论文部分内容阅读
[摘 要]高速动车组线束研制过程涉及电气、结构、工艺等专业，流程复杂、处理数据量大。目前尚未形成有效的协同设计模式，欠缺对数据的管理、交互、设计方法的支撑手段，成为车辆研制环节的一大难题。本文介绍了针对车辆复杂线束的智能化协同研制模式。通过图形化仿真分析、智能化数据处理、系统集成等多种技术途径，实现设计数据的有效对接，构建自顶向下的设计体系。
[关键词]协同设计模式；系统集成；图形化仿真分析；智能化数据处理；自顶向下设计体系；
中图分类号：U266.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0061-01
1 引言
高速动车组在国内正处于自主创新的蓬勃发展期，在全球化市场竞争的驱动下，车辆系统呈现功能需求复杂化、多元化的趋势。面对这一挑战，国内轨道企业融合自身特点进行了研制模式的改革和创新。其中，动车组线束路由设计成为产品研发的重要环节，具有流程复杂、多学科、多专业、周期长、数据量大、变更管理难等特点。因此，建立高效的电气、结构、工艺的车辆线束协同研制模式，探索智能化、数字化研制方法，对于提升企业产能，提高产品国际竞争力具有深远意义。
2 现状分析
车辆线束研制通常分为系统设计、设备排布、线束路由、敷设工艺、线束装配等几个阶段。在现有设计工具基础上，线束路由的设计环节缺少有效手段，需要根据接线表和设备布局图进行人工填写线束走向表进行发布，存在设计过程不直观，敷设分析困难，数据安全性差，设计协同效率低，设计变更难等系列问题，现场易发生错线、漏线等情况，严重制约了产品质量和交付周期。
同时企业PLM系统难以与线束路由业务进行数据交互，缺少了上下游数据对接，无法开展高效协同研制的解决方案，也一直是业内亟待解决的一大难题。
3 研究与应用
3.1 数据管理
线束研制数据管理是处理复杂数据和开展线束协同研制的重要内容。针对轨道车辆线束研制特点，可通过“图形化设计”、“敷设优化分析”、“系统集成”三种方式进行数据管理。“图形化设计”以数据和图形相结合的方式，实现数据存储、导航、显示等功能；“敷设优化分析”基于轨道交通装备布线规则，对线束数据进行系统分析，进行设计输入的影响域分析，以及线束走向信息的差异分析；“系统集成”通过对上游电气数据表单和设备布局图的导入，构建机电一体化数据并通过与PLM系统的集成，实现线束EBOM及设计文件的发布。
3.2 业务流程
线束路由设计业务流程定义如下：
1）设计文件在PLM系统中创建、编辑和保存，不在本地保存设计数据；
2）设计端输入数据进行输入影响域分析，提示差异信息，并由用户确认更新。同时对设计数据进行合理性检查；
3）基于CAD进行数据与图形的识别匹配；
4）对设计结果进行版本比对分析，输出线束差异表；
5）通过PLM系统将线束数据进行电子签审和发布；
3.3 方案研究
高速列车的线束敷设主要分布在“车顶”、“车上”、“地板”和“车下”几个区域，线束的走向依附于线槽，且贯穿于各个区域，长度在几米、十几米或几十米不等。
基于CAD的布局图进行路由分析，可采用CAD作为图形引擎，确保无损数据接收。设计数据通过CAD的数据库技术进行保存，结合图形技术完成数据分析和显示。通过SOA及Web-Service等技术实现和PLM的功能和数据集成。主要实现以下功能：
1）上游數据导入：自动获取接线和布局相关信息，构建线束路由基础数据；
2）数据的存储管理：数据存在于CAD的图形中，无需其他外部文件形式保存；
布线网络计算：根据电压等级和线槽的分布形式，自动生成布线网络，并支持手动调整及优化；
3）线束自动路由：根据布线原则，以自动路由、智能选择路由和关键路径路由三种模式对线束进行路由。
4）线束长度计算及分析：在1：1的布局图路由长度结合公差、余量计算线缆消耗真实长度；
5）数据差异性管理：在发生涉及变更后自动标记前后版本的差异部分；
3.4 关键技术
3.4.1 图形化数据处理及存储
将不同类型数据进行整合，进行关联匹配。通过对电气接线信息和线槽、设备布局信息的解析及导入，识别图纸的线束名称、设备名称、线槽节点代号，建立结构化数据。
同时将结构化数据全部存储到文件的数据库中，形成各类表单数据结构，以支撑图形化设计模式、快速计算及数据管理等设计需求。
3.4.2 布线网络生成
由于列车布线路径错综复杂且不连续，而且EMC要求较高，所以生成一个高可靠性的布线网络，是提高智能化布线准确度的最基本保障条件。
根据电压等级和解析半径对线槽布局图的所有路径节点进行路径网络的自动生成、浏览、手动调整、保存、路径余量设置等。
3.4.3 智能化线束路由
布线需要综合考虑布线长度、线束电压等级、线槽冗余等多种约束条件。因此要结合批量自动路由、单束智能路由、单束手动路由等多种模型进行线束路由。
批量自动路由：以路径最短为原则，选择复数线束或全选未敷设或变更线束进行自动路由。
单束智能路由：单束线束选取后，自动给出若干种推荐路径供设计师选择并进行优化调整。
单束手动路由：通过手动点选图纸设备形式，选中的两点之间会自动寻找最短路径。
3.4.4 线束路由优化分析
线束路由分析包含两部分内容：第一是对设计的合理性校核；第二是对现场敷设作业提出约束条件。
>设计合理性校核是对输入数据、路由过程中或路由结束后对结果进行分析，及时发现设计缺陷。包括：
1）回路导线选型错误，如线径不一致、导线规格与端子不匹配等；
2）线槽导线的分布分析、穿孔分析、冗余度计算，低于下限阀值和高于上限阀值的给出不合理提示；
3）压降分析。根据线束长度和负载参数计算导线的压降：？U=（P*L）/（A*S）
>现场敷设作业提出约束条件是在生产加工过程中，对线束做出敷设的特殊要求。包含：
1）EMC敷设要求。不同类型线束应尽可能单独敷设，按线束电压等级和用途，各类线束布设之间的最小间隔应在0.1m-0.2m之间。
2）折弯分析。根据线槽的形状以及布线结构的尺寸空间等要素，来确定线缆外径与弯曲半径的匹配程度。
3.4.5 系统集成技术
基于CAD工具与PLM系统集成，将图形、数据进行存储，通过系统审签而实现设计文件的集中过程式管理，不仅确保数据安全，还为电子签审、数据直接下厂奠定了理想的技术条件。
4 结语
长期以来，高速动车组线束路由设计始终是电气设计的薄弱环节，不仅影响到整体设计效率和质量，还为生产带来诸多困扰。线束智能化路由设计研究从企业实际需求出发，结合大量的经验和教训，利用图形化设计及仿真分析技术，开展线束路由协同设计管理的综合解决方案研究，对于加强企业信息化建设、提升企业综合竞争力等方面均具有深远的意义。
参考文献
[1] TB/T 1759-2003.铁道客车配线布线规则.
[2] TB/T 3153-2007.铁路应用机车车辆布线规则.
[3] EN 50343：2003.铁路应用铁道车辆布线规则.
[关键词]协同设计模式；系统集成；图形化仿真分析；智能化数据处理；自顶向下设计体系；
中图分类号：U266.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0061-01
1 引言
高速动车组在国内正处于自主创新的蓬勃发展期，在全球化市场竞争的驱动下，车辆系统呈现功能需求复杂化、多元化的趋势。面对这一挑战，国内轨道企业融合自身特点进行了研制模式的改革和创新。其中，动车组线束路由设计成为产品研发的重要环节，具有流程复杂、多学科、多专业、周期长、数据量大、变更管理难等特点。因此，建立高效的电气、结构、工艺的车辆线束协同研制模式，探索智能化、数字化研制方法，对于提升企业产能，提高产品国际竞争力具有深远意义。
2 现状分析
车辆线束研制通常分为系统设计、设备排布、线束路由、敷设工艺、线束装配等几个阶段。在现有设计工具基础上，线束路由的设计环节缺少有效手段，需要根据接线表和设备布局图进行人工填写线束走向表进行发布，存在设计过程不直观，敷设分析困难，数据安全性差，设计协同效率低，设计变更难等系列问题，现场易发生错线、漏线等情况，严重制约了产品质量和交付周期。
同时企业PLM系统难以与线束路由业务进行数据交互，缺少了上下游数据对接，无法开展高效协同研制的解决方案，也一直是业内亟待解决的一大难题。
3 研究与应用
3.1 数据管理
线束研制数据管理是处理复杂数据和开展线束协同研制的重要内容。针对轨道车辆线束研制特点，可通过“图形化设计”、“敷设优化分析”、“系统集成”三种方式进行数据管理。“图形化设计”以数据和图形相结合的方式，实现数据存储、导航、显示等功能；“敷设优化分析”基于轨道交通装备布线规则，对线束数据进行系统分析，进行设计输入的影响域分析，以及线束走向信息的差异分析；“系统集成”通过对上游电气数据表单和设备布局图的导入，构建机电一体化数据并通过与PLM系统的集成，实现线束EBOM及设计文件的发布。
3.2 业务流程
线束路由设计业务流程定义如下：
1）设计文件在PLM系统中创建、编辑和保存，不在本地保存设计数据；
2）设计端输入数据进行输入影响域分析，提示差异信息，并由用户确认更新。同时对设计数据进行合理性检查；
3）基于CAD进行数据与图形的识别匹配；
4）对设计结果进行版本比对分析，输出线束差异表；
5）通过PLM系统将线束数据进行电子签审和发布；
3.3 方案研究
高速列车的线束敷设主要分布在“车顶”、“车上”、“地板”和“车下”几个区域，线束的走向依附于线槽，且贯穿于各个区域，长度在几米、十几米或几十米不等。
基于CAD的布局图进行路由分析，可采用CAD作为图形引擎，确保无损数据接收。设计数据通过CAD的数据库技术进行保存，结合图形技术完成数据分析和显示。通过SOA及Web-Service等技术实现和PLM的功能和数据集成。主要实现以下功能：
1）上游數据导入：自动获取接线和布局相关信息，构建线束路由基础数据；
2）数据的存储管理：数据存在于CAD的图形中，无需其他外部文件形式保存；
布线网络计算：根据电压等级和线槽的分布形式，自动生成布线网络，并支持手动调整及优化；
3）线束自动路由：根据布线原则，以自动路由、智能选择路由和关键路径路由三种模式对线束进行路由。
4）线束长度计算及分析：在1：1的布局图路由长度结合公差、余量计算线缆消耗真实长度；
5）数据差异性管理：在发生涉及变更后自动标记前后版本的差异部分；
3.4 关键技术
3.4.1 图形化数据处理及存储
将不同类型数据进行整合，进行关联匹配。通过对电气接线信息和线槽、设备布局信息的解析及导入，识别图纸的线束名称、设备名称、线槽节点代号，建立结构化数据。
同时将结构化数据全部存储到文件的数据库中，形成各类表单数据结构，以支撑图形化设计模式、快速计算及数据管理等设计需求。
3.4.2 布线网络生成
由于列车布线路径错综复杂且不连续，而且EMC要求较高，所以生成一个高可靠性的布线网络，是提高智能化布线准确度的最基本保障条件。
根据电压等级和解析半径对线槽布局图的所有路径节点进行路径网络的自动生成、浏览、手动调整、保存、路径余量设置等。
3.4.3 智能化线束路由
布线需要综合考虑布线长度、线束电压等级、线槽冗余等多种约束条件。因此要结合批量自动路由、单束智能路由、单束手动路由等多种模型进行线束路由。
批量自动路由：以路径最短为原则，选择复数线束或全选未敷设或变更线束进行自动路由。
单束智能路由：单束线束选取后，自动给出若干种推荐路径供设计师选择并进行优化调整。
单束手动路由：通过手动点选图纸设备形式，选中的两点之间会自动寻找最短路径。
3.4.4 线束路由优化分析
线束路由分析包含两部分内容：第一是对设计的合理性校核；第二是对现场敷设作业提出约束条件。
>设计合理性校核是对输入数据、路由过程中或路由结束后对结果进行分析，及时发现设计缺陷。包括：
1）回路导线选型错误，如线径不一致、导线规格与端子不匹配等；
2）线槽导线的分布分析、穿孔分析、冗余度计算，低于下限阀值和高于上限阀值的给出不合理提示；
3）压降分析。根据线束长度和负载参数计算导线的压降：？U=（P*L）/（A*S）
>现场敷设作业提出约束条件是在生产加工过程中，对线束做出敷设的特殊要求。包含：
1）EMC敷设要求。不同类型线束应尽可能单独敷设，按线束电压等级和用途，各类线束布设之间的最小间隔应在0.1m-0.2m之间。
2）折弯分析。根据线槽的形状以及布线结构的尺寸空间等要素，来确定线缆外径与弯曲半径的匹配程度。
3.4.5 系统集成技术
基于CAD工具与PLM系统集成，将图形、数据进行存储，通过系统审签而实现设计文件的集中过程式管理，不仅确保数据安全，还为电子签审、数据直接下厂奠定了理想的技术条件。
4 结语
长期以来，高速动车组线束路由设计始终是电气设计的薄弱环节，不仅影响到整体设计效率和质量，还为生产带来诸多困扰。线束智能化路由设计研究从企业实际需求出发，结合大量的经验和教训，利用图形化设计及仿真分析技术，开展线束路由协同设计管理的综合解决方案研究，对于加强企业信息化建设、提升企业综合竞争力等方面均具有深远的意义。
参考文献
[1] TB/T 1759-2003.铁道客车配线布线规则.
[2] TB/T 3153-2007.铁路应用机车车辆布线规则.
[3] EN 50343：2003.铁路应用铁道车辆布线规则.