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汽车线束图纸的自动布局研究 摘要 汽车线束图纸是用来表示线束构件排布方式和线束连接关系的二维图纸， 是进行线束工艺设计和指导生产的主要数据来源。针对手工绘制的线束图纸布 局不合理、不同用途需要生成不同布局图纸的问题，论文将力导向布局算法引 入到线束图纸的自动布局中，在分析线束图纸表示特点和图纸布局特点的基础 上，结合线束图纸布局规则提出基于力导向的线束图纸布局方法。 本文研究工作主要包括以下三个方面： ( 1 ) 通过研究汽车线束图纸表示的特点，论文提出基于参数化的多连通图表示 汽车线束图纸，分离了线束图纸形式和逻辑意义，实现了在有限的区域内 表达复杂汽车线束构件连接关系，并减小了图纸修改的影响域，完成对汽 车线束工艺图的完整表示。 ( 2 ) 总结了汽车线束连接图布局的影响因素和布局规则，基于力导向布局模型 实现汽车线束连接图的布局。首先，基于规则提出线束图纸主干搜索算法， 确定线束主干排布；然后，对连接到主干上的线束分支进行分组，按照“自 底向上”的过程实现对线束分支进行约束对称布局。 ( 3 ) 通过分析线束接插件和附着件的布局特点，基于启发式规则和力导向算法 实现了接插件和附着件的布局。首先确定接插件在线束连接图布局后的初 始位置，然后在接插件间建立弹簧模型，基于力导向算法去除接插件重叠。 对附着件的布局，根据“附着”的性质，将其关键点定位至附着体相应位置。 关键词：图纸布局，力导向布局，参数化，汽车线束，多连通图 本文受到国家自然科学基金项目“科学计算中面向建模的多态机理研 究”( 6 0 6 7 3 0 2 8 ) 、合肥市科技局项目“基于信号量机制的生产调度及其可视化” ( 2 0 0 8 1 0 0 4 ) 、江淮汽车线束工艺设计软件开发j 和“合肥得润生产管理信息系 统”项目的共同资助。 r e s e a r c ho na u t o m a t i cl a y o u to fa u t o m o b i l e w i r eh a r n e s sd r a w i n g s a b s t r a c t a u t o m o b i l ew i r eh a r n e s sd r a w i n g sr e p r e s e n tc o m p o n e n ta r r a n g e m e n t sa n d w i r eh a r n e s sc o n n e c t i o nr e l a t i o n sa n dt h u sa r et h ei m p o r t a n td a t ai nw i r eh a r n e s s t e c h n o l o g yd e s i g na n dm a n u f a c t u r e t oi m p r o v et h el a y o u ta e s t h e t i c a l l ya n da d j u s t t h el a y o u ta c c o r d i n gt ov a r i o u sp r a c t i c a ln e e d s ，f o r c e d i r e c t e dl a y o u tm o d e la n d a l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e dt oa u t o m a t i cl a y o u to fw i r eh a r n e s sd r a w i n g s b a s e do n t h et h o r o u g ha n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r eh a r n e s sp r e s e n t a t i o na n dl a y o u t ， t h eh e u r i s t i cl a w sa r ec o m b i n e dw i t hf o r c e d i r e c t e dl a y o u ta l g o r i t h m st op r o d u c ea n a e s t h e t i c a l p l e a s i n ga n dp r a c t i c a ll a y o u t t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sl i s t e d a s f o i l o w s ： ( 1 ) p u tf o r w a r dp a r a m e t e r b a s e dm u l t i c o n n e c t i o ng r a p ht or e p r e s e n tw i r eh a r n e s s d r a w i n g s t h ec o n n e c t i o nr e l a t i o no f w i r eh a r n e s si sm o d e l e do ng r a p ht h e o r y b yp a r a m e t e r i z i n gw i r eh a r n e s ss e g m e n tw i t hc o n n e c t i o ni n f o r m a t i o n t h e p r e s e n t a t i o na n di n n e rl o g i c a l c o n n e c t i o n sa r ee f f e c t i v e l ys e p a r a t e d ，a n d i n f l u e n c ed o m a i nc a u s e db yd r a w i n gm o d i f i c a t i o ni ss h a r p l yd e c r e a s e d ( 2 ) i n t r o d u c e df o r c e - d i r e c t e dl a y o u ta l g o r i t h m si n t oa u t o m o b i l ec o n n e c t i o n g r a p h sa u t o m a t i cl a y o u t f i r s t ，t h ew i r eh a r n e s st r u n ki sd e f i n e da n dt h et r u n k s e a r c ha l g o r i t h mf o rw i r eh a r n e s sd r a w i n g si sg i v e n ，b a s e do nw h i c ht h ew i r e h a r n e s st r u n k l a y o u t i s f o r m u l a t e d s e c o n d ，t h ew i r eh a r n e s sb r a n c h e s c o n n e c t e dt ot h et r u n ka r eg r o u p e dh i e r a r c h i c a l l y , w h i c ha r et h e na r r a n g e d u s i n gf o r c e - d i r e c t e da l g o r i t h mi nab o t t o m u pw a y ( 3 ) p r o p o s e dt h em e t h o df o rw i r eh a r n e s sc o n n e c t o ra n da c c e s s o r yl a y o u tb a s e do n h e u r i s t i cr u l e sa n dak i n do ff o r c e d i r e c t e da l g o r i t h mc a l l e ds p r i n ga l g o r i t h m f o rc o n n e c t o rl a y o u t ，t h ei n i t i a lp o s i t i o n so fc o n n e c t o r sa n da c c e s s o r i e sa r e f i r s t l yd e t e r m i n e db yr u l e sa f t e rt h el a y o u to fw i r eh a r n e s sc o n n e c t i o ng r a p h ； s e c o n d l y , s p r i n g sa r es i m u l a t e db e t w e e ne v e r yt w or e l e v a n tc o n n e c t o r sa n dt h e m o v e m e n tp a t ho fe v e r yc o n n e c t o ri s h e u r i s t i c a l l yf o r m u l a t e d ；f i n a l l y , t h e s p r i n gl a y o u ta l g o r i t h mi se x e c u t e dt of u l f i l lt h el a y o u to fc o n n e c t o r s a n dt h e a c c e s s o r y sl a y o u ti sc o m p l e t e l ya c h i e v e db ym e a n so fm a n s e tr u l e s k e y w o r d s ：d r a w i n gl a y o u t ；f o r c e - d i r e c t e dl a y o u t ；p a r a m e t e r i z e ；a u t o m o b i l e w i r eh a r n e s s ；m u l t i - c o n n e c t i o ng r a p h 图表目录 图1 1 汽车线束在汽车中的分布图1 图1 2 汽车电线1 图1 3 接插件l 图1 4 紧固件1 图1 5 橡胶件2 图1 6 绝缘、屏蔽套管2 图1 7 描述线束设计生产过程的图k 2 图1 8 汽车二维线束图纸2 图2 1 线束工艺设计系统结构图1 0 图2 2 汽车线束示意图1 1 图2 3 汽车线束图纸布局流程1 1 图3 1 汽车线束图纸绘制风格1 3 图3 2 线束段图形表示1 4 图3 3 线束电器件：1 5 图3 4 接插件h a j 2 0 0 4 0 6 1 1 5 图3 5 单脚紧固件图形1 6 图3 - 6 双脚紧固件图形1 6 图3 7 汽车线束图1 7 图3 8 汽车线束简化图1 7 图3 - 9 多连通图的表示1 8 图3 一l o 多连通图模型框架1 8 图3 11 线束段模型。1 9 图4 1 创建型布局与调整型布局2 2 图4 2 弹簧布局模型示意图2 5 图4 3 线束主干2 7 图4 4 线束连接图2 8 图4 5 基本力导向算法的问题2 9 图4 6 线束分支布局约定示意图3 0 图5 1 接插件的布局，3 4 图5 2 接插件包围矩形的调整路径。3 5 图5 3 接插件弹簧布局示意图3 6 图5 4 附着件布局示意图3 7 图5 5 布局算法过程3 9 图5 - 6 汽车线束布局系统结构图3 9 图5 7 布局算法数据模型4 0 图5 8 数据模型中的节点类和线束段类4 0 图5 9 汽车线束图纸布局系统流程4 1 图5 1 0 汽车线束图纸自动布局系统4 1 图5 1l 工艺员绘制的线束图纸4 2 图5 1 2 经过布局的线束工艺图4 2 表4 1 线束连接图布局结果3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金月曼王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字# 牙老永签字日期：冲v 月阳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵兰些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金起兰些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：兹冰 签字日期：力0 7 年孓月，o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日期：。7 年砧月l 。日 电话： 邮编： 致谢 行文至此，论文即将完成付梓，掩卷长思，三年的工作、学习乃至过去七 年的大学生活尤在眼前，历历在目。虽光阴荏苒，人世匆匆，但研究生阶段的 生活将是我最难忘怀的一段美好记忆。回首求学路上的点点滴滴，我的每一步 成长都离不开各位老师和亲友的帮助与鞭策，衷心感谢你们。 感谢我的导师刘晓平教授。您严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风和渊 博的学识深深地感染着我，鞭策我在工作学习中不断进步；从您对践踏草坪者 的鄙夷和对排队候车者的赞许中，我领略着您厚德载物的人格魅力，深思如何 做人；您为我创造了工作学习的舞台促我成长，我所取得的每一点成绩都凝聚 着您的心血；感谢您在生活中给我的默默帮助，在工作和学习上对我的谆谆教 诲。这些难得的宝贵经历使我受益匪浅，并将受益终身。 感谢应用组的徐本柱老师、李忠泽、杜琳、彭军和李智慧同学，以及已毕 业的吴黄、何士双师兄。应用组给了我工作、学习和进步的机会，他们奋进的 团队精神、渊博的知识和勤奋认真的工作态度永远是我学习的榜样。亲历应用 组的创建和成长，别有许多留念，愿他们和应用组一样前途光明。 感谢v c c 研究室的各位老师和同学们，他们在工作学习和日常生活中给了 我诸多帮助。感谢罗月童、郑利平、路强、李琳和石慧老师对我研究工作提出 的宝贵意见。感谢余烨、。金灿、唐益明对我工作的支持。感谢张定东、朱晓强、 凌实、陆劲挺、徐伟、孙静、薛晔同学在学习生活中给我的帮助。感谢钱晶晶、 吴敏、谢文军、季浩、王晓静、闰峰、陈欣、陈韬、李丹、瞿德清、王启骏、 王玉培、吴正、伍国永，我们相互帮助和鞭策，度过了难忘的时光。 感谢深爱我的父母和家人，你们永远坚定地站在我身后，默默无私地奉献 着爱与宽容。你们是我最坚强的后盾，使我不必面对生存的压力而放弃梦想和 追求；你们是我远航的灯塔，在我迷茫不决时给我指引；你们又给我不竭动力， 你们的殷殷期盼时刻警示我奋勇前行。感谢妻子陶亚男许多年来历久弥坚的爱 恋和支持，感谢你与我携手度过艰苦的岁月；感谢你忍受我偶尔的懈怠并耐心 地指出；感谢你的宽容和理解。 感谢从百忙之中抽出时间评阅我的论文并参加答辩的各位评委老师。 最后，感谢所有帮助过我、但由于我的疏忽未在上文提及的各位老师、同 学、朋友们，谢谢! 程光春 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 汽车线柬概述 线束是指由铜材冲制而成的接触件端子( 连接器) 与电线电缆压接后，外 面再塑压绝缘体或外加金属壳体等，以线柬捆扎形成连接电路的组件【i 】。线束 产业链包括电线电缆、连接器、加工设备、线柬制造和下游应用产业，线束应 用非常广泛，可用在汽车、家用电器、计算机和通讯设备、各种电子仪器仪表 等方面。 汽车线束素有汽车神经之称，是对汽车进行电信号控制的载体，是汽车电 路的重要组成部分。它把中央控制部件与汽车控制单元、电气电子执行单元、 电器及照明显示有机地连接在一起，形成一个完整的汽车电气控制系统。据统 计，一辆汽车所用的线束总长度竟达到了4 0 0 0 米。汽车线束在汽车中的分布如 图1 1 所示。 图1 - 1 汽车线柬在汽车中的分布图 汽车线柬主要由导线、接插件、紧同件、橡胶件以及绝缘、屏蔽套管婷构 件组成【2 】。导线( 如图1 - 2 所示) 又称低压电线，材质均为铜质多蕊软线，有 些软线细如毛发，几条乃至几十条软铜线包裹在塑料绝缘管( 聚氯乙烯) 内， 柔软而不容易折断。接插件( 如图1 3 所示) 用塑料制成，分有插头和插座， 线柬与线束之间用接插件相接，线柬与电气件之间的连接用接插件或搭铁。紧 固件( 如图1 - 4 所示) 包括扎带、卡扣等，是用于将线柬固定在汽车上，防止 其脱落的部件。橡胶件( 如图1 5 所示) 是用于车门、车刹等线柬容易弯曲的 位置上，保护线柬不被折断。绝缘、屏蔽套管( 如图1 - 6 所示) 则是用于保护 线柬内的电磁信号不受外界干扰。 鬻蜀 图1 - 2 汽车电线图1 - 3 接插件 图1 - 4 紧固件 荔一 圈1 5 橡胶件圈1 - 6 绝缘、屏蔽套管 1 1 2 汽车线束工艺设计 如图1 7 所示，汽车线束的设计与生产主要分为以下三个步骤：电气设计、 工艺设计和线柬生产。在电气设计中，需要根据汽车所需的电气功能绘制电路 原理图。电路原理图是表达各个电气部分之间关系的图形，它不反映电气件彼 此之间怎样连接，不受各个电气元件的尺寸形状和它们之间距离的影响，缺乏 导线的长度以及其它线柬构件的型号等信息，因此电路原理图并不能直接用于 指导汽车线柬的生产。线束工艺设计是在电路原理图的指导下，参照汽车模型， 设计导线在汽车中的走线方式、接插件和包裹件的尺寸形状，制定线柬约束条 件，并绘制出线束工艺图，编制内联工艺卡、预装工艺卡、下线压接卡等工艺 卡片，用于指导汽车线柬生产，简化实际生产过程脚。在线柬工艺设计生成的 各种工艺报寝卡片的基础上，汽车线柬生产人员就可以进行截线、压接、内联、 预装、包裹、总成等汽车线柬工艺。因此汽车线柬工艺设计是汽车线束设计生 产的关键。 电气擞# 、 i 艺设计 k 磊五i ；刊。4 嗲旧丽丽：丽1 7 髫箍徽謦j 笳篙嚣引 粜电8 哩翌ii ：；筹 l ，一“ l i ；藉；i ； 1 1 1 岁剽 图1 - 描述线柬设计生产过程的图 幽i - 8 汽车二维线束幽纸 目前，线束企业已经普遍使用c a d 软件对线柬连接、布局关系进行表示， 图1 - 1 所示即是汽车线柬在汽车车身上的三维连接布局关系。为了进行线束的 工艺设计和指导线柬生产，线柬设计人员通常还需在三维连接布局模型的基础 上生成二维图纸，以表示线柬构件的捧布方式、线柬布局、内联关系等信息， 一 镬一 称为线束工艺图纸，如图1 8 所示。 然而目前线束工艺设计却存在很多问题： 首先，虽然线束企业已使用c a d 软件进行线束图纸的描述，但是通用的 c a d 软件不能表示线束之间的相互连接关系和领域知识，因此仅把它当作电子 绘图工具来使用，从而导致了在进行线束工艺设计时工艺人员仍采用手工制作 工艺卡的现状，工艺人员需花费大量的时间从事简单的制卡工作，费时费力， 错误率高、效率低。 其次，近年来由于汽车燃油消耗的不断增加和汽车排放问题的加剧，汽车 节油、环保问题日益突出，国内外各大汽车制造商纷纷开发新型混合动力汽车、 燃料电池汽车等以替代传统燃油动力汽车。随着各种新型动力系统的使用，汽 车的电子控制单元逐渐增加，汽车电子控制系统越来越复杂；与此同时，作为 汽车中枢神经系统的线束和配套的电器插接件数量成倍上升。目前，一辆汽车 所用的线束总长度竟达到了4 0 0 0 米，新型动力汽车的内部构造比传统燃油动力 汽车的内部结构更复杂【4 1 。与传统的燃油动力汽车相比，新型动力汽车多配有 高压电路，从而对汽车线束的承载能力也提出了更高的要求。因此，面对更加 复杂的线束设计要求，保证设计结果的正确性、提高效率是满足新型动力汽车 对线束的要求的关键。 再者，相关资料表明，2 0 0 5 年全国汽车产量达到5 7 0 万辆，到2 0 1 0 年， 中国汽车年产量将达到1 0 0 0 万辆。汽车产业的蓬勃发展带动了汽车线束市场的 强劲需求，2 0 0 5 年中国汽车线束总成达到约5 6 0 万套，到2 0 10 年，预计将达 到1 1 0 0 万套【2 1 。因此，提高线束的设计效率是提高企业竞争力、加快企业的自 动化和信息化步伐的重要手段。 综上所述，面对汽车线束的工艺设计现状和汽车产业的蓬勃发展，开发线 束工艺设计软件，提高线束工艺设计的效率和质量是线束企业发展的必然选择。 作者所在的v c c ( 可视化与协同计算) 研究室针对线束生产实际情况，开 发了基于a u t o c a d 平台的“汽车线束工艺设计软件”。该软件通过对线束图纸进 行分析和理解，辅助线束工艺设计人员编制品号明细表、回路明细表：实现预 装工艺卡、内联工艺卡、排线图、套管用量表的半自动生成，下线压接工艺卡、 物料明细表、整车物料明细表自动生成，大大提高了线束工艺设计的质量和效 率，且在实际应用中表现良好。 1 2 问题的提出 线束工艺图是设计人员使用c a d 软件绘制的用来表示组成部件的排布方 式和线束连接关系的图纸。它是线束设计人员描述、表达设计思想的主要工具， 同时也是制定线束工艺、生成各种卡片的主要数据来源，所以其在线束生产流 程中处于关键地位。 线束工艺图依据使用场合需要有多种输出形式，包括需要表达的内容、图 纸风格以及图纸的布局。例如，在生产流水线上使用的流水板图、工程技术人 员面对的工艺图、提交客户的客户图纸以及用于检修和存档的图纸，虽为同一 产品的图纸，然而布局、风格完全不同。而且，线束设计人员绘制的图纸，往 往布局不合理，而目前的c a d 系统很少能够自动出图，已有出图系统的出图 效果不够理想，除了图纸内容需要修改的工作量比较大以外，图纸中图块的排 版布局问题仍没有得到很好解决。 汽车线束设计与生产过程中涉及多种类型的图纸，它们均直接或间接源于 线束设计人员绘制的线束工艺图。然而以往c a d 在线束设计阶段仅仅作为电 子绘图板，缺乏对线束工艺图的表示和语义理解，所有后续图纸均需手工绘制、 布局出图，耗费了设计人员大量的时间和精力。 由此可见，图纸布局贯穿线束工艺设计的各个阶段，实现线束工艺图的自 动布局，是提高线束工艺图纸出图效果和效率的重要手段，也为产生其它衍生 图纸奠定了基础。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 图纸布局概述 布局和布置设计问题【5 】( p a c k i n gp r o b l e ma n dl a y o u td e s i g n ) 是给定一个 布局空间和若干待布物体，将待布物体合理地放置在空间中满足必要的约束， 并达到某种指标，布局问题大量地出现在机械制造、皮革服装、交通、大规模 集成电路等诸多领域【6 】。自1 8 31 年高斯( g a u s s ) 研究格的有关布局问题开始， 至今已有百余年的历史，在文献上始见于1 9 3 0 年k a n t o r o v i c h 的俄文文章，但 迄今尚无成熟的理论和有效的数值计算方法r 7 1 。现已证明，任意图的布局问题 一属于n p 完全问题，尚无标准通用求解算法。 在工程设计中，布局按照其目的不同可分为切割填装问题瞵】( c u t t i n ga n d p a c k i n gp r o b l e m s ) 和排图优化问题【9 ( o p t i m i z a t i o nl a y o u t ) 。切割问题通常是指 在一种材料上寻找各种形状的最佳布局以使材料的浪费率最小，而填装问题是 将若干部件以最佳( 较佳) 的组合方式装入一个大的空间( 布局空间) 以使空 间的利用率最大。切割问题和填装问题都是寻求整体中部分的排布关系，本质 上属于同一问题。排图优化问题主要是产生符合美观特征或某些约束的图形表 示，目的在于便利图形的理解和交流，故被广泛应用于大规模集成电路、信息 获取、数值分析、图论、调度等领域【9 1 。 国外关于图和图纸的绘制布局( c r e a t i o nl a y o u t ) 与调整布局( a d j u s t l a y o u t ) 问题一直有研究 1 0 】【l l 】【1 2 】，对布局算法在文档布局( 13 1 、u m l 用例图【1 4 1 和类图【l 5 】【l6 1 、电路图布局等实际问题中的应用进行了研究。国内对于布局的研 究始于2 0 世纪8 0 年代，主要集中于生产过程中的冲裁件布局( 排样) 、矩形和 异形件布局( 排样) 以及三维布局问题。在研究布局算法的同时，国内学者也 4 开发了些布局和排样软件。华中科技大学最早开发了冲裁件排样系统；滕弘 飞等对航天器舱布局方案设计、查建中等对集装箱装运问题进行了研究和开发。 目前，国内学者已意识到对布局问题的研究在广度和深度上与国外的差距，布 局问题正成为研究的一个热点。 1 3 2 图纸布局的求解方法 图纸布局是在指定的布局区域内对待布图形的重新排布，目前布局问题的 求解方法主要包括： ( 1 ) 数学方法【6 】。布局问题被抽象简化为一定的数学模型后，通常采用数学 规划或数值优化的求解方法。数学规划方法依赖于数学模型解析性而导致局部 最优解的局限性为很多研究者所重视，他们采用具有全局搜索能力的计算智能 算法与局部搜索的数学规划算法相结合，得到较好的结果。数值优化方法只能 找到局部最优解，所得解的质量在很大程度上依赖于初始解的选择，因而一些 学者致力于研究布局初始方案的自动生成方法。 ( 2 ) 图论方法【6 】。以图中的节点代表待布局物体，弧线代表布局物体之间的 关联关系，由此将布局问题转化为一个已知的连接图中寻找最大独立集或最大 权平面图子问题，借助图论方法、分支界定、整数规划以及动态规划等方法进 行求解。布局问题的图论方法只限于小规模规则物体布局问题的求解，当布局 问题的规模较大且涉及不规则物体时，布局问题的图论求解方法不再适用。 ( 3 ) 专家系统技术【6 】。布局问题是一个领域性很强的问题，利用专家系统与 适合于某一领域的知识模型相结合是解决具体领域计算机布局设计的有效方 法，并对布局知识获取、描述和创造性推理有很多有益的研究。 ( 4 ) 启发式方法。布局问题是应用背景较强的离散组合最优化问题，即使 是最简单的规则形体布局问题，也属于n p 完全问题。启发式方法因其易于融 合各种限制条件和具体目标，在实际生产排样中起着重要作用。d a g l i t l 7 提出了 一种基于图案子集的启发式算法，在图形组合较少的情况上取得了较好的效率。 ( 5 ) 智能优化算法。2 0 世纪9 0 年代后，随着智能优化算法的日益成熟及其 在t s p ( t r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ) 问题、空间分配、任务调度等组合优化 问题方面的成功应用，智能优化算法与布局算法相结合被用于布局问题的求解。 文献 1 8 1 9 针对流程工厂设计过程中空间管道布局问题，应用目标分解的方法 建立了数学模型，并应用进化策略方法求解此模型。文献印鉴【9 】基于遗传算法 实现了二维不规则形状物体的最优布局求解。文献 2 0 和 2 1 1 分别研究了遗传模 拟退火算法和自适应粒子群算法与布局规则相结合求解二维布局问题的方法。 ( 6 ) 力导向算法( f o r c e d i r e c t e da l g o r i t h m s ) 。基于力导向模型 ( f o r c e d i r e c t e dm o d e l ) 的布局算法( 简称力导向算法) 是无向图布局的有效 算法。该类算法源于p e t e re a d e s t 2 2 】的弹簧布局算法( s p r i n ga l g o r i t h m ) ，其基本 思想是将图中的点视作刚性环( s t e e lr i n g s ) ，以弹簧( s p r i n g ) 替代点与点之 间的连线，从而将图模拟为力学系统，通过基于弹簧性质的算法使系统能量达 到最低，完成图的布局。力导向布局算法【2 3 】( f o r c e d i r e c t e dl a y o u ta 1 9 0 r i t h m ) 是用类似弹簧等力学系统模拟图和图形，通过模拟物理系统的自然分布实现图 的布局，目前在图和图纸的布局中有诸多应用2 4 儿2 5 1 。 1 3 3 存在的主要问题分析 近年来，随着计算科学的飞速发展和广泛应用，数据量的快速增长常使人 们很难从大量数据中快速发现内在规律和联系，因此，以图形图像表达现实世 界事物和概念的可视化技术在社会关系、交互系统、自动理论等领域得到广泛 应用【2 6 】【2 们。在布局合理的情况下，图形才能更直观地表达意图。然而，布局问 题的建模和求解都非常困难【6 1 ，无论在理论上还是工程实践上，图纸布局问题 是一个长久以来人们关注的亟待解决而又未很好解决的重要问题，存在的主要 问题有【2 9 】： ( 1 ) 缺乏对工程图纸建立完整意义的信息表示方法。工程图是工程技术人 员描述设计的对象、表达设计思想的主要工具，但全世界现有的8 0 亿张工程图 纸中，超过8 5 以上是人工绘制的。现有的通用c a d 系统并未实现工程图纸 中各零部件的完整表示。 ( 2 ) 布局问题描述。布局问题的有效、精确表达是解决问题的前提和基础， 目前多用数学模型来描述布局问题，若模型简单则不能概括必要内容，若模型 过于复杂，又无法求解。另外，缺乏包含数学、仿真、符号的复杂模型研究， 缺乏将工程复杂布局问题从一个复杂工程系统角度去研究。 ( 3 ) 布局模型和布局策略缺乏普适性。从布局问题提出至今，产生了诸如 正交式、层次式和基于力导向等多种布局模型和布局策略，这些布局模型多是 与具体问题相关联，实际应用中必须考虑领域知识。 ( 4 ) 工程应用范围小。在图的理论研究中，学者提出了许多布局算法，如 在图的平面嵌入( p l a n a re m b e d d i n g ) 中就有多种算法【3 0 】。但布局相关联的技 术并没有在布局方案的设计中得到充分应用。文献【1 4 】【1 5 】等对布局在u m l 中的 应用进行了研究，但是诸如i b mr a t i o n a lr o s e 等c a s e 工具中图形的布局仍不 甚理想。 ( 5 ) 模型求解复杂【6 1 。布局空间和待布物体的建模必须适合布局过程的计算 和决策特点；布局过程涉及的约束和目标有些可用数学模型描述，有些则成非 结构化或病态结构而无法用模型表示。布局问题属组合优化问题，用数学优化 模型描述的布局问题，尽管已做了简化，但与实际相差甚远，仍属于n p 一完全 问题，在有限时间内得不到精确解。 1 3 4 线束图纸布局 目前，国内外对线束领域的研究集中在电气设计 3 1 1 、电器件物理设计【3 2 1 、 6 产品数据管理、流程监控和质量控制等领域【3 3 1 ，并未涉及到线束图纸的表示和 自动布局。 v c c 研究室对汽车线束领域知识进行了深入了解，对线束工艺设计进行了 研究。通过对线束各种组成部件进行总结、分类，建立了线束标准件数据库【3 4 1 ， 为线束工艺建模和工艺设计奠定了基础；通过建立线束工艺图模型【3 习，实现了 线束图纸的统一、完整表示：基于图论和参数化思想实现了多连通图的表示和 自动分解【3 6 1 ，完成了线束连接关系的有效表示；对内联和预装工艺进行了深入 探索，实现了内联 3 7 】和预装3 8 1 卡片的自动产生和预装工艺的智能交互控制。 汽车线束图纸是工艺人员使用通用c a d 软件绘制的表示制造工艺的平面 图，使用接插件的正视图表示接插件，以直线表示关联接插件的线束，并以实 物象形图表示附着在接插件和线束上的其它部件。汽车线束图纸的布局主要是 在布图区域内确定电器件位置和线束走向以使排图美观，而不仅为减小布局空 间。 通过上述分析可知，由于国内对图纸的布局鲜有研究，对汽车线束图纸的 表示和自动布局目前尚无有效的理论和方案。因此，本文在对汽车线束图纸和 图的布局算法进行深入研究的基础上，首先，分析了汽车线束和接插件在线束 图纸中表示特征，提出基于参数化的线束连接图表示方法；其次，将基于物理 系统的布局理论引入汽车线束图纸布局中，结合启发式规则实现线束连接图的 自动布局；最后，总结了接插件在汽车线束图纸中的排布规律，提出了线束接 插件的布局规则，最终结合线束和接插件的布局，实现汽车线束图的自动布局。 1 4 课题来源 本论文主要得到了国家自然科学基金项目“科学计算中面向建模的多态机 理研究”( 6 0 6 7 3 2 0 8 ) 、江淮汽车合肥工大汽车技术研究院三期项目“江淮汽车线 束工艺设计软件开发”、合肥市应用技术研究与开发项目“基于信号量机制的生 产调度及其可视化”( 2 0 0 8 1 0 0 4 ) 以及v c c 一合肥得润电子器件有限公司“合肥得 润生产管理信息系统”的共同资助。 1 5 论文内容安排 汽车线束工艺设计软件根据用户绘制的线束工艺图纸辅助设计人员进行线 束工艺设计，自动生成用于指导生产的各类图纸和文档。由于用途不同以及图 纸排版需要，对线束图纸进行布局是产生合格图纸的重要步骤。论文针对汽车 线束图纸的特点，提出汽车线束图纸的多连通图表示方法，基于力导向算法实 现汽车线束工艺图纸的自动布局。论文各章主要内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍论文工作的研究背景和国内外研究现状。首先介 绍了汽车线束和汽车线束设计的一些概念，据此提出汽车线束图纸布局的紧迫 性和意义。然后对国内外对图和图纸布局的研究进行了回顾，主要从目前图纸 7 布局研究和应用的现状、图纸布局的求解方法以及存在的问题三个方面进行了 总结与分析。最后给出课题的来源和论文的内容安排。 第二章主要介绍汽车线束工艺设计系统和汽车线束图纸自动布局系统的框 架。首先说明了论文中出现的相关概念和术语，给出了汽车线束工艺设计系统 的架构，以此说明汽车线束图纸自动布局的重要性。然后介绍了汽车线束图纸 自动布局系统的布局对象和系统流程。最后，针对布局对象和软件开发需求， 提出了论文的关键技术，并对其进行了分析。 第三章主要对汽车线束构件建模和汽车线束工艺图模型进行了介绍。首先 分析了线束工艺图表达方式的多样性以及各种汽车线束构件的建模；然后重点 介绍了基于参数化的多连通图表示方法，以此来建立线束工艺图模型。在介绍 工艺图模型时首先总结并分析了参数化在线束图纸中的运用，然后给出了多连 通图的概念和模型表示，最后讨论了多连通图的分解算法以复原线束图纸的物 理意义。 第四章主要介绍汽车线束图纸中线束段的布局，即线束连接图的布局。首 先，在总结图形布局理论的基础上，结合线束连接图的特征和布局需求，建立 了基于力导向的布局模型。然后，总结并分析了线束连接图的布局规则，为基 于力导向线束连接图布局提供约束；最后，提出了基于力导向的线束连接图自 动布局算法，主要从线束主干搜索、约束对称布局和算法流程三个方面进行讨 论，并给出了试验分析。 第五章主要介绍在线束连接图布局的基础上，结合线束接插件和附着件布 局，实现汽车线束图纸的自动布局。首先，提出了线束接插件的布局规则和重 叠消除策略，完成线束接插件的布局。然后讨论附着件布局性质，据此完成附 着件布局。最后介绍了线束图纸的自动布局过程，并给出了线束图纸布局系统 的设计方案。 第六章为论文工作的总结与展望，在总结论文工作的同时对后续工作进行 展望。 第二章汽车线束图纸自动布局系统 汽车线束工艺设计的主要任务是完成材料的选型、用量和布置连接，是由 线束电气设计和电器件工程设计向线束产品转化的必需步骤。线束工艺设计系 统通过辅助设计并分析线束工艺图，自动生成各种报表和工艺卡片，提高线束 工艺设计的效率。线束图纸是其它工艺的主要数据来源，在汽车线束工艺设计 系统中，线束工艺图的绘制占据了总用时的8 0 以上，因此，对汽车线束工艺 图进行自动布局、提高其绘制效率是加速汽车线束工艺设计的有效手段。 2 1 相关概念和术语 线束工艺图 品号明细表 回路明细表 内联工艺 内联工艺卡 下线压接工艺 下线压接卡 预装工艺 预装工艺卡 套管用量表 物料明细表 又称标准模板图、流水板图等，以1 ：1 比例绘制的用来表示 汽车线束的连接关系、线束布线、辅助部件以及可能的内联 关系等信息的c a d 图纸，主要用于线束总成的现场布线。 以b o m 形式存在的，用来表示线束工艺图上与默认导线品 号相异的导线品号。 当线束工艺图中没有表示出内联信息时，提供的以报表形式 存在的用来表示线束内联关系的表格。 为了节省线束原料，降低线束生产的成本，将两根及以上的 导线通过内联端子连接起来的工艺步骤。 用来指导内联工艺的卡片，卡片上标出了参与内联的导线线 号、线径、品号、颜色以及内联端子型号等信息。 分为两个工艺步骤：下线工艺是按照线束工艺的要求，将成 捆的导线截成长度不一的导线；压接工艺是将截断的导线两 端压接上不同型号的端子。 用来指导下线压接工艺的卡片，卡片上指出了导线的品号、 线径、头剥与尾剥、头冲与尾冲等信息。 为了简化线束总成的操作，将整个汽车线束分成多个组成部 分，每个部分可以独立进行分装，然后组装成整车线束。划 分汽车线束的过程就称为预装工艺。 用来指导预装工艺的卡片，卡片上指出了将要预装的导线、 护套、搭铁等部件。 以b o m 形式存在的，用来统计整个线束工艺流程所消耗的 各种套管、绒布、胶带用量的报表。 用来表示整个线束工艺流程所需要的各种物料信息的报表。 2 2 汽车线束工艺设计系统 汽车线束工艺设计软件是v c c 研究室针对线束生产实际情况，开发的基于 9 a u t o c a d 平台的二维线束工艺辅助设计软件系统。该汽车线束工艺设计软件通 过建立工程数据库，辅助线柬工艺设计人员编制品号明细表、回路明细表，绘 制线束工艺图，获得系统的输入数据；协助工艺设计人员进行工艺设计，自动 生成内联工艺卡、下线压接卡、预装工艺卡、排线图、套管用量表；并对物料 进行分析统计，自动输出物料明细表和整车物料明细表。该系统按照面向对象 思想设计实现，可配置性和移植性好，能迅速按照汽车实际生产情况进行部署 系统的整体架构如图2 - 1 所示。其中支撑数据模块中的标准器件库、工程参数 文件( 如图纸和卡片格式、报表格式、设计参数、企业信息参数等) 、规则库( 如 图2 一i 线柬工艺设计系统结构图 由图2 1 可以看出线柬工艺图模型表示了线束工艺设计所需的全部信息， 因此建立完整的线柬工艺圈模型是完成线柬工艺分析和设计的关键，其主体为 线柬工艺图纸。线柬工艺图纸是设计人员使用c a d 软件绘制的表示线束构件 排布方式和线束连接关系的图纸，包含了线束工艺设计的主要信息，是建立线 柬工艺模型的主要数据来源。 汽车线柬图纸依据使用场合分为供工程技术人员使用的工艺图、供现场装 配作业的流水板图、供维修检测的检测图以及提交给上游客户的客户图等，它 们的主要差别在于圉纸的布局方式。但由于通用c a d 系统不能理解线束的连 接关系和领域知识，故各类图纸均需单独手工绘制。另一方面，工艺设计人员 绘图时缺乏整体感，线束工艺图布局不合理，且各人风格不同、难以统一。因 此，研究线束图纸的自动布局，以实现汽车线束图纸的高效出图，为各类线束 图纸的转换奠定了基础。 2 3 汽车线束图纸自动布局系统 线束图纸是用来表示线束构件的排布方式、布局、连接关系等信息的二维 平面图。按照构件图形表示方式的不同，线束图纸中的构件可以分为线束、接 插件和附着件，其中线束连接图表示导线及其布局关系，接插件和附着件表示 接插件、紧固件、橡胶件的图形特征和与导线的连接关系，如图2 2 所示。其 中如部件所示的8 个图形表示接插件，部件表现连接接插件等接插件的线 束。 o 冈i 。蚤l - l 纠f 。ll l 。 l 蠢。 l 孰o o -_pn jt f r- 、_o-1 1 0i r 1 d 夕1 、一7 l 灰 少 。1 7己1 i rpr a 8 j0 jo j i 又同 j _ 州。l 7 黼 图2 - 2 汽车线束示意图 从图2 2 中可以看出，同线路的一束导线在图