朱永輝 張勝文 支辰羽 羅瑞旭 李 坤

（江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

線路設(shè)計是機(jī)電類產(chǎn)品設(shè)計制造過程中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，線纜作為機(jī)電類產(chǎn)品的神經(jīng)，擔(dān)負(fù)著聯(lián)系控制系統(tǒng)、配電箱、照明燈、空調(diào)和通風(fēng)扇等電子設(shè)備的重任。隨著機(jī)電類產(chǎn)品向大規(guī)模定制的方向不斷發(fā)展，其布線結(jié)構(gòu)與布線路徑也越發(fā)復(fù)雜多樣，線纜設(shè)計對產(chǎn)品性能和可靠性的影響也越來越大[1]，線纜的布設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系著機(jī)電類產(chǎn)品的安全性和功能性。

傳統(tǒng)的布線設(shè)計過程主要通過二維CAD 圖紙完成電路設(shè)計以及規(guī)劃出線路的進(jìn)出口，線纜路徑由工藝人員在實(shí)際布線時根據(jù)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)以及個人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，并根據(jù)布線的實(shí)際情況對結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進(jìn)行反饋，反推設(shè)計人員優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，屬于邊生產(chǎn)邊修改的設(shè)計方法[2]。這種線路設(shè)計方法嚴(yán)重滯后被動，布線操作難度大，缺乏指導(dǎo)性，同時會增加產(chǎn)品研發(fā)周期，不適用于大規(guī)模定制趨勢下的產(chǎn)品線路設(shè)計。因此，研究三維環(huán)境下的智能布線方法尤為重要。

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)與軟件的不斷發(fā)展，國內(nèi)外專家對線路設(shè)計技術(shù)的研究也愈發(fā)深入。Conru A B 等[3]通過遺傳算法對線纜的最優(yōu)路徑進(jìn)行求解，同時采用并行工程的方法進(jìn)行布線設(shè)計。Ilknur K 等[4]提出了使用隨機(jī)路徑圖法計算布線路徑的路徑規(guī)劃算法以應(yīng)對針對復(fù)雜環(huán)境下的布線問題。蔡毅等[5]通過綜合“迷宮法”“線搜索法”等搜索算法和路徑干涉理論，提出了“按面自動布線”和“貼壁干涉自動調(diào)整”的方法，但對于布線環(huán)境復(fù)雜，布線路徑多的產(chǎn)品適用性差。吳保勝等[6]提出了一種基于改進(jìn)蟻群算法的線纜路徑規(guī)劃方法，通過分段式空間劃分和柵格化處理獲取三維布線路徑的規(guī)劃空間，但線纜路徑基于自由空間生成，不適用于規(guī)定了走線通道的復(fù)雜產(chǎn)品的布線。李春泉等[7]提出了基于輪廓擴(kuò)展法和改進(jìn)RRT 算法實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)空間內(nèi)電氣線纜的自動布線。綜上可知，三維布線技術(shù)的核心在于線纜路徑的智能規(guī)劃，而現(xiàn)有研究成果主要適用于自由空間的線路規(guī)劃，不適用于具有特定走線空間的大規(guī)模復(fù)雜機(jī)電類產(chǎn)品的線路規(guī)劃。

本文針對上述問題，在上述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上提出了一種基于SolidWorks 平臺的三維智能布線方法，通過改進(jìn)A*算法進(jìn)行線纜的路徑規(guī)劃，并提出了一種基于通道網(wǎng)絡(luò)的布線空間構(gòu)建方法，約束布線路徑的生成，保證布線路徑的正確性。同時通過SolidWorks 二次開發(fā)，開發(fā)出了相對應(yīng)的布線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了特定走線空間條件下的三維線纜智能布路，驗(yàn)證了該三維智能布線方法的可行性。

1 方法介紹

為實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計環(huán)境下電氣線纜的智能布線，本文基于SolidWorks 平臺進(jìn)行三維智能布線技術(shù)研究，提出了一種三維智能布線方法，其布線流程如圖1 所示。

圖1 SolidWorks 智能布線流程

本文提出的布線方法主要包括前期準(zhǔn)備、線纜智能敷設(shè)和報表輸出3 個環(huán)節(jié)。

（1）在前期準(zhǔn)備環(huán)節(jié)中，要對產(chǎn)品三維模型和電氣零部件庫的進(jìn)行創(chuàng)建與裝配，并將線槽，PVC 管等走線通道以及錨定線路起點(diǎn)和終點(diǎn)的電器元件裝配到需要布線的三維實(shí)體模型中，搭建出三維布線的基礎(chǔ)環(huán)境。

（2）線纜智能敷設(shè)主要包括走線空間定義、走線路徑智能規(guī)劃、三維線纜敷設(shè)3 個部分。通過路徑搜索算法智能規(guī)劃出最優(yōu)的走線路徑，并通過定義走線空間約束路徑搜索的范圍，保證走線路徑規(guī)劃的正確性，同時在SolidWorks 平臺基于走線路徑生成線纜的三維實(shí)體模型，完成三維線纜敷設(shè)。

（3）報表輸出環(huán)節(jié)主要是將線路的起點(diǎn)與終點(diǎn)、線纜型號、線纜長度以報表的形式輸出，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 布線空間定義

在三維布線設(shè)計過程中，產(chǎn)品三維實(shí)體模型與其內(nèi)外部空間構(gòu)成了基礎(chǔ)的布線環(huán)境，同時產(chǎn)品三維實(shí)體模型也作為線纜布路的空間障礙物，為了防止生成的線纜路徑與產(chǎn)品實(shí)體模型產(chǎn)生干涉，首先需要對線纜的可布線空間進(jìn)行定義，即確定可進(jìn)行路徑搜索的范圍。

現(xiàn)有研究對于布線空間的定義方法普遍采用包圍盒技術(shù)（bounding box, BB），是三維物體干涉檢測中常用的一種檢測方法，其主要策略是用體積較大的簡單形體近似地表達(dá)外形較為復(fù)雜的集合對象形體，然后對包圍盒進(jìn)行相交檢測，求解出自由空間和障礙物空間，將自由空間作為布線空間[8]。但在大型復(fù)雜機(jī)電類產(chǎn)品中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段已經(jīng)布置了線槽、PVC 管和走線矩管等型材用于布線，即產(chǎn)品的布線通道是確定的，通過包圍盒技術(shù)求解出的布線空間過于寬泛，因此該方法定義的布線空間與實(shí)際的布線空間很大程度上不相符，導(dǎo)致路徑搜索算法規(guī)劃出的走線路徑不符合要求。

針對上述問題本文提出了基于通道網(wǎng)絡(luò)的布線空間定義方法，保證了布線空間定義的正確性，其流程如圖2 所示，具體步驟如下。

圖2 布線空間定義流程

步驟1：在布線環(huán)境中通過3D 草圖沿線槽、PVC 管等走線通道的中心繪制出如圖3 所示布線通道網(wǎng)絡(luò)，定義出通道走向。

圖3 布線空間定義示意圖

步驟2：以走線通道網(wǎng)絡(luò)為中心軸線，將其一定范圍內(nèi)的空間定義為布線空間，如圖3 所示。

步驟3：將定義出的布線空間劃分成一個三維空間點(diǎn)集合，便于后續(xù)路徑搜索使用。

在空間劃分的方法中，柵格法是目前最簡單、常用、便捷的一種方法，其采用空間等分的方法將立方體空間柵格化，將三維空間離散化成路徑搜索所需的一個三維空間點(diǎn)集合，如圖4 所示。

圖4 布線空間柵格化示意圖

2.2 布線路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃是指在有障礙物的工作環(huán)境中尋一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)、無碰撞地繞過所有障礙物的運(yùn)動路徑的過程[9]。布線路徑的智能規(guī)劃是研究三維智能布線技術(shù)的核心問題，研究布線路徑路規(guī)劃最重要的就是要保證布線路徑的正確性與合理性，同時要考慮線纜與布線空間內(nèi)其他障礙物以及與其他線纜之間的干涉問題。

本文提出的三維智能布線方法中布線路徑的智能規(guī)劃通過路徑搜索算法自動完成。

在現(xiàn)有路徑搜索算法中，A*算法是最有效的直接搜索算法之一，其具有可納性和最優(yōu)性[10]。但是在實(shí)際的線路設(shè)計過程中，對線纜的折彎長度以及折彎次數(shù)都有著一定的要求，使得A*算法難以被直接應(yīng)用，因此本文針對這一問題對原始A*算法進(jìn)行了改進(jìn)和拓展，使其獲得了更高的適用性。

2.2.1 A*算法估價函數(shù)改進(jìn)

A*算法結(jié)合了Dijkstra 算法和BFS 算法的優(yōu)點(diǎn)，將Dijkstra 算法靠近終點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)和 BFS 算法靠近目標(biāo)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)的信息結(jié)合起來，并引入了估價函數(shù)對搜索的位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估[11]，該估價函數(shù)一般為

式中：f(n)為節(jié)點(diǎn)n的估價函數(shù)，表示從初始節(jié)點(diǎn)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑的代價；g(n)表示在狀態(tài)空間中從初始節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n的代價；h(n)為從節(jié)點(diǎn)n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑的估計代價[12]。

通常設(shè)定h(n)計算常用的啟發(fā)式估價函數(shù)為歐幾里得距離函數(shù)（ELDF），ELDF 是指在m維空間中兩個位置節(jié)點(diǎn)之間的真實(shí)距離，二維平面中ELDF 的計算公式為可表示為

結(jié)合實(shí)際電氣布線經(jīng)驗(yàn)，在布線路徑規(guī)劃時要考慮到線纜折彎所帶來的損耗問題，因此通過對A*算法的估價函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，引入第3 個評估因子q(n)，用來表示從起始節(jié)點(diǎn)到達(dá)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n的折彎損耗[13]，改進(jìn)后估價函數(shù)為

式中：k為每次折彎損耗轉(zhuǎn)換成的距離；N為從初始節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n的折彎次數(shù)。

A*算法作為1 種二維平面上的路徑搜索算法而被廣泛應(yīng)用于AGV 小車線路規(guī)劃、游戲地圖等問題上。而本文研究的三維智能布線技術(shù)，布線路徑規(guī)劃都是基于三維實(shí)體空間進(jìn)行可行路徑的搜索工作，因此需要將A*算法的適用范圍由二維向三維拓展，拓展后的h(n)計算方式為

2.2.2 A*算法求解流程改進(jìn)

改進(jìn)A*算法對最優(yōu)路徑進(jìn)行求解需要通過3 個基本空間點(diǎn)集：Open 表、Close 表和Lattice 表。其中Open 表用于存放當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可用的相鄰節(jié)點(diǎn)，Close表用于存放求解出的符合要求的路徑節(jié)點(diǎn)，Lattice表儲存本文章節(jié)2.1 中定義的走線空間經(jīng)過柵格化后劃分出的所有可用空間節(jié)點(diǎn)。改進(jìn)A*算法在原A*算法求解流程上新增Lattice 表，約束路徑點(diǎn)的搜索范圍，保證了路徑搜索的正確性與效率。改進(jìn)A*算法流程如圖5 所示，其具體求解步驟如下：

圖5 改進(jìn)A＊算法流程圖

步驟1：將起始節(jié)點(diǎn)S設(shè)置為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M。

步驟2：判定當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M是否為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)O，若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)O，則將前節(jié)點(diǎn)M放入Close 表中并輸出Close 表中所有節(jié)點(diǎn)，組成布線路徑。若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)O，則轉(zhuǎn)至步驟3。

步驟3：從Lattice 表循環(huán)搜索當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M的所有鄰居點(diǎn)并計算各個鄰居點(diǎn)的f(n)值，同時將搜索出的所有近鄰節(jié)點(diǎn)加入Open 表中。

步驟4：將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M從Open 表中刪除，放入Close 表。

步驟5：將Open 表F值最小的鄰居點(diǎn)設(shè)置為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M，并刪除其他鄰居點(diǎn)，轉(zhuǎn)至步驟2。

步驟6：循環(huán)步驟2 至步驟5，直至求解出的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)M為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)O，則將Close 表中所有節(jié)點(diǎn)按搜索的順序排列即可得到最優(yōu)路徑。

2.3 三維實(shí)體線纜敷設(shè)

三維實(shí)體線纜敷設(shè)是指在虛擬環(huán)境下通過建立線纜實(shí)體模型的方法來實(shí)現(xiàn)對三維空間中線纜姿態(tài)和屬性的表達(dá)和可視化的一種方法。三維環(huán)境空間下的線纜實(shí)體模型包含幾何特征和信息屬性[14]。

2.3.1 幾何特征

線纜幾何特征包括線纜的幾何形態(tài)、顏色、粗細(xì)等信息，線纜幾何模型的建立主要是通過數(shù)字化手段完成對線纜幾何特征的可視化描述和表達(dá)。

在SolidWorks 二次開發(fā)中，三維模型驅(qū)動方法有編程法和尺寸驅(qū)動法。本文線纜幾何模型的構(gòu)建采用編程法，通過VB.net 編程語言對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。

編程法是將三維模型的所有建模操作和特征的參數(shù)關(guān)系都按照固定的順序的編寫成相應(yīng)的程序，平臺按照程序規(guī)定的建模過程逐步執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成三維模型的生成。這種方法每生成或更新一次模型都需要從頭至尾執(zhí)行一次應(yīng)用程序代碼[15]。

2.3.2 信息屬性

在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計過程中，線纜都有著不同的線纜信息用于線纜間的彼此區(qū)分，線纜信息屬性包括線纜的名稱、編號、型號和材質(zhì)等，為方便對線纜信息進(jìn)行統(tǒng)一的儲存、組織和管理，本文通過數(shù)據(jù)庫構(gòu)建相應(yīng)的線纜信息庫，用于線纜信息的管理，便于將數(shù)據(jù)庫表中的線纜信息賦予對應(yīng)的線纜的幾何模型。

2.3.3 線纜模型構(gòu)建

通過對線纜幾何特征的創(chuàng)建和信息屬性的填寫，能夠構(gòu)建出符合需求的線纜三維實(shí)體模型用于指導(dǎo)生產(chǎn)。通過對SolidWorks 模型驅(qū)動與屬性賦值等API 函數(shù)的應(yīng)用，結(jié)合本文2.2 節(jié)中所述的改進(jìn)A*算法的求解結(jié)果提出了如圖6 所示的三維實(shí)體線纜敷設(shè)流程，具體步驟如下：

圖6 三維實(shí)體線纜敷設(shè)流程

步驟1：根據(jù)求解出的Close 表中的路徑點(diǎn)，通過SolidWorks 二次開發(fā)，在布線空間中生成中心軸線。

步驟2：根據(jù)線纜信息庫中線纜相對應(yīng)的直徑和顏色，沿線纜三維中心軸線生成線纜幾何特征模型。

步驟3：按照線纜信息庫中線路編號和線纜型號給線纜幾何模型添加相對應(yīng)的線纜屬性。

3 實(shí)例驗(yàn)證

本文基于上述三維布線關(guān)鍵技術(shù)的研究，通過Visual Studio2019、SolidWorks2020、SQL Server2008協(xié)同開發(fā)，基于SolidWorks 平臺開發(fā)了相對應(yīng)的三維智能布線系統(tǒng)，用于驗(yàn)證本文提出的三維智能布線方法可行性與實(shí)用性。

本文以機(jī)柜布線為例對該布線系統(tǒng)及方法進(jìn)行了驗(yàn)證，首先根據(jù)機(jī)柜內(nèi)部線槽的擺放，通過3D草圖繪制出如圖7 所示的機(jī)柜的布線通道網(wǎng)絡(luò)。

圖7 布線通道草圖網(wǎng)絡(luò)繪制

布線通道網(wǎng)絡(luò)草圖繪制完成后，打開三維智能布線系統(tǒng)，進(jìn)入如圖7 所示的布線空間定義界面，在該界面選擇布線通道網(wǎng)絡(luò)并根據(jù)輸入的通道直徑，定義相對應(yīng)的布線空間，通過柵格法根據(jù)人工定義的劃分密度對該布線空間進(jìn)行空間劃分，獲取如圖8 所示的布線空間路徑點(diǎn)集，并放入Lattice 表中供后續(xù)路徑搜索使用。

圖8 布線空間定義與劃分

布線空間定義完成后，選擇如圖9 所示的線路設(shè)計界面，根據(jù)需求定義線路的編號、起始點(diǎn)、終點(diǎn)和線纜型號。布線系統(tǒng)后臺程序根據(jù)定義的線路起始點(diǎn)，驅(qū)動改進(jìn)A*算法在圖8 所示的Lattice 表中進(jìn)行路徑點(diǎn)的搜索，求解出每條線路的最優(yōu)路徑，并將路徑點(diǎn)放入相對應(yīng)Close 表中。通過選擇圖9中線路列表中定義的線路，可在最優(yōu)路徑點(diǎn)集區(qū)域顯示求解出的相對應(yīng)最優(yōu)路徑點(diǎn)集。

圖9 線路設(shè)計

線纜路徑規(guī)劃完成后，點(diǎn)擊軸線創(chuàng)建按鈕，系統(tǒng)根據(jù)求解出的每條線路對應(yīng)Close 表中的路徑點(diǎn)生成如圖10 所示的線路中心軸線，點(diǎn)擊線纜創(chuàng)建按鈕，根據(jù)線路所用線纜的直徑和顏色沿線路中心軸線生成如圖11 所示的線纜三維實(shí)體模型。

圖10 線路中心軸線生成

圖11 線纜三維實(shí)體生成

線纜敷設(shè)完成后，在如圖12 所示的報表輸出界面，可查看線路相對應(yīng)的線纜信息報表，包含線路的連接關(guān)系、線纜長度的信息。線纜信息報表見表1。

表1 線纜信息報表

圖12 改進(jìn)A＊算法流程圖

4 結(jié)語

本文針對三維環(huán)境下的智能布線技術(shù)展開了研究，提出了一種基于SolidWorks 的三維智能布線方法，并通過對A*算法的改進(jìn)和布線空間定義新方法的應(yīng)用，結(jié)合SolidWorks 二次開發(fā)技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)的三維智能布線系統(tǒng)，并通過實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明，基于此三維智能布線方法開發(fā)的布線系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)布線路徑的快速智能規(guī)劃以及三維實(shí)體線纜的快速敷設(shè)，極大地提高設(shè)計效率、降低成本，具有很高的現(xiàn)實(shí)使用價值。