动车组车体快速设计系统研究与优化

米小珍，苏允飞，王枫

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 3.大连交通大学 现代轨道交通研究院，辽宁 大连 116028)



动车组车体快速设计系统研究与优化

米小珍1，苏允飞2，王枫3

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028； 3.大连交通大学 现代轨道交通研究院，辽宁 大连 116028)

对动车组车体快速设计系统的模型参数化、程序设计及实现进行研究.采用基于骨架自顶向下、模块化、参数化及Pro/Program的设计方法创建车体参数化模型，借助Pro/Toolkit二次开发工具及Visual Studio开发环境，完成车体快速设计系统的开发和系统优化.指出系统程序优化的重点主要在于车窗车门部分快速设计的程序实现，并提出基于代码调整和算法结构两个层级的优化策略，代码调整方法通过调用自定义函数的方法来优化车窗车门程序，算法结构方法从程序逻辑结构的角度对车门程序进行了优化.最后对比分析了两种方法的优缺点，确定在动车组车体快速设计系统程序设计过程中采用函数调用的方法更加合适.

动车组车体；快速设计；系统优化；参数化

0 引言

动车组的引进为我国铁路客运带来更大的发展空间，如何在成熟车型基础上快速开发新的车型系列、缩短产品开发周期、快速响应市场变化、降低成本、提高经济效益，是企业面临的重要挑战.动车组车体是大型装配体结构，其三维模型具有信息量大、结构复杂和参数多等特点.采用基于骨架的自顶向下[1-3]、模块化、参数化及Pro/Program设计方法创建车体参数化模型[4-7]，创建具有多层骨架体系结构的多模块参数化车体组件，建立该模型各模块各层级骨架关联关系，利用Pro/Program和骨架参数分别控制多模板车窗的自由组合，并确保整个组件结构的变化一致性，可以保证车体快速设计中模型的正确再生.

在对车体进行快速设计开发中，参数化模型需要具备组件协同变型的功能，即当改变顶层结构尺寸时，底层的相关结构尺寸同步变化，亦可理解为设计信息在整个组件中正确传递；同时参数化模型要满足车窗、车门等数量及结构随着列车编组的不同呈现出多样性的特点.参数化模型建立之前，需要合理选择建模方法、骨架层次结构及设计参数，建模方法不仅体现了建模过程，同时也反应了产品设计思想.选择不同方法建立模型树结构、模型参数及尺寸，程序结构与实现方法也不尽相同.与简单模型不同，复杂模型中参数化建模占据了更为重要的位置，直接影响系统程序设计和程序质量，优质的程序可读性及稳定性好、易于管理，且方便系统的后续开发与维护.因此，在参数化模型成功创建及系统正确实现后，对系统程序作进一步的优化是非常必要的.

本文在Pro/Engineer环境下，通过参数化建模配合Pro/Program二次开发方法实现了车体模型的快速创建，并借助Pro/Toolkit二次开发[8-12]工具及Visual Studio开发环境，完成了车体快速设计系统的开发和系统优化.

1 动车组车体快速设计系统研究

1.1 车体快速设计系统实现方法

快速设计系统主要通过参数化建模配合Pro/Toolkit二次开发的方法来实现.参数化建模采用自顶向下、模块化、参数化及Pro/Program设计方法创建参数化模型.利用骨架建模功能，创建多层骨架结构的多模块车体模型，在TBS模型(顶层基础骨架)中定义参数并设定尺寸关系，完成车体模型的参数化，将各模块所需几何信息相关特征进行发布，底层骨架复制发布几何，继承参数，实现设计参数在整车模型自TBS向下的完美传递，并通过Pro/Program程序IF......END IF语句控制模型某类型车窗模板的显示与否以及各级骨架之间变化的一致性，完成参数化模型的正确再生.同时，基于Pro/Toolkit底层函数实现Visual Studio环境下系统编程，创建动态链接库(dll)工程文件，设计人性化的MFC对话框，开发具备友好操作界面的车体快速设计系统.

从开发角度，基于多层骨架的动车组车体快速设计系统包括三部分：参数化模型、工程文件、注册文件.参数化模型是快速设计系统的基础，其实现方法受系统功能需求所限制，而建模方法和过程决定了程序的实现过程，进一步影响到程序的质量.工程文件是实现系统功能的核心，涉及资源添加与源文件编制.资源文件包括图片、对话框等，对话框利用控件编辑工具完成交互界面的设计，创建可视化人机交互界面；源文件是程序开发的核心，主程序源文件包含系统程序的入口点和结束点，其他源文件通过创建基于CDialog类的子类来添加，其中定义对话框相关控件的数据变量，控件属性，消息传递，按钮功能及初始化函数等；注册文件是一个*.dat文本文件，主要用来启动系统经过编译后生成的dll动态链接库.

1.2 车体参数化建模技术

车体承载结构主要由底架、侧墙、车顶、端墙组成.底架通常挂靠镶嵌各种附件；侧墙结构有车窗车门及一些用于内装等的C型或L型导轨，其中，中间车两端都有车门，头车有一个车门，餐车没有车门；车顶分高顶、平顶，安装的设备包括空调、受电弓等；端墙主要由门框、角柱、端墙板和端墙附件四部分组成[13-14]，因此，模块化车体模型主要包括底架、侧墙、车顶、端墙四个模块.

车体参数化模型的创建，要充分考虑后续变化的灵活性和设计变型的一致性，保证车体设计参数能完整地复制表达到各部件中，确保参数的完整传递才能使相关的设计修改最大限度地由计算机自动完成.利用Pro/E骨架模型的“发布、复制几何”方式实现设计意图自顶向下传递，创建多层骨架体系结构，进而达到整车设计参数传递以及各部件模型之间的设计关联.

根据车体结构特点及功能需要，创建过程分为五部分，包括车体多层骨架模型、车顶子组件、侧墙子组件、端墙子组件、底架子组件.首先创建车体多层骨架模型，依次添加各子组件，各子组件通过骨架结构实体化生成.多层骨架中TBS模型最先被创建，位于模型树的顶端，其包括车体设计所需要的全部特征参数及参照，特征参数主要包括车体、车窗、车门及切口等结构的相关参数，参照主要包括坐标、点、线、面，除用来确定结构空间位置，还可定义尺寸关系.Pro/Engineer提供的参数、关系工具可以对模型进行参数化，通过参数和关系定义实现TBS模型中自定义参数与模型特征某一尺寸的关联，完成对TBS模型的参数化，参数化过程中所涉及的参数本系统定义为设计参数.对已参数化的TBS模型中各子组件需要的几何特征进行发布，各子组件通过复制已发布的相应几何特征，来继承该模块所需参数及参照，创建各自对应的子骨架模型，构建出多层骨架模型体系结构，实现车体信息自顶向下的传递及车体组件中各子组件之间的关联性.

至此，宏观角度，参数化车体模型的创建基本完成，微观角度的局部问题——车窗车门自由设计——还没得到实现，车窗结构和数量的设计采用多模板独立控制的方法，而车门采用两端独立控制，通过Pro/Program编制自定义变量和程序控制某一车窗类型模板及某端车门的显示与否，实现车窗车门变化多样性的要求，最终完成全部车体快速设计，该部分所涉及变量本系统定义为控制变量.

2 系统程序优化分析

车体快速设计系统中除侧墙上车门车窗结构外，其他结构的快速设计都基于唯一尺寸驱动，即不管何种情况驱动参数始终保持不变.车门车窗除了大小尺寸需要变化外，数量也需呈现多样性，同时保证同一数量情况下各个窗口之间参数互不干涉.基于车体中间窗数量一般在8～11之间变化，系统采用多模板方法来解决，该方法具有直观，容易理解，便于实施的优点，如图1所示.

侧墙上一位端车门、一位端小窗、中间大窗、二位端小窗、二位端车门五部分是相互对立的模块，任何一个模块的调用都不影响其他模块.一位端小窗、每种中间大窗类型和二位端小窗又各自分别包括内大外小、内小外大及直通三种车窗切口，三种形式彼此独立.通过小窗与大窗的自由组合，生成多种车窗类型，实现车窗快速设计；车门通过对一二位端门独立控制，实现车门的自由设计.由于车体模型具有多层骨架体系结构，因此，当选择一种车窗类型后，每层骨架都需要定义相关的控制变量，即Pro/Program定义的变量，以保证各层骨架中车门数量和车窗数量及切口形式的一致性.每个变量的完整控制需要调用ProStringToWstring()、 ProStringToWstring() 、ProParameterValueSet() 等5个Pro/Toolkit底层函数语句.

图1 车窗车门多模板方法

当定义的控制变量越多，重复使用的Pro/Toolkit函数越多，导致代码无节制变长，只要变量增加，代码长度就增加，使程序变得臃肿，可读性降低，不便于程序管理，更不便于系统的后续开发.所以，车窗车门快速设计的程序实现是提高车体快速设计系统程序质量的首要问题，也是车体快速设计系统优化的主要重点.

图2 车窗车门程序流程图

3 系统程序优化策略

车体快速设计系统程序优化从程序结构和代码两方面进行优化.程序结构优化从代码调整角度进行优化，代码优化从算法角度进行，它们依次产生更显著的优化效果.针对车窗车门存在的问题，从代码调整和算法结构两个层级分别给出优化策略.优化前车窗车门快速设计程序流程图如图2所示.其中每个变量的控制需要5个语句，大窗4个变量，小窗8个变量.小窗有三种情况：0个、1个、2个.所以在不考虑其他相关变量、语句的情况下，循环体中车窗变量控制语句行数达到280行，每次执行有120行.其中，反复大量使用却只有5个语句，唯一不同的是函数实参列表.

车体一位侧两端车门与二位侧两端车门分别是各自独立的四个模块，各层骨架中都单独控制.系统程序为了使车门控制更加灵活，每侧车门给出0、1、2三种情况，每个变量的控制需要5个语句，循环体中完整控制车门变化需要300行语句，每次执行其中100行.

3.1 基于代码调整的优化策略

代码调整主要面向代码，是一种局部的思维方式.将上述重复使用的Pro/Toolkit函数定义为具有特定功能的自定义函数，并在程序源文件开始部分添加函数的声明，通过调用该函数来控制车门车窗数量和切口类型的快速变形.

通过调用自定义函数进行优化后，车窗部分循环体中控制语句只有56行，每次执行的有24行，车门部分循环体控制语句只有60行，每次执行20行，显著的减少车窗车门程序代码长度，程序更加简洁，方便管理，提高车体快速设计系统整体质量.

3.2 基于算法结构的优化策略

算法结构强调的重点是针对问题的算法，即选择和构造适合于问题的算法.由于车门两侧变量的设置很相似，利用条件表达式可以从程序逻辑结构上进行优化，优化后的程序流程图如图3所示.

在不考虑其他相关变量、语句情况下，上述程序循环体中车门完整控制需要45行语句，每次执行41行，缩短了代码长度，虽然相对函数调用执行语句的行数有所增加，但运行速度得到了提高.缺点是条件表达式复杂，for循环语句及switch和 if控制语句相互嵌套使程序的可读性降低，导致程序不够灵活，即车门部分相关变量名稍微的改动，程序的变动量很大，甚至必须重新编写.可以看出，优化代码和优化速度实际上是一个予盾的统一，一般优化了代码的尺寸(指执行的代码)，就会带来执行时间的增加，如果优化了程序的执行速度，通常会带来代码增加的副作用，很难鱼与熊掌兼得，只能在设计时掌握一个平衡点.根据具体情况，本系统采用自定义函数调用的方法，以满足车体快速设计系统变动的需要.

图3 优化后的车门程序流程图

4 结论

通过对车体快速设计系统模型参数化、程序设计及实现的具体研究与分析，车体参数化模型主要采用基于骨架自顶向下、模块化、参数化及Pro/Program的设计方法来创建，并利用Pro/Toolkit二次开发工具及Visual Studio开发环境，完成车体快速设计系统的开发和系统优化.同时，总结了系统优化的重点在于车窗车门部分快速变形的程序实现，并从代码调整和算法结构两个层级对系统进行了优化.代码调整通过自定义函数调用的方法对车窗车门程序进行优化，该方法达到了很好的程序优化效果，算法结构从程序逻辑结构角度对车门进行优化，虽然该方法优化了代码，提高了运行速度，但程序可读性及灵活性降低了.针对本系统实际情况，在系统程序设计过程中采用函数调用的方法更加合适.

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Research and Optimization of Rapid Design System for EMU Body

MI Xiaozhen1，SU Yunfei2，WANG Feng3

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China； 3.Modern Railway & Transportation Institute,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

The parametric models, program design and implementation of rapid design system for EMU Body are studied.EMU body models are created by use of top-down skeleton,parametric and modular technologies,and the rapid design system is implemented on Visual studio by Pro/Toolkit.The main focus of the program optimization is the implement of rapid design for windows and doors on body.Two levels of optimization strategies are proposed based on code adjustment and algorithm structure.The code adjusting method is used to optimize the rapid design of windows and doors by calling self-defined functions.The algorithm method is used to optimize the rapid design of body doors from the perspective of the logical structure.The advantages and disadvantages of the two methods are compared and analyzed,and the function calling method is more appropriate in the system program design.

EMU body;rapid design;system optimization;parametric design

1673-9590(2015)03-0043-05

2014-10-10

米小珍(1962-)，女，教授，博士，主要从事企业集成、协同设计与集成管理的研究E-mail:mxz@djtu.edu.cn.

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