軌道車輛電氣自動布線工具的開發(fā)及應(yīng)用

姚海蘭，郭玉亮，朱東偉，李 穎，母印亨

案例 Case Study

軌道車輛電氣自動布線工具的開發(fā)及應(yīng)用

姚海蘭，郭玉亮，朱東偉，李 穎，母印亨

（中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北省唐山市 063035）

針對軌道車輛線束布線設(shè)計、布線規(guī)則復(fù)雜和布線過程繁瑣問題，提出了一種新的電氣自動布線設(shè)計方法，開發(fā)了電氣自動布線工具。通過梳理布線規(guī)則，采用規(guī)則引擎方式，從而實現(xiàn)具有開放性的整車自動布線功能，實現(xiàn)了自動生成三維線纜、線束長度、線束走向信息及出口位置定義圖，為下游工藝部門提供完整準確數(shù)據(jù)。且以公司X項目為例，自動布線工具已應(yīng)用于三維線束設(shè)計中，應(yīng)用結(jié)果表明電氣自動布線工具提高了布線效率，縮短了設(shè)計周期。

電氣；自動布線；設(shè)計方法

1 引言

城市軌道交通以其高效、安全、可靠和環(huán)保的特點近年來在我國許多大中城市獲得迅猛的發(fā)展。激烈的市場競爭要求城軌車輛設(shè)計周期短，質(zhì)量高。電氣布線設(shè)計是軌道車輛設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)電氣布線設(shè)計主要是在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、電氣布線設(shè)備布局等，依靠工作經(jīng)驗設(shè)計線束走向，并將線束走向路徑手動逐一編輯到Excel表中，最后通過在線槽二維圖樣上逐一量取分段長度并累加的方式進行線長計算設(shè)計。

由于布線設(shè)計過程中考慮的路徑因素多，需要布線的電纜數(shù)量大，而且在Creo3.0布纜過程中需要大量手動操作，造成布線過程煩瑣，布線效率低，易出錯。布線周期的延長極大地制約了型號產(chǎn)品的快速研制能力。針對這種情況，本文提出了一種新的電氣自動布線設(shè)計方法，開發(fā)了電氣自動布線工具，并對自動布線在軌道車輛項目的實際應(yīng)用進行了初步的探索。

2 自動布線工具系統(tǒng)設(shè)計

2.1 三維電纜設(shè)計方法

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

由于車輛自身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計師在布線方案階段，根據(jù)初步電氣連接關(guān)系確定電氣設(shè)備出入口點，并在整車環(huán)境排布關(guān)鍵線束路徑，再根據(jù)線束排布情況及車內(nèi)設(shè)備布局進行線槽、扎線桿和換線箱等布線設(shè)備布局。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)設(shè)計師需要在搭建的三維模型環(huán)境中，逐根給出線束的具體走向及經(jīng)由點。在此過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計師經(jīng)常運用多種布線經(jīng)驗。

1）相鄰兩個路徑點不能跨側(cè)：走線路徑中相鄰的兩個路徑點不能直接在一位側(cè)與二位側(cè)之間跨越，必須經(jīng)過橫向線槽。

2）相鄰兩個路徑點空間距離限制：走線路徑中相鄰的兩個路徑點距離不能為零。

3）同層原則：如果出口點和入口點均分布在車上，那么線束不應(yīng)該經(jīng)過地板或者車下線槽。

在設(shè)計過程中，由于設(shè)計原則多，常用規(guī)則有近百種；同時車型需布線數(shù)量也在近千根，設(shè)計師需要花費數(shù)周時間完成線束布線設(shè)計工作。

通過對上述設(shè)計經(jīng)驗進行總結(jié)和提煉，我們發(fā)現(xiàn)可以通過建立標準規(guī)則對設(shè)計經(jīng)驗進行固化，并在電纜的走線過程中，通過自動尋找符合規(guī)則的路徑，規(guī)避不符合規(guī)則的路徑的方法，并建立一套自動布線工具，快速計算符合條件的線束路徑供布線設(shè)計師選擇，從而提高設(shè)計效率。

2.2 系統(tǒng)原理

自動布線工具的總體工作原理是設(shè)計師通過讀取由電氣原理圖中導(dǎo)出的電氣接線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入至在Creo中搭建好的三維模型數(shù)據(jù)，通過基于布線規(guī)則的自動布線模塊生成三維線纜，并輸出線束走向文件等信息，完成三維電纜設(shè)計任務(wù)。

自動布線工具的詳細運行原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

自動布線工具的具體原理如下。

1）布線設(shè)計師從電氣接線數(shù)據(jù)中獲取電氣連接關(guān)系，形成待設(shè)計的線束清單，其中包括電纜的顏色、線徑等關(guān)鍵屬性。

2）設(shè)計師選擇要布線的電纜，通過規(guī)則引擎模塊靈活應(yīng)用布線規(guī)則進行自動尋徑，并自動生成線束走線路徑。

3）設(shè)計師根據(jù)自動布線引擎推薦的多條路徑進行選擇，并一鍵生成三維電纜對象。

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

5）在整個線束布線結(jié)束后，自動布線工具可以批量導(dǎo)出所有線束的經(jīng)由點、每段長度及總長。

6）生成安裝線束用的二維安裝圖，同時輸出線束走向表供工藝部門使用。

此時，結(jié)構(gòu)設(shè)計師的三維電纜設(shè)計完畢。

在整個布線過程中，最為關(guān)鍵的是如何為線束計算并生成路徑。為了靈活計算路徑，最好的解決方案是對設(shè)計師布線方法進行提煉、總結(jié)，并形成布線規(guī)則。故規(guī)則設(shè)計及靈活運用固化下來的布線規(guī)則生成合理線束路徑是自動布線工具設(shè)計過程中的重點和難點。

3 自動布線規(guī)則設(shè)計

3.1 布線規(guī)則概念

車輛電氣布線需要考慮車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各設(shè)備空間位置情況，實際走線復(fù)雜，但均遵循相應(yīng)的走線規(guī)則，布線規(guī)則是指導(dǎo)線束路徑生成的規(guī)則，是設(shè)計師布線經(jīng)驗、方法和布線標準知識的固化。

3.2 布線規(guī)則分類

通過對布線經(jīng)驗進行梳理、總結(jié)，可從線束經(jīng)過線槽實體及線槽之間布線遵循規(guī)律，線束布置過程中在整車空間布局布線遵循規(guī)律，起始設(shè)備、終止設(shè)備下一個接線點布線遵循規(guī)律入手，將布線規(guī)則集進行分為四類，介紹如下。

（1）基于布線實體的布線規(guī)則系列

布線實體，即線束經(jīng)過的線槽、分線箱和線管等的出口路徑點，在布線工具中以坐標系形式體現(xiàn)。通過對線束走線時，線槽內(nèi)部及線槽間布纜規(guī)律的總結(jié)，主要根據(jù)坐標系名稱所蘊含的業(yè)務(wù)規(guī)則，對可能的布線路徑進行規(guī)范化定義。

2）基于坐標系空間布局的布線規(guī)則系列

根據(jù)車型布線實體（布線坐標系）的空間關(guān)系進行定義，主要從空間距離、線束經(jīng)由點數(shù)目等方面限制線束走向的規(guī)范化定義。

3）出口點/入口點布線規(guī)則

根據(jù)線束出口點、入口點在整車中所處的位置不同，對線束所經(jīng)過布線實體應(yīng)遵循規(guī)律進行規(guī)范化定義。

4）手動坐標系布線規(guī)則

指線束經(jīng)由的特殊路徑點的布線規(guī)則及上述規(guī)則沒有描述的點，手動坐標系指通過手動創(chuàng)建坐標系方式完成，如貫穿車體的通孔，車體行腔開孔等。

3.3 布線規(guī)則細化

走線模式是從設(shè)計師的實踐經(jīng)驗中總結(jié)形成的，具有指導(dǎo)意義的布線設(shè)計方法的總結(jié)。在布線規(guī)則分類的基礎(chǔ)上，就可以針對每種分類進行布線規(guī)則的細化，形成具體的布線規(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)則分別為四類布線規(guī)則集的典型事例。

表1 布線規(guī)則舉例

3.4 布線規(guī)則集實現(xiàn)

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

圖2 可定制的參數(shù)化布線規(guī)則集

圖3 程序化的規(guī)則集

4 自動布線工具實現(xiàn)及工程應(yīng)用

4.1 工具實現(xiàn)

4.1.1 接口實現(xiàn)

電氣自動布線工具是由E3.Series電氣擴展工具和Creo結(jié)構(gòu)擴展工具構(gòu)成的，程序開發(fā)基于Creo 3.0 Pro/Toolkit,利用C++ 語言,以插件的形式實現(xiàn)自動布線工具。啟動時，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

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

4.1.3 三維數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

通過輸入電氣設(shè)備、電氣布線設(shè)備模型數(shù)據(jù)搭建三維布線環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上建立線束所有的布線路徑點及起始終止設(shè)備標示，輸出可布線的三維環(huán)境。

4.1.4 自動布線

1）由起始設(shè)備開始，遍歷所有布線路徑點，自動運用規(guī)則，保留所有符合規(guī)則的路徑點，剔除違反規(guī)則的路徑點，確定為第二個線束路徑點，并按此方式利用遞歸算法確定線束其他路徑點直至終止設(shè)備。

2）輸出多條符合規(guī)則的線束路徑至界面供設(shè)計師選擇。

3）根據(jù)設(shè)計師選擇的線束路徑，依據(jù)導(dǎo)入至Creo中的線軸信息，生成三維線纜。

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

4.2 工程應(yīng)用

以公司X項目為例，通過自動布線工具的應(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，輸出三維布線環(huán)境。利用自動布線模塊輸入電氣連接數(shù)據(jù)，選擇所需布線線束，輸出三維線纜，如圖6所示。

圖6 三維線纜生成效果

自動生成線束走向表，自動計算并生成線長，并提供了線束經(jīng)由的線槽路徑點分段長度，如圖7所示。

自動生成出口位置定義圖，自動標注出口，從而為下游工藝部門提供完整數(shù)據(jù)。

圖8 出口位置定義圖

5 結(jié)語

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

[2] 文強．基于CATIA的動車組電氣系統(tǒng)三維布線工藝應(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的三維電氣自動布線技術(shù)研究[J]．計算機工程與用，2012，48(8)：68-72．

[5] 中車株洲電力機車有限公司．軌道交通機車車輛布線規(guī)則：GB/T34571—2017[S]．北京：人民交通出版社，2018．