唐辰杰，車軍，劉瀟瀟

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

0 引言

集成氣路板是制動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，采用集成氣路板集成配置，可以顯著減少管路連接，降低管路的復(fù)雜性，有利于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制系統(tǒng)的集成化。集成氣路板表面分布著電空控制閥等元件及有關(guān)的安裝孔、氣孔、連接螺釘孔和定位銷孔；其內(nèi)部則是繁雜的氣路孔道網(wǎng)絡(luò)。元件安裝布局應(yīng)緊湊、均勻，同時(shí)還需要綜合考慮安全距離、操作空間等要求；內(nèi)部孔道要滿足氣壓、密封要求，同時(shí)還需要滿足氣路間安全壁厚等要求。由于外部元件和內(nèi)部氣路的復(fù)雜性和強(qiáng)耦合性，傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)方法開發(fā)過程周期長、效率低、難度較大。集成氣路板的設(shè)計(jì)也是復(fù)雜空間管路布局問題的一種，其研究成果具有普遍適用性，可以推廣到汽車工業(yè)、船舶工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域的裝備研發(fā)，具有工程實(shí)用價(jià)值。

1 集成氣路板設(shè)計(jì)

集成氣路板的設(shè)計(jì)是以氣路原理圖為基礎(chǔ)，在確定電氣元件信息和接口連通關(guān)系后，進(jìn)行元件布局和氣路連通設(shè)計(jì)。集成氣路板的設(shè)計(jì)過程需要綜合考慮元件布局以及氣路路徑規(guī)劃，元件布局以元件組的尺寸矩形排布總面積為優(yōu)化目標(biāo)，氣路路徑規(guī)劃以氣路總長度為優(yōu)化目標(biāo)，綜合設(shè)計(jì)結(jié)果并非二者的簡(jiǎn)單求和，兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間可能互有影響甚至相斥，某優(yōu)化目標(biāo)的改進(jìn)可能會(huì)引起其它優(yōu)化目標(biāo)的劣化，一般不可能同時(shí)滿足使多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的情況，因此需要采用多目標(biāo)優(yōu)化對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行綜合分析，使設(shè)計(jì)結(jié)果包含的優(yōu)化目標(biāo)盡可能達(dá)到最優(yōu)。本論述提出的集成氣路板設(shè)計(jì)方法整體框架如圖1所示。

圖1 集成氣路板設(shè)計(jì)框架

1.1 元件布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

制動(dòng)控制系統(tǒng)由制動(dòng)單元、電空變換閥、壓力調(diào)整閥、電磁閥、中繼閥、止回閥、安全閥等電空控制閥以及風(fēng)缸、濾塵器等其它零部件組成。元件種類繁多，高效的模型決定著設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣。通過將各零部件數(shù)字化，可實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)元件布局方案時(shí)，通過讀取元件數(shù)據(jù)庫中的元件尺寸及頂點(diǎn)等元件屬性參數(shù)，為元件布局設(shè)計(jì)提供方便；而在進(jìn)行氣路路徑規(guī)劃時(shí)，通過讀取元件數(shù)據(jù)庫中的元件屬性參數(shù)，將安裝孔位置坐標(biāo)設(shè)置為障礙域，將氣路口位置坐標(biāo)設(shè)置為氣路的起點(diǎn)或終點(diǎn)，從而為氣路路徑規(guī)劃及計(jì)算提供方便。

以中繼閥為例，如圖2所示，元件屬性參數(shù)包括：（1）元件名：集成氣路板所需的各種電空控制閥及其它有關(guān)零部件，例如電空轉(zhuǎn)換閥、壓力調(diào)整閥等。（2）元件尺寸：元件外形尺寸最小包絡(luò)矩形的長度a、寬度b；（3）安裝孔Pai位置坐標(biāo)（Paix，Paiy）；（4）安裝孔孔徑j(luò) a；（5）氣路接口Pay位置坐標(biāo)（Pbix，Pbiy）；（6）氣路孔徑j(luò) a；（7）元件安全距離與操作空間c。為方便計(jì)算，在后續(xù)的算法及計(jì)算中，元件的尺寸（長、寬）即為包括安全距離與操作空間的尺寸。其中位置坐標(biāo)以尺寸矩形的左下角頂點(diǎn)作為原點(diǎn)。

圖2 中繼閥

在得到元件的尺寸及位置信息后，應(yīng)確定元件布局的策略和原則，使得設(shè)計(jì)過程能夠最大限度的滿足實(shí)際需求，布局原則如下：（1）將疊加安裝在一起的元件視為一個(gè)元件處理：部分元件會(huì)組合為一個(gè)整體進(jìn)行安裝，此時(shí)將其視為一個(gè)整體，尺寸矩形取整體組成部分的最大長寬；（2）元件安裝面與方向：部分元件限定了安裝角度與方向，一般為0°、90°、180°、270°中的一個(gè)或多個(gè)，矩形在排布時(shí)不能任意選擇角度，而是根據(jù)元件安裝要求選用；（3）元件之間間距：元件與元件之間需要留有預(yù)留空間方便進(jìn)行操作或維護(hù)，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，矩形規(guī)定為基于元件尺寸矩形的包含元件間距以及預(yù)留空間的擴(kuò)大矩形；（4）元件安裝位置：部分元件要求在某些特定區(qū)域安裝，例如對(duì)接受電氣控制信號(hào)的閥門，為方便布線，會(huì)將元件安裝在靠近集成氣路板的邊緣部位。

元件布局采用遺傳算法，遺傳算法（GeneticAlg orithm）是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。算法的核心是對(duì)個(gè)體基因型的定義，將一種元件布局方案作為一個(gè)個(gè)體，其基因型定義如圖3所示。

圖3 元件布局基因型

其中m為布局分層層數(shù)參數(shù)，該參數(shù)在算法中動(dòng)態(tài)確定了一個(gè)容器的長度，m表示以前m個(gè)元件為首層，同時(shí)以這m個(gè)元件的總長度作為容器的長度，當(dāng)?shù)诙釉贾脮r(shí)位于第二層的元件的總長超出容器長度，則進(jìn)入下一層布置。

變異操作采用兩種策略，一種是進(jìn)行參數(shù)的交換，另一種是移動(dòng)參數(shù)至新的位置，變異操作示意圖如圖4所示。

圖4 變異操作

交叉也采用兩種策略，一種是隨機(jī)得出一個(gè)元件索引值，從所選取的父本中從該索引值開始分成兩段基因，選擇其中一段作為新個(gè)體的部分基因，隨后從母本中提取新個(gè)體中不具有的元素依次插入新個(gè)體基因型中，生成具有完成基因型的新個(gè)體，父本的排布層數(shù)作為新個(gè)體的排布層數(shù)，剩余父本和母本的片段重新組成另一個(gè)新個(gè)體，母本的排布層數(shù)作為另一個(gè)新個(gè)體的排布層數(shù)。另一種是隨機(jī)得出兩個(gè)不相等的索引值，取父本較小索引值到較大索引值之間的基因片段作為新個(gè)體的部分基因，隨后從母本中提取新個(gè)體中不具有的元素依次插入新個(gè)體基因型中，生成具有完成基因型的新個(gè)體，父本的排布層數(shù)作為新個(gè)體的排布層數(shù)，剩余父本和母本的片段重新組成另一個(gè)新個(gè)體，母本的排布層數(shù)作為另一個(gè)新個(gè)體的排布層數(shù)。交叉操作如圖5所示。

圖5 交叉操作

通過交叉、變異、遺傳操作，可以得到包含多個(gè)方案的種群，通過對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)度評(píng)估從而獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，適應(yīng)度的計(jì)算即為當(dāng)前方案的總面積計(jì)算，令元件頂點(diǎn)為Pi(xi,yi)，則布局總面積S用數(shù)學(xué)式表達(dá)為：

S=(max{Pi(x)})′(max{Pi(y)})。

1.2 氣路路徑規(guī)劃

確定元件布局后，需要進(jìn)行內(nèi)部氣路的連通設(shè)計(jì)，下面列出部分主要約束規(guī)則：（1）優(yōu)先連通短線序氣路；（2）優(yōu)先連通小干擾度氣路；（3）優(yōu)先連通帶分支氣路；（4）優(yōu)先連通多氣口氣路；（5）優(yōu)先連通大孔徑氣路；（6）優(yōu)先連通高壓氣路；

路徑規(guī)劃則通過A*算法求解，A*算法是一種啟發(fā)式算法，啟發(fā)函數(shù)f(n)=g(n)+h(n)，其中f(n)是每個(gè)可能試探點(diǎn)的估值，它有兩部分組成：一部分為g(n)，它表示從起始搜索點(diǎn)到當(dāng)前點(diǎn)的代價(jià)。另一部分h(n)，它表示啟發(fā)式搜索中最為重要的一部分，即當(dāng)前結(jié)點(diǎn)到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的估值。h(n)可采用歐式距離、曼哈頓距離等距離函數(shù)，本論述采用歐式距離，歐式距離實(shí)際上這就是二維空間中兩點(diǎn)歐氏距離的距離公式：

A*算法通過啟發(fā)函數(shù)對(duì)下一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估，從而選擇最佳路徑結(jié)點(diǎn)，由最佳路徑結(jié)點(diǎn)組成的路徑則為最優(yōu)路徑，路徑規(guī)劃的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為氣路路徑總長度L=a。li(x,y)。對(duì)不同設(shè)計(jì)方案完成了元件布局和路徑規(guī)劃后，每個(gè)設(shè)計(jì)方案均包括兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)S和L，方案的優(yōu)劣可以通過加權(quán)的方式進(jìn)行評(píng)估。

2 實(shí)例分析

某型車制動(dòng)控制系統(tǒng)包括作用閥、分配閥、制動(dòng)氣路板、電磁閥、過濾器、截?cái)嗳T、安裝架。通過算法進(jìn)行元件布局及路徑規(guī)劃得到5種設(shè)計(jì)方案見表1所列。

表1 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估得知方案4為最佳設(shè)計(jì)方案，按照該方案設(shè)計(jì)的得到的集成氣路板如圖6所示。

圖6 集成氣路板設(shè)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)束語

集成氣路板的設(shè)計(jì)是一種典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，元件安裝面面積最小和氣路路徑總長度最短不能同時(shí)滿足，過小的安裝面面積會(huì)使得不便于操作，并且會(huì)造成氣路分布過于集中無法保證安全壁厚，過短的氣路會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、渦流等不良影響。所以在進(jìn)行集成氣路板設(shè)計(jì)時(shí)，考慮多方面因素選擇較為合理的方案對(duì)實(shí)際運(yùn)用有很大的幫助。