiàn)束的經(jīng)由點(diǎn)及經(jīng)由點(diǎn)間分段距離及線(xiàn)束總長(zhǎng)輸出至Execl表中形成線(xiàn)束走向表。

4.2 工程應(yīng)用

以公司X項(xiàng)目為例，通過(guò)自動(dòng)布線(xiàn)工具的應(yīng)用，利用電氣連接數(shù)據(jù)生成模塊，輸入電氣原理圖，輸出電氣連接數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 電氣連接數(shù)據(jù)生成模塊

利用三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建模塊，輸出三維布線(xiàn)環(huán)境。利用自動(dòng)布線(xiàn)模塊輸入電氣連接數(shù)據(jù)，選擇所需布線(xiàn)線(xiàn)束，輸出三維線(xiàn)纜，如圖6所示。

圖6 三維線(xiàn)纜生成效果

自動(dòng)生成線(xiàn)束走向表，自動(dòng)計(jì)算并生成線(xiàn)長(zhǎng)，并提供了線(xiàn)束經(jīng)由的線(xiàn)槽路徑點(diǎn)分段長(zhǎng)度，如圖7所示。

自動(dòng)生成出口位置定義圖，自動(dòng)標(biāo)注出口，從而為下游工藝部門(mén)提供完整數(shù)據(jù)。

圖8 出口位置定義圖

5 結(jié)語(yǔ)

[1] 李蕊．建立在機(jī)電一體化基礎(chǔ)上的布線(xiàn)技術(shù)研究[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016，375(24)：8-9．

[2] 文強(qiáng)．基于CATIA的動(dòng)車(chē)組電氣系統(tǒng)三維布線(xiàn)工藝應(yīng)用研究[J]．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2014(4)：54-57．

[3] 婁心豪．三維電氣布線(xiàn)技術(shù)在引信中的用研究[J]．航空制造技術(shù)，2015(3)：17-20．

[4] 蔡毅．基于UG的三維電氣自動(dòng)布線(xiàn)技術(shù)研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與用，2012，48(8)：68-72．

[5] 中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司．軌道交通機(jī)車(chē)車(chē)輛布線(xiàn)規(guī)則：GB/T34571—2017[S]．北京：人民交通出版社，2018．