轨道车辆电气自动布线工具的开发及应用

姚海兰，郭玉亮，朱东伟，李 颖，母印亨

案例 Case Study

轨道车辆电气自动布线工具的开发及应用

姚海兰，郭玉亮，朱东伟，李 颖，母印亨

（中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心，河北省唐山市 063035）

针对轨道车辆线束布线设计、布线规则复杂和布线过程繁琐问题，提出了一种新的电气自动布线设计方法，开发了电气自动布线工具。通过梳理布线规则，采用规则引擎方式，从而实现具有开放性的整车自动布线功能，实现了自动生成三维线缆、线束长度、线束走向信息及出口位置定义图，为下游工艺部门提供完整准确数据。且以公司X项目为例，自动布线工具已应用于三维线束设计中，应用结果表明电气自动布线工具提高了布线效率，缩短了设计周期。

电气；自动布线；设计方法

1 引言

城市轨道交通以其高效、安全、可靠和环保的特点近年来在我国许多大中城市获得迅猛的发展。激烈的市场竞争要求城轨车辆设计周期短，质量高。电气布线设计是轨道车辆设计中的一个重要环节。传统电气布线设计主要是在Creo3.0中利用缆模块，在三维模型环境中，根据各电气设备空间位置情况、电气布线设备布局等，依靠工作经验设计线束走向，并将线束走向路径手动逐一编辑到Excel表中，最后通过在线槽二维图样上逐一量取分段长度并累加的方式进行线长计算设计。

由于布线设计过程中考虑的路径因素多，需要布线的电缆数量大，而且在Creo3.0布缆过程中需要大量手动操作，造成布线过程烦琐，布线效率低，易出错。布线周期的延长极大地制约了型号产品的快速研制能力。针对这种情况，本文提出了一种新的电气自动布线设计方法，开发了电气自动布线工具，并对自动布线在轨道车辆项目的实际应用进行了初步的探索。

2 自动布线工具系统设计

2.1 三维电缆设计方法

目前轨道车辆电气布线设计方法主要是电气设计师完成（电气原理图）电气连接关系的设计，结构设计师负责根据电气连接关系在三维布线模型环境中完成线束走向设计。

由于车辆自身的结构复杂，结构设计师在布线方案阶段，根据初步电气连接关系确定电气设备出入口点，并在整车环境排布关键线束路径，再根据线束排布情况及车内设备布局进行线槽、扎线杆和换线箱等布线设备布局。

在此基础上，结构设计师需要在搭建的三维模型环境中，逐根给出线束的具体走向及经由点。在此过程中，结构设计师经常运用多种布线经验。

1）相邻两个路径点不能跨侧：走线路径中相邻的两个路径点不能直接在一位侧与二位侧之间跨越，必须经过横向线槽。

2）相邻两个路径点空间距离限制：走线路径中相邻的两个路径点距离不能为零。

3）同层原则：如果出口点和入口点均分布在车上，那么线束不应该经过地板或者车下线槽。

在设计过程中，由于设计原则多，常用规则有近百种；同时车型需布线数量也在近千根，设计师需要花费数周时间完成线束布线设计工作。

通过对上述设计经验进行总结和提炼，我们发现可以通过建立标准规则对设计经验进行固化，并在电缆的走线过程中，通过自动寻找符合规则的路径，规避不符合规则的路径的方法，并建立一套自动布线工具，快速计算符合条件的线束路径供布线设计师选择，从而提高设计效率。

2.2 系统原理

自动布线工具的总体工作原理是设计师通过读取由电气原理图中导出的电气接线数据，导入至在Creo中搭建好的三维模型数据，通过基于布线规则的自动布线模块生成三维线缆，并输出线束走向文件等信息，完成三维电缆设计任务。

自动布线工具的详细运行原理如图1所示。

图1 系统原理图

自动布线工具的具体原理如下。

1）布线设计师从电气接线数据中获取电气连接关系，形成待设计的线束清单，其中包括电缆的颜色、线径等关键属性。

2）设计师选择要布线的电缆，通过规则引擎模块灵活应用布线规则进行自动寻径，并自动生成线束走线路径。

3）设计师根据自动布线引擎推荐的多条路径进行选择，并一键生成三维电缆对象。

4）结构设计师也可一次性选择多条线束，按系统给定的最优路径快速生成三维电缆对象。

5）在整个线束布线结束后，自动布线工具可以批量导出所有线束的经由点、每段长度及总长。

6）生成安装线束用的二维安装图，同时输出线束走向表供工艺部门使用。

此时，结构设计师的三维电缆设计完毕。

在整个布线过程中，最为关键的是如何为线束计算并生成路径。为了灵活计算路径，最好的解决方案是对设计师布线方法进行提炼、总结，并形成布线规则。故规则设计及灵活运用固化下来的布线规则生成合理线束路径是自动布线工具设计过程中的重点和难点。

3 自动布线规则设计

3.1 布线规则概念

车辆电气布线需要考虑车体内部结构和各设备空间位置情况，实际走线复杂，但均遵循相应的走线规则，布线规则是指导线束路径生成的规则，是设计师布线经验、方法和布线标准知识的固化。

3.2 布线规则分类

通过对布线经验进行梳理、总结，可从线束经过线槽实体及线槽之间布线遵循规律，线束布置过程中在整车空间布局布线遵循规律，起始设备、终止设备下一个接线点布线遵循规律入手，将布线规则集进行分为四类，介绍如下。

（1）基于布线实体的布线规则系列

布线实体，即线束经过的线槽、分线箱和线管等的出口路径点，在布线工具中以坐标系形式体现。通过对线束走线时，线槽内部及线槽间布缆规律的总结，主要根据坐标系名称所蕴含的业务规则，对可能的布线路径进行规范化定义。

2）基于坐标系空间布局的布线规则系列

根据车型布线实体（布线坐标系）的空间关系进行定义，主要从空间距离、线束经由点数目等方面限制线束走向的规范化定义。

3）出口点/入口点布线规则

根据线束出口点、入口点在整车中所处的位置不同，对线束所经过布线实体应遵循规律进行规范化定义。

4）手动坐标系布线规则

指线束经由的特殊路径点的布线规则及上述规则没有描述的点，手动坐标系指通过手动创建坐标系方式完成，如贯穿车体的通孔，车体行腔开孔等。

3.3 布线规则细化

走线模式是从设计师的实践经验中总结形成的，具有指导意义的布线设计方法的总结。在布线规则分类的基础上，就可以针对每种分类进行布线规则的细化，形成具体的布线规则，如表1举例，其中编码为02-002、05-001、03-007、03-039和06-001的规则分别为四类布线规则集的典型事例。

表1 布线规则举例

3.4 布线规则集实现

将每条布线规则按照环境条件定义，规则参数定义、控制模式等属性进行参数化定义，形成可定制的参数化布线规则集，如图2所示。再将参数化布线规则加工形成程序化的XML文件，可供程序代码直接读取识别，并灵活运用在自动寻径过程，从而自动生成路径。

图2 可定制的参数化布线规则集

图3 程序化的规则集

4 自动布线工具实现及工程应用

4.1 工具实现

4.1.1 接口实现

电气自动布线工具是由E3.Series电气扩展工具和Creo结构扩展工具构成的，程序开发基于Creo 3.0 Pro/Toolkit,利用C++ 语言,以插件的形式实现自动布线工具。启动时，可从Creo上直接调用，如图4所示。

图4 调用工具界面

4.1.2 电气连接数据生成

通过输入并读取电气原理图或接线数据表中的数据信息，提取三维布缆所需的设备、线轴和连接关系三要素信息，从而可供Creo3.0软件识别。

4.1.3 三维数据模型构建

通过输入电气设备、电气布线设备模型数据搭建三维布线环境，并在此基础上建立线束所有的布线路径点及起始终止设备标示，输出可布线的三维环境。

4.1.4 自动布线

1）由起始设备开始，遍历所有布线路径点，自动运用规则，保留所有符合规则的路径点，剔除违反规则的路径点，确定为第二个线束路径点，并按此方式利用递归算法确定线束其他路径点直至终止设备。

2）输出多条符合规则的线束路径至界面供设计师选择。

3）根据设计师选择的线束路径，依据导入至Creo中的线轴信息，生成三维线缆。

4）在生成三维线缆基础上，可将所有线束的经由点及经由点间分段距离及线束总长输出至Execl表中形成线束走向表。

4.2 工程应用

以公司X项目为例，通过自动布线工具的应用，利用电气连接数据生成模块，输入电气原理图，输出电气连接数据，如图5所示。

图5 电气连接数据生成模块

利用三维数据模型构建模块，输出三维布线环境。利用自动布线模块输入电气连接数据，选择所需布线线束，输出三维线缆，如图6所示。

图6 三维线缆生成效果

自动生成线束走向表，自动计算并生成线长，并提供了线束经由的线槽路径点分段长度，如图7所示。

自动生成出口位置定义图，自动标注出口，从而为下游工艺部门提供完整数据。

图8 出口位置定义图

5 结语

[1] 李蕊．建立在机电一体化基础上的布线技术研究[J]．中国高新技术企业，2016，375(24)：8-9．

[2] 文强．基于CATIA的动车组电气系统三维布线工艺应用研究[J]．铁路技术创新，2014(4)：54-57．

[3] 娄心豪．三维电气布线技术在引信中的用研究[J]．航空制造技术，2015(3)：17-20．

[4] 蔡毅．基于UG的三维电气自动布线技术研究[J]．计算机工程与用，2012，48(8)：68-72．

[5] 中车株洲电力机车有限公司．轨道交通机车车辆布线规则：GB/T34571—2017[S]．北京：人民交通出版社，2018．