制动控制系统集成气路板设计方法研究

唐辰杰，车军，刘潇潇

（兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州730070）

0 引言

集成气路板是制动控制系统的关键零件，采用集成气路板集成配置，可以显著减少管路连接，降低管路的复杂性，有利于实现制动控制系统的集成化。集成气路板表面分布着电空控制阀等元件及有关的安装孔、气孔、连接螺钉孔和定位销孔；其内部则是繁杂的气路孔道网络。元件安装布局应紧凑、均匀，同时还需要综合考虑安全距离、操作空间等要求；内部孔道要满足气压、密封要求，同时还需要满足气路间安全壁厚等要求。由于外部元件和内部气路的复杂性和强耦合性，传统的人工设计方法开发过程周期长、效率低、难度较大。集成气路板的设计也是复杂空间管路布局问题的一种，其研究成果具有普遍适用性，可以推广到汽车工业、船舶工业、航空航天等领域的装备研发，具有工程实用价值。

1 集成气路板设计

集成气路板的设计是以气路原理图为基础，在确定电气元件信息和接口连通关系后，进行元件布局和气路连通设计。集成气路板的设计过程需要综合考虑元件布局以及气路路径规划，元件布局以元件组的尺寸矩形排布总面积为优化目标，气路路径规划以气路总长度为优化目标，综合设计结果并非二者的简单求和，两个优化目标之间可能互有影响甚至相斥，某优化目标的改进可能会引起其它优化目标的劣化，一般不可能同时满足使多个优化目标同时达到最优的情况，因此需要采用多目标优化对整个设计过程进行综合分析，使设计结果包含的优化目标尽可能达到最优。本论述提出的集成气路板设计方法整体框架如图1所示。

图1 集成气路板设计框架

1.1 元件布局优化设计

制动控制系统由制动单元、电空变换阀、压力调整阀、电磁阀、中继阀、止回阀、安全阀等电空控制阀以及风缸、滤尘器等其它零部件组成。元件种类繁多，高效的模型决定着设计质量的优劣。通过将各零部件数字化，可实现智能自动设计。在设计元件布局方案时，通过读取元件数据库中的元件尺寸及顶点等元件属性参数，为元件布局设计提供方便；而在进行气路路径规划时，通过读取元件数据库中的元件属性参数，将安装孔位置坐标设置为障碍域，将气路口位置坐标设置为气路的起点或终点，从而为气路路径规划及计算提供方便。

以中继阀为例，如图2所示，元件属性参数包括：（1）元件名：集成气路板所需的各种电空控制阀及其它有关零部件，例如电空转换阀、压力调整阀等。（2）元件尺寸：元件外形尺寸最小包络矩形的长度a、宽度b；（3）安装孔Pai位置坐标（Paix，Paiy）；（4）安装孔孔径j a；（5）气路接口Pay位置坐标（Pbix，Pbiy）；（6）气路孔径j a；（7）元件安全距离与操作空间c。为方便计算，在后续的算法及计算中，元件的尺寸（长、宽）即为包括安全距离与操作空间的尺寸。其中位置坐标以尺寸矩形的左下角顶点作为原点。

图2 中继阀

在得到元件的尺寸及位置信息后，应确定元件布局的策略和原则，使得设计过程能够最大限度的满足实际需求，布局原则如下：（1）将叠加安装在一起的元件视为一个元件处理：部分元件会组合为一个整体进行安装，此时将其视为一个整体，尺寸矩形取整体组成部分的最大长宽；（2）元件安装面与方向：部分元件限定了安装角度与方向，一般为0°、90°、180°、270°中的一个或多个，矩形在排布时不能任意选择角度，而是根据元件安装要求选用；（3）元件之间间距：元件与元件之间需要留有预留空间方便进行操作或维护，为简化设计流程，矩形规定为基于元件尺寸矩形的包含元件间距以及预留空间的扩大矩形；（4）元件安装位置：部分元件要求在某些特定区域安装，例如对接受电气控制信号的阀门，为方便布线，会将元件安装在靠近集成气路板的边缘部位。

元件布局采用遗传算法，遗传算法（GeneticAlg orithm）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。算法的核心是对个体基因型的定义，将一种元件布局方案作为一个个体，其基因型定义如图3所示。

图3 元件布局基因型

其中m为布局分层层数参数，该参数在算法中动态确定了一个容器的长度，m表示以前m个元件为首层，同时以这m个元件的总长度作为容器的长度，当第二层元件布置时位于第二层的元件的总长超出容器长度，则进入下一层布置。

变异操作采用两种策略，一种是进行参数的交换，另一种是移动参数至新的位置，变异操作示意图如图4所示。

图4 变异操作

交叉也采用两种策略，一种是随机得出一个元件索引值，从所选取的父本中从该索引值开始分成两段基因，选择其中一段作为新个体的部分基因，随后从母本中提取新个体中不具有的元素依次插入新个体基因型中，生成具有完成基因型的新个体，父本的排布层数作为新个体的排布层数，剩余父本和母本的片段重新组成另一个新个体，母本的排布层数作为另一个新个体的排布层数。另一种是随机得出两个不相等的索引值，取父本较小索引值到较大索引值之间的基因片段作为新个体的部分基因，随后从母本中提取新个体中不具有的元素依次插入新个体基因型中，生成具有完成基因型的新个体，父本的排布层数作为新个体的排布层数，剩余父本和母本的片段重新组成另一个新个体，母本的排布层数作为另一个新个体的排布层数。交叉操作如图5所示。

图5 交叉操作

通过交叉、变异、遗传操作，可以得到包含多个方案的种群，通过对种群中的个体进行适应度评估从而获得最优设计方案，适应度的计算即为当前方案的总面积计算，令元件顶点为Pi(xi,yi)，则布局总面积S用数学式表达为：

S=(max{Pi(x)})′(max{Pi(y)})。

1.2 气路路径规划

确定元件布局后，需要进行内部气路的连通设计，下面列出部分主要约束规则：（1）优先连通短线序气路；（2）优先连通小干扰度气路；（3）优先连通带分支气路；（4）优先连通多气口气路；（5）优先连通大孔径气路；（6）优先连通高压气路；

路径规划则通过A*算法求解，A*算法是一种启发式算法，启发函数f(n)=g(n)+h(n)，其中f(n)是每个可能试探点的估值，它有两部分组成：一部分为g(n)，它表示从起始搜索点到当前点的代价。另一部分h(n)，它表示启发式搜索中最为重要的一部分，即当前结点到目标结点的估值。h(n)可采用欧式距离、曼哈顿距离等距离函数，本论述采用欧式距离，欧式距离实际上这就是二维空间中两点欧氏距离的距离公式：

A*算法通过启发函数对下一目标节点进行评估，从而选择最佳路径结点，由最佳路径结点组成的路径则为最优路径，路径规划的优化目标函数为气路路径总长度L=a。li(x,y)。对不同设计方案完成了元件布局和路径规划后，每个设计方案均包括两个优化目标函数S和L，方案的优劣可以通过加权的方式进行评估。

2 实例分析

某型车制动控制系统包括作用阀、分配阀、制动气路板、电磁阀、过滤器、截断塞门、安装架。通过算法进行元件布局及路径规划得到5种设计方案见表1所列。

表1 设计结果

通过对方案进行评估得知方案4为最佳设计方案，按照该方案设计的得到的集成气路板如图6所示。

图6 集成气路板设计结果

3 结束语

集成气路板的设计是一种典型的多目标优化问题，元件安装面面积最小和气路路径总长度最短不能同时满足，过小的安装面面积会使得不便于操作，并且会造成气路分布过于集中无法保证安全壁厚，过短的气路会产生应力集中、涡流等不良影响。所以在进行集成气路板设计时，考虑多方面因素选择较为合理的方案对实际运用有很大的帮助。