制動控制系統(tǒng)集成氣路板設(shè)計方法研究

唐辰杰，車軍，劉瀟瀟

（蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

0 引言

集成氣路板是制動控制系統(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，有利于實現(xiàn)制動控制系統(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)雜性和強耦合性，傳統(tǒng)的人工設(shè)計方法開發(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)，具有工程實用價值。

1 集成氣路板設(shè)計

集成氣路板的設(shè)計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，進行元件布局和氣路連通設(shè)計。集成氣路板的設(shè)計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，氣路路徑規(guī)劃以氣路總長度為優(yōu)化目標，綜合設(shè)計結(jié)果并非二者的簡單求和，兩個優(yōu)化目標之間可能互有影響甚至相斥，某優(yōu)化目標的改進可能會引起其它優(yōu)化目標的劣化，一般不可能同時滿足使多個優(yōu)化目標同時達到最優(yōu)的情況，因此需要采用多目標優(yōu)化對整個設(shè)計過程進行綜合分析，使設(shè)計結(jié)果包含的優(yōu)化目標盡可能達到最優(yōu)。本論述提出的集成氣路板設(shè)計方法整體框架如圖1所示。

圖1 集成氣路板設(shè)計框架

1.1 元件布局優(yōu)化設(shè)計

制動控制系統(tǒng)由制動單元、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)計質(zhì)量的優(yōu)劣。通過將各零部件數(shù)字化，可實現(xiàn)智能自動設(shè)計。在設(shè)計元件布局方案時，通過讀取元件數(shù)據(jù)庫中的元件尺寸及頂點等元件屬性參數(shù)，為元件布局設(shè)計提供方便；而在進行氣路路徑規(guī)劃時，通過讀取元件數(shù)據(jù)庫中的元件屬性參數(shù)，將安裝孔位置坐標設(shè)置為障礙域，將氣路口位置坐標設(shè)置為氣路的起點或終點，從而為氣路路徑規(guī)劃及計算提供方便。

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（Paix，Paiy）；（4）安裝孔孔徑j(luò) a；（5）氣路接口Pay位置坐標（Pbix，Pbiy）；（6）氣路孔徑j(luò) a；（7）元件安全距離與操作空間c。為方便計算，在后續(xù)的算法及計算中，元件的尺寸（長、寬）即為包括安全距離與操作空間的尺寸。其中位置坐標以尺寸矩形的左下角頂點作為原點。

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)計過程能夠最大限度的滿足實際需求，布局原則如下：（1）將疊加安裝在一起的元件視為一個元件處理：部分元件會組合為一個整體進行安裝，此時將其視為一個整體，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°中的一個或多個，矩形在排布時不能任意選擇角度，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)留空間方便進行操作或維護，為簡化設(shè)計流程，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，例如對接受電氣控制信號的閥門，為方便布線，會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）是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學(xué)機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法。算法的核心是對個體基因型的定義，將一種元件布局方案作為一個個體，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)在算法中動態(tài)確定了一個容器的長度，m表示以前m個元件為首層，同時以這m個元件的總長度作為容器的長度，當?shù)诙釉贾脮r位于第二層的元件的總長超出容器長度，則進入下一層布置。

變異操作采用兩種策略，一種是進行參數(shù)的交換，另一種是移動參數(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，一種是隨機得出一個元件索引值，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體的部分基因，隨后從母本中提取新個體中不具有的元素依次插入新個體基因型中，生成具有完成基因型的新個體，父本的排布層數(shù)作為新個體的排布層數(shù)，剩余父本和母本的片段重新組成另一個新個體，母本的排布層數(shù)作為另一個新個體的排布層數(shù)。另一種是隨機得出兩個不相等的索引值，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體的部分基因，隨后從母本中提取新個體中不具有的元素依次插入新個體基因型中，生成具有完成基因型的新個體，父本的排布層數(shù)作為新個體的排布層數(shù)，剩余父本和母本的片段重新組成另一個新個體，母本的排布層數(shù)作為另一個新個體的排布層數(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，可以得到包含多個方案的種群，通過對種群中的個體進行適應(yīng)度評估從而獲得最優(yōu)設(shè)計方案，適應(yīng)度的計算即為當前方案的總面積計算，令元件頂點為Pi(xi,yi)，則布局總面積S用數(shù)學(xué)式表達為：

S=(max{Pi(x)})′(max{Pi(y)})。

1.2 氣路路徑規(guī)劃

確定元件布局后，需要進行內(nèi)部氣路的連通設(shè)計，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)是每個可能試探點的估值，它有兩部分組成：一部分為g(n)，它表示從起始搜索點到當前點的代價。另一部分h(n)，它表示啟發(fā)式搜索中最為重要的一部分，即當前結(jié)點到目標結(jié)點的估值。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，歐式距離實際上這就是二維空間中兩點歐氏距離的距離公式：

A*算法通過啟發(fā)函數(shù)對下一目標節(jié)點進行評估，從而選擇最佳路徑結(jié)點，由最佳路徑結(jié)點組成的路徑則為最優(yōu)路徑，路徑規(guī)劃的優(yōu)化目標函數(shù)為氣路路徑總長度L=a。li(x,y)。對不同設(shè)計方案完成了元件布局和路徑規(guī)劃后，每個設(shè)計方案均包括兩個優(yōu)化目標函數(shù)S和L，方案的優(yōu)劣可以通過加權(quán)的方式進行評估。

2 實例分析

某型車制動控制系統(tǒng)包括作用閥、分配閥、制動氣路板、電磁閥、過濾器、截斷塞門、安裝架。通過算法進行元件布局及路徑規(guī)劃得到5種設(shè)計方案見表1所列。

表1 設(shè)計結(jié)果

通過對方案進行評估得知方案4為最佳設(shè)計方案，按照該方案設(shè)計的得到的集成氣路板如圖6所示。

圖6 集成氣路板設(shè)計結(jié)果

3 結(jié)束語

集成氣路板的設(shè)計是一種典型的多目標優(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滿足，過小的安裝面面積會使得不便于操作，并且會造成氣路分布過于集中無法保證安全壁厚，過短的氣路會產(chǎn)生應(yīng)力集中、渦流等不良影響。所以在進行集成氣路板設(shè)計時，考慮多方面因素選擇較為合理的方案對實際運用有很大的幫助。