一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法与流程

本发明涉及一种计算机辅助设计和人工智能技术，尤其是一种机电产品电缆布线技术，具体地说是一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法。

背景技术：

线缆是机电一体化设备的“血管神经”，用于电气元件的能量输送与信号控制，并在航空航天、车辆、电子、船舶等复杂机电产品中被大量使用，不合理的线缆布局不仅破坏系统的稳定性还会损坏电器元件，导致产品故障率上升，例如美国通用公司总结出发动机空中停车事件有50％的故障是由于管路、线缆和传感器损坏导致的。复杂机电产品的线缆大都是经过捆扎的线缆组件，线缆布局设计涉及多个优化目标和多个工程约束，存在多种不同的布局方案，但大多智能优化算法针对的是双端单根线缆单目标布局优化问题，单一的将线缆的长度作为优化目标，采用传统的工程经验和路径搜索相结合的方式，获得方案唯一的线缆布局，缺少线缆组件可制造性和装配难易程度等因素的考虑，合理的考虑线缆组件的总重量、可制造性和装配难易程度等多个目标对缩短机电产品的生产研发周期具有重大意义和必要性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对机电产品线缆组件多目标布局困难的问题，发明一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法，以解决机电产品线缆组件多目标布局问题。

本发明的技术方案是：

一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

(1)输入待设计的线缆组件进行电气连接的各端口信息、接线关系及各芯线物理属性；

(2)根据布线设计的工程需求确定线缆组件布局设计的若干优化目标和约束条件，记优化目标的数量为m，并设置布局方案的优化函数fm(x)，m＝1,2,…,m，x为线缆组件布局方案，其中各个优化目标函数值越小，布局方案越好；

(3)基于机电产品的结构设计三维几何模型，进行线缆可敷设空间的离散预处理，生成离散空间模型表达的线缆敷设空间；

(4)使用基于分解的多目标粒子群优化算法(简称mopso/d)对线缆组件布局进行优化求解，利用步骤(2)生成的离散线缆敷设空间初始化初始解，并处理优化约束，生成一系列非支配的线缆布局方案，并分别使用xml格式进行存储；

(5)选择满足需求的线缆布局，在cad环境中读取对应的xml文件，利用二次开发接口自动生成线缆组件几何模型，并装配到机电产品几何模型中。

所述的步骤(1)中，各端口信息包括空间位置和插接矢量方向；接线关系为电气连接的接线表或者接线图；各芯线物理属性包括芯线截面形状、尺寸和线密度。

所述的步骤(2)中，选择线缆组件总重量、捆扎段主干道占比和线缆组件敷设路径上的开敞空间作为优化目标，目标函数分别为f1(x)、f2(x)和f3(x)，根据以下公式计算：

f1(x)＝gb+gs

其中，gb、gs为捆扎段总重量、非捆扎段总重量；

其中，n为捆扎段的数量；li为捆扎段的长度；ni为捆扎段包含的线缆数量；ρj为捆扎段中第j条线缆线密度；

其中，n为非捆扎段的数量；li为非捆扎段的长度；ρi为第i条线缆线密度；

其中，proportion为捆扎段主干道占比；n为捆扎段的数量；li为第i条捆扎段的长度；ni为第i条捆扎段中的线缆数量；

其中，openness为线缆组件敷设路径上的开敞空间；n为线缆组件敷设路径上的节点数量；vi为节点周围的开敞空间体积；

将路径贴壁、规避高温和强电磁区域、端口延伸长度和线缆最小弯曲半径要求作为约束条件。

所述的步骤(3)中，离散空间模型表达的线缆敷设空间包括离散单元位置、各离散单元间的拓扑关系、离散单元的空间属性等信息。其中空间属性包括是否障碍、温度、电磁强度、开敞性等信息。

所述的步骤(4)中，基于mopso/d算法优化求解线缆布局的具体流程如下：

第一步：初始化；

步骤1.1根据目标数m和采样步长h，生成w个均匀权重向量；

步骤1.2计算子问题权重向量之间的欧式距离，选择最小的b个子问题作为邻居；

步骤1.3根据线缆接线表，使用分支点数量和空间位置对粒子编码，随机生成w个粒子，初始化粒子速度。对于每一个粒子，首先，使用路径搜索算法生成接线端点与分支点之间的路径和分支点之间的路径；然后，构建分支点的最小生成树，进而遍历搜索接线端点至最近分支点的路径；最后，根据接线关系确定各个分支段中通过的芯线，根据芯线属性计算分支段的直径、线密度等属性，从而生成整体线束的布局方案，并根据该方案计算粒子的目标值f(pⁱ)＝(f1(pⁱ),f2(pⁱ),…,fm(pⁱ))，i＝1,2,…,w；；

步骤1.4初始化参考点z^*；

步骤1.5将粒子的局部和全局最优粒子设置为粒子本身，即pbestⁱ＝gbestⁱ＝pⁱ；

第二步：种群进化；

步骤2.1计算粒子i的速度和位置，计算粒子新位置的各目标值；

步骤2.2根据粒子pⁱ的目标值f(pⁱ)更新参考点

步骤2.3更新粒子pⁱ的局部最优位置，若新的位置优于之前的局部最优位置，则设置pbestⁱ＝pⁱ，否则，保留原局部最优位置pbestⁱ；

步骤2.4使用粒子pⁱ更新邻居粒子的全局最优位置，对于粒子pⁱ邻居粒子p^b的全局最优位置gbest^b，若pⁱ作为邻居p^b的全局最优更好，则设置gbest^b＝pⁱ，否则，不更新邻居的全局最优位置；

步骤2.5判断是否满足进化终止条件，如果满足，则将种群全局最优解及其对应线缆布局的相关物理属性分别存储到xml文件中，并停止种群进化，否则，继续第二步。

所述的步骤(5)中，线缆组件几何模型生成及装配流程如下：

第一步：读取线缆布局xml文件，重构得到线缆中各个分支段的直径、线密度、最小弯曲半径、松弛度等物理属性，以及各个分支段的离散路径点集合；

第二步：根据cad二次开发接口，设置线缆各个分支段的物理属性，并根据各分支段的离散路径点按照样条曲线拟合生成线缆组件各分支段的连续路径，并创建生成各分支段几何模型；

第三步：根据各个端口位置设置线缆组件的装配坐标系，完成线缆几何模型到机电产品几何模型的装配。

本发明的有益效果是：

本发明针对机电产品线缆组件多目标布局的自动设计，提出了一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法。根据需要确定线缆组件多目标布局的若干优化目标和约束条件。对线缆敷设空间进行离散化预处理。使用基于分解的多目标粒子群优化算法对线缆多目标布局问题进行求解，可获得满足多个目标的线缆组件布局方案解集，并能完成线缆组件几何模型的构建和装配。本发明经过一次运算就可提供一组满足pareto准则的最优布线方案，可供设计人员的不同需求进行决策选择，本发明具有算法结构简单，求解效率高，推荐方案极具工程价值的优点。本发明的实施将有效提高机电产品的布线设计效率和质量，并减轻设计人员工作强度。

附图说明

图1是某典型机电产品空间结构及接线端子分布示意图。

图2是基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局实现流程图。

图3机电产品线缆组件多目标布局效果图。

表1是机电产品接线表。

表2是预处理后的离散空间数据。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

如图1-3，表1-2所示。

一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法的输入条件为机电产品的机械结构、接线端子空间位置、接插件法矢量方向及电气接线表。如图1、表1所示。

表1机电产品接线表

本发明基于分解的多目标粒子群算法，通过定长度粒子编码，得到适用于线缆组件布局设计的多目标粒子群算法，实现机电产品中线缆组件的布局优化和线缆几何模型创建及装配。

图2是本发明基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局实现流程图。具体步骤包括：

第一步：确定线缆组件布局设计的若干优化目标和约束条件，记优化目标的数量为3，并设置布局方案的优化函数fm(x)，m＝1,2,3，优化目标函数值越小，布局方案越好。选择线缆组件总重量、捆扎段主干道占比和线缆组件敷设路径上的开敞空间三个指标作为优化目标，设x为线缆组件布局方案，目标函数分别为f1(x)、f2(x)和f3(x)，根据以下公式计算：

f1(x)＝gb+gs

其中，gb、gs为捆扎段总重量、非捆扎段总重量；

其中，n为捆扎段的数量；li为捆扎段的长度；ni为捆扎段包含的线缆数量；ρj为捆扎段中第j条线缆的线密度；

其中，n为非捆扎段的数量；li为非捆扎段的长度；ρi为第i条线缆的线密度；

其中，proportion为捆扎段主干道占比；n为捆扎段的数量；li为第i条捆扎段的长度；ni为第i条捆扎段中的线缆数量；

其中，openness为线缆组件敷设路径上的开敞空间；n为线缆组件敷设路径上的节点数量；vi为节点周围的开敞空间体积。

将路径贴壁、规避高温和强电磁区域、端口延伸长度和线缆最小弯曲半径要求作为约束条件。路径贴壁h(x)＝0，反之，h(x)≠0；路径不经过高温区域t(x)＝0，反之，t(x)≠0；路径不经过强电磁区域e(x)＝0，反之，e(x)≠0；端口延伸长度满足要求n(x)＝0，反之，n(x)≠0；b(x)≥bmin为路径满足最小弯曲半径要求。

第二步：首先，根据机电产品装配体的几何模型，构建装配体的aabb包围盒cad模型，结合产品零部件的分布，对包围盒模型进行布尔减除操作。可获得排除障碍物区域线缆敷设空间，对该空间进行体网格离散化预处理，得到敷设空间中的离散单元。在实际的线缆安装过程中，线缆结构及路径有不同的工艺性要求，例如有些机电产品要求线缆避开热源，有些机电产品要求避开电磁干扰或者要求沿内壁固定等。在离散空间中添加线缆敷设相关的工艺属性，可得到表2所示的预处理离散空间数据。

表2预处理后的离散空间数据

其中，id列表示离散单元的唯一标识，通过该标识可以检索到对应的离散单元；geometric列表示离散空间几何属性，其中只需要离散单元中心点的空间坐标信息(x,y,z)；craft列表示离散空间的工艺属性，对应的volume、t、e、a分别表示离散单元的空间体积(mm³)、当量温度(k)、当量磁感应强度(10^-3t)和贴壁信息(0表示单元贴壁)；topology列表示离散单元周围的邻接单元标识，其中-1表示空。

第三步：mopso/d算法读取离散敷设空间后的具体求解过程如下：

(1)设置采样数10，生成步长为0.1的采样点集合u，u＝{0,0.1,0.2,…,1}。根据目标空间维度m＝3，生成45个均匀分布于空间中的权重向量。

(2)计算45个子问题权重向量之间的欧式距离，选择最小的20个子问题作为邻居。

(3)根据表1所示的线缆接线表，接线端子数量为10，分支点的数量最多不超过8个，粒子可以描述成固定长度为25的编码。粒子pi编码形式为pi＝(k,x1,y1,z1,x2,y2,z2,…,xk,yk,zk,xk+1,yk+1,zk+1,…,x8,y8,z8)，k为构成线缆结构的分支点数量，剩余的8-k个是不参与构成线缆结构但在算法迭代更新中可能参与构成线缆结构的潜在分支点。随机生成45个粒子，初始粒子速度为0，对于每一个粒子，首先，将线缆约束条件添加至路径搜索算法中，使用路径搜索算法生成接线端点与分支点之间的路径和分支点之间的路径；然后，构建分支点最小树，进而确定接线端点至分支点的路径；最后，根据接线关系确定捆扎段的芯线属性，并计算粒子的目标值f(pⁱ)＝(f1(pⁱ),f2(pⁱ),f3(pⁱ))，i＝1,2,…,45。

(4)初始参考点为较大的数，z^*＝(1e+10,1e+10,1e+10)。

(5)将各个粒子的局部和全局最优粒子设置为粒子本身，即pbestⁱ＝gbestⁱ＝pⁱ，i＝1,2,…,45。

(6)计算粒子i的速度和位置，计算粒子新位置的各目标值，f(pⁱ)＝(f1(pⁱ),f2(pⁱ),f3(pⁱ))，i＝1,2,…,45。

(7)根据粒子pⁱ的目标值f(pⁱ)更新参考点对于每个目标分量fj(pⁱ)，如果设置

(8)更新粒子pⁱ的局部最优位置。若新的位置优于之前的局部最优位置，使用切比雪夫聚合进行比较，即g^tch(pⁱ|λⁱ)≤g^tch(pbestⁱ|λⁱ)，则设置pbestⁱ＝pⁱ，否则，保留原局部最优位置pbestⁱ。

(9)使用粒子pⁱ更新邻居粒子的全局最优位置。对于粒子pⁱ邻居粒子p^b的全局最优位置gbest^b，若pⁱ作为邻居p^b的全局最优更好，使用切比雪夫聚合进行比较，即g^tch(pⁱ|λⁱ)≤g^tch(gbest^b|λ^b)，则设置gbest^b＝pⁱ，否则，不更新邻居的全局最优位置。

(10)判断是否满足进化终止条件，如果满足，则将种群全局最优解及其对应线缆布局的相关物理属性存储到xml中，并停止种群进化，否则，继续第(6)步。

第四步：使用计算机辅助设计软件creo3.0的二次开发接口pro/toolkit，利用vs2012的mfc框架开发用于生成线缆组件几何模型的程序插件。在creo3.0软件平台上自动加载该程序插件，读取线缆布局xml文件并重构线缆布局方案及其物理属性，程序会自动构建线缆组件的几何模型。选择机电产品装配体几何模型的全局坐标系可完成图3所示的线缆组件装配，篇幅所限，只从最终的全局最优档案中随机选择了几种布局方案进行展示。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。