軌道車輛電氣自動布線工具的開發及應用

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及應用

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 產品研發中心，河北省唐山市 063035）

針對軌道車輛線束布線設計、布線規則復雜和布線過程繁瑣問題，提出了一種新的電氣自動布線設計方法，開發了電氣自動布線工具。通過梳理布線規則，采用規則引擎方式，從而實現具有開放性的整車自動布線功能，實現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據。且以公司X項目為例，自動布線工具已應用于三維線束設計中，應用結果表明電氣自動布線工具提高了布線效率，縮短了設計周期。

電氣；自動布線；設計方法

1 引言

城市軌道交通以其高效、安全、可靠和環保的特點近年來在我國許多大中城市獲得迅猛的發展。激烈的市場競爭要求城軌車輛設計周期短，質量高。電氣布線設計是軌道車輛設計中的一個重要環節。傳統電氣布線設計主要是在Creo3.0中利用纜模塊，在三維模型環境中，根據各電氣設備空間位置情況、電氣布線設備布局等，依靠工作經驗設計線束走向，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計。

由于布線設計過程中考慮的路徑因素多，需要布線的電纜數量大，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計方法，開發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用進行了初步的探索。

2 自動布線工具系統設計

2.1 三維電纜設計方法

目前軌道車輛電氣布線設計方法主要是電氣設計師完成（電氣原理圖）電氣連接關系的設計，結構設計師負責根據電氣連接關系在三維布線模型環境中完成線束走向設計。

由于車輛自身的結構復雜，結構設計師在布線方案階段，根據初步電氣連接關系確定電氣設備出入口點，并在整車環境排布關鍵線束路徑，再根據線束排布情況及車內設備布局進行線槽、扎線桿和換線箱等布線設備布局。

在此基礎上，結構設計師需要在搭建的三維模型環境中，逐根給出線束的具體走向及經由點。在此過程中，結構設計師經常運用多種布線經驗。

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

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，那么線束不應該經過地板或者車下線槽。

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

通過對上述設計經驗進行總結和提煉，我們發現可以通過建立標準規則對設計經驗進行固化，并在電纜的走線過程中，通過自動尋找符合規則的路徑，規避不符合規則的路徑的方法，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計師選擇，從而提高設計效率。

2.2 系統原理

自動布線工具的總體工作原理是設計師通過讀取由電氣原理圖中導出的電氣接線數據，導入至在Creo中搭建好的三維模型數據，通過基于布線規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，完成三維電纜設計任務。

自動布線工具的詳細運行原理如圖1所示。

圖1 系統原理圖

自動布線工具的具體原理如下。

1）布線設計師從電氣接線數據中獲取電氣連接關系，形成待設計的線束清單，其中包括電纜的顏色、線徑等關鍵屬性。

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

3）設計師根據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）結構設計師也可一次性選擇多條線束，按系統給定的最優路徑快速生成三維電纜對象。

5）在整個線束布線結束后，自動布線工具可以批量導出所有線束的經由點、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，結構設計師的三維電纜設計完畢。

在整個布線過程中，最為關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計師布線方法進行提煉、總結，并形成布線規則。故規則設計及靈活運用固化下來的布線規則生成合理線束路徑是自動布線工具設計過程中的重點和難點。

3 自動布線規則設計

3.1 布線規則概念

車輛電氣布線需要考慮車體內部結構和各設備空間位置情況，實際走線復雜，但均遵循相應的走線規則，布線規則是指導線束路徑生成的規則，是設計師布線經驗、方法和布線標準知識的固化。

3.2 布線規則分類

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

（1）基于布線實體的布線規則系列

布線實體，即線束經過的線槽、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。通過對線束走線時，線槽內部及線槽間布纜規律的總結，主要根據坐標系名稱所蘊含的業務規則，對可能的布線路徑進行規范化定義。

2）基于坐標系空間布局的布線規則系列

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

3）出口點/入口點布線規則

根據線束出口點、入口點在整車中所處的位置不同，對線束所經過布線實體應遵循規律進行規范化定義。

4）手動坐標系布線規則

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

3.3 布線規則細化

走線模式是從設計師的實踐經驗中總結形成的，具有指導意義的布線設計方法的總結。在布線規則分類的基礎上，就可以針對每種分類進行布線規則的細化，形成具體的布線規則，如表1舉例，其中編碼為02-002、05-001、03-007、03-039和06-001的規則分別為四類布線規則集的典型事例。

表1 布線規則舉例

3.4 布線規則集實現

將每條布線規則按照環境條件定義，規則參數定義、控制模式等屬性進行參數化定義，形成可定制的參數化布線規則集，如圖2所示。再將參數化布線規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 可定制的參數化布線規則集

圖3 程序化的規則集

4 自動布線工具實現及工程應用

4.1 工具實現

4.1.1 接口實現

電氣自動布線工具是由E3.Series電氣擴展工具和Creo結構擴展工具構成的，程序開發基于Creo 3.0 Pro/Toolkit,利用C++ 語言,以插件的形式實現自動布線工具。啟動時，可從Creo上直接調用，如圖4所示。

圖4 調用工具界面

4.1.2 電氣連接數據生成

通過輸入并讀取電氣原理圖或接線數據表中的數據信息，提取三維布纜所需的設備、線軸和連接關系三要素信息，從而可供Creo3.0軟件識別。

4.1.3 三維數據模型構建

通過輸入電氣設備、電氣布線設備模型數據搭建三維布線環境，并在此基礎上建立線束所有的布線路徑點及起始終止設備標示，輸出可布線的三維環境。

4.1.4 自動布線

1）由起始設備開始，遍歷所有布線路徑點，自動運用規則，保留所有符合規則的路徑點，剔除違反規則的路徑點，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備。

2）輸出多條符合規則的線束路徑至界面供設計師選擇。

3）根據設計師選擇的線束路徑，依據導入至Creo中的線軸信息，生成三維線纜。

4）在生成三維線纜基礎上，可將所有線束的經由點及經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 工程應用

以公司X項目為例，通過自動布線工具的應用，利用電氣連接數據生成模塊，輸入電氣原理圖，輸出電氣連接數據，如圖5所示。

圖5 電氣連接數據生成模塊

利用三維數據模型構建模塊，輸出三維布線環境。利用自動布線模塊輸入電氣連接數據，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據。

圖8 出口位置定義圖

5 結語

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

[2] 文強．基于CATIA的動車組電氣系統三維布線工藝應用研究[J]．鐵路技術創新，2014(4)：54-57．

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

[4] 蔡毅．基于UG的三維電氣自動布線技術研究[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則：GB/T34571—2017[S]．北京：人民交通出版社，2018．