康焱，劉剛，張柏楠，王倩，谷巍，王威

1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部 北京 100094 2. 國防科技工業(yè)局 探月與航天工程中心 北京 100190

電纜網(wǎng)是航天器重要組成部分，是航天器能源流和信息流的物理傳輸載體[1-4]。電纜網(wǎng)的設(shè)計過程是包括電總體、機械總體和單機單位在內(nèi)的跨單位、跨專業(yè)的協(xié)同過程。

目前，傳統(tǒng)的航天器電纜網(wǎng)設(shè)計流程如圖1所示。在接到型號任務(wù)后，各單機單位依據(jù)整器電氣接口規(guī)范，開展單機設(shè)備的設(shè)備電氣接口定義，通過與電總體的反復(fù)協(xié)調(diào)和迭代，完成單機設(shè)備接口連接器以及信號去向定義，形成單機設(shè)備接口數(shù)據(jù)表(Interface Data Sheet，IDS)[5]；電總體以IDS為依據(jù)，開展電纜網(wǎng)接點分配與分支設(shè)計，形成包含連接關(guān)系和電性能參數(shù)要求的下廠接點表；機械總體依據(jù)下廠接點表中的連接關(guān)系，開展電纜網(wǎng)三維布線設(shè)計，形成電纜網(wǎng)三維模型；制造廠依據(jù)機械總體和電總體分別下發(fā)的下廠接點表和電纜網(wǎng)三維模型，開展工藝設(shè)計、生產(chǎn)加工、試驗測試和產(chǎn)品交付。

這種傳統(tǒng)的航天器電纜網(wǎng)設(shè)計是以單機IDS作為輸入，電纜網(wǎng)設(shè)計介入晚，不僅缺少總體電氣規(guī)劃，而且電氣設(shè)計和三維布線設(shè)計相互割裂，接口復(fù)雜，協(xié)調(diào)工作量大；在設(shè)計工作量最大和周期最長的三維布線環(huán)節(jié)，需要多人并行開展工作，同時對多束電纜同步設(shè)計，設(shè)計師之間因網(wǎng)絡(luò)通道占用和走向優(yōu)化，需要反復(fù)迭代，設(shè)計效率低，而且缺少航天器整個電纜網(wǎng)絡(luò)通道的頂層規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計；在電纜網(wǎng)下廠環(huán)節(jié)，下游制造廠的設(shè)計輸入分別來源機械總體和電總體，上游輸入不能統(tǒng)一在一起一次下發(fā)，導(dǎo)致設(shè)計與工藝迭代和三方協(xié)調(diào)的工作量巨大。

針對這些長期制約型號任務(wù)的瓶頸問題，本文提出了一種電纜網(wǎng)全息模型，實現(xiàn)了包含全要素信息的完整數(shù)字化定義，并以此為載體，提出了導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速協(xié)同設(shè)計方法，開發(fā)了設(shè)計系統(tǒng)，并開展了工程型號應(yīng)用。

1 面向全生命周期的電纜網(wǎng)全息模型及模型體系

電纜網(wǎng)全息模型以產(chǎn)品的三維模型為載體，以組成電纜網(wǎng)的三類基本要素(電纜分支、電纜導(dǎo)線和電連接器)為基本對象，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)組織形式，把電纜網(wǎng)設(shè)計過程中各類數(shù)據(jù)信息結(jié)構(gòu)化附著在產(chǎn)品的三維模型中，實現(xiàn)面向全要素的完整數(shù)字化定義，解決了傳統(tǒng)三維模型中結(jié)構(gòu)化電性能參數(shù)信息的缺失，承載了傳遞到下游生產(chǎn)活動所需的全部信息。

電纜網(wǎng)全息模型可作為唯一的產(chǎn)品定義，服務(wù)于從設(shè)計、到工藝、到制造、到總裝、到檢驗、到在軌管理的產(chǎn)品全生命周期。該模型不僅面向電纜網(wǎng)設(shè)計階段，作為協(xié)同設(shè)計的數(shù)據(jù)載體和設(shè)計結(jié)果，而且實現(xiàn)了全要素設(shè)計信息統(tǒng)一下廠，成為電纜網(wǎng)工藝設(shè)計和生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，用于電纜網(wǎng)工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造、地面總裝、出廠檢驗和在軌管理。

航天器自頂向下的五層次電纜網(wǎng)全息模型體系如圖2所示，包括艙段信息層(簡稱艙段層)、電纜類型信息層(簡稱電纜類型層)、電纜信息層(簡稱電纜層)、電纜分支信息層(簡稱電纜分支層)和電連接器信息層(簡稱電連接器層)、導(dǎo)線信息層(簡稱導(dǎo)線層)和接點信息層(簡稱接點層)。

艙段層用于描述電纜網(wǎng)所屬的艙段和空間位置關(guān)系信息；電纜類型層用于描述電纜網(wǎng)的具體類型信息，常見的電纜類型包括：高頻電纜、總線電纜、低頻電纜、以太網(wǎng)電纜等；電纜層以電纜代號作為數(shù)據(jù)組織依據(jù)，用于組織電纜配套信息、基本屬性信息、三維模型和分子長度圖等基本設(shè)計信息及模型，如圖3所示；電纜層由電纜分支層和電連接器層兩部分組成，電纜分支層用于組織電纜分支對象信息，如圖4所示，電連接器層用于組織電連接器對象信息，如圖5所示；導(dǎo)線層和接點層分別用于詳細描述電纜分支下全部導(dǎo)線的電性能參數(shù)信息和電連接器下全部接點的電性能參數(shù)信息，以及電纜導(dǎo)線與相應(yīng)的電連接器接點的連接關(guān)系。如在圖2中，代號為TGD0003_01_DL3的導(dǎo)線的始端和終端分別連接的是電連接器A-K801e-X3的接點6和A-S201c-X23的接點2。代號為TGD00003_01_DL3電纜導(dǎo)線電性能參數(shù)如圖6所示，A-S201c-X23的接點2的電性能參數(shù)信息如圖7所示。

2 導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速協(xié)同設(shè)計方法

衛(wèi)星導(dǎo)航已成為人們交通出行必不可少的輔助工具，主要功能包括地圖查詢、目的地選擇和路徑規(guī)劃與指導(dǎo)3部分。本文借鑒衛(wèi)星導(dǎo)航的工作原理，以電纜網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通道作為電纜設(shè)計的“路”、且電纜只能鋪設(shè)在網(wǎng)絡(luò)通道上為基本出發(fā)點，提出了導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速設(shè)計方法。

導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速設(shè)計流程如圖8所示，可分為網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計、連接關(guān)系設(shè)計、三維自動布線、制造與交付4個部分，其中，網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計主要是在航天器整器三維模型上，設(shè)計出用于鋪設(shè)電纜網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通道組成的“地圖”；電纜網(wǎng)連接關(guān)系設(shè)計主要是通過建立設(shè)備間的連接關(guān)系來確定每束電纜的“起始位置”和“目的地”；三維自動布線設(shè)計就是以“起始位置”和“目的地”為約束，約定目標(如電纜質(zhì)量最小)，通過路徑計算算法和自動布線軟件，在網(wǎng)絡(luò)通道“地圖”上自動生成電纜三維模型，形成用于統(tǒng)一下廠的電纜網(wǎng)全息模型。

3 導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)采用面向服務(wù)架構(gòu)(Service Oriented Architecture,SOA)，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準規(guī)范和模型庫為基礎(chǔ)，通過.Net技術(shù)和WebService接口的方式建立各類數(shù)據(jù)及模型的調(diào)用接口，以Intralink和Teamcenter作為底層平臺[6]，建設(shè)了一體化的底層數(shù)據(jù)服務(wù)層，系統(tǒng)功能模塊組成如圖9所示。

基礎(chǔ)庫模塊可分為參數(shù)庫、算法庫和三維模型庫2種類型。其中，參數(shù)庫中的電纜線纜參數(shù)庫、分支長度余量參數(shù)庫和電連接器參數(shù)庫分別定義了各類電纜的基本參數(shù)(如顏色、直徑、允許的轉(zhuǎn)彎半徑、線密度等[7])、分支長度余量算法參數(shù)和各類插頭的基本參數(shù)及對應(yīng)的三維模型信息，如圖10所示。算法庫主要包括自動布線算法庫、小閉環(huán)處理算法庫和電纜展平分支長度圖算法庫。三維模型庫主要包括電連接器模型庫、緊固件模型庫和墊塊模型庫，三維模型利用PRO/E軟件創(chuàng)建，存放在Intralink平臺中，如圖11所示。

網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計模塊由主通道設(shè)計子模塊和網(wǎng)絡(luò)通道設(shè)計子模塊兩部分組成。主通道設(shè)計子模塊用于創(chuàng)建和管理電纜網(wǎng)的主通道特征，人機界面如圖12所示。主通道特性包括通道特性信息、通道容量信息和通道網(wǎng)格點信息，其中，通道特性信息包括截面通道尺寸、通道電纜特性、通道復(fù)合截面形式、通道排數(shù)和通道容量等。在開展某個航天器三維構(gòu)型布局設(shè)計前，根據(jù)航天器功能性能要求，利用電纜網(wǎng)主通道設(shè)計子模塊，完成航天器上全部電纜網(wǎng)主通道的三維設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上開展設(shè)備布局設(shè)計和艙段開口、儀器板開口設(shè)計。

網(wǎng)絡(luò)通道設(shè)計子模塊主要用于整器電纜網(wǎng)絡(luò)通道的三維設(shè)計和路徑數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立。識別電纜布局關(guān)鍵點和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)通道信息(如電纜網(wǎng)主通道、網(wǎng)格筋交匯點、儀器腳印、插座方向、儀器板交接范圍等)，開展網(wǎng)絡(luò)通道的截面形狀設(shè)計(如長方形、圓形)、路線設(shè)計、避讓設(shè)計、容量設(shè)計以及各類電纜網(wǎng)絡(luò)通道間的關(guān)系設(shè)置(包括位置關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系、層次管理和避讓關(guān)系)，設(shè)計形成的電纜網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道如圖13所示。

連接關(guān)系管理模塊通過與專用的電纜網(wǎng)連接關(guān)系輔助設(shè)計軟件集成，實現(xiàn)電纜網(wǎng)電性設(shè)計數(shù)據(jù)的管理和受控，包括集成接口子模塊和連接關(guān)系結(jié)構(gòu)化管理子模塊。電性設(shè)計數(shù)據(jù)包括連接器、Pin腳、連接關(guān)系(導(dǎo)線)、信號等。

自動布線模塊由連接關(guān)系讀取子模塊、三維自動電纜布線子模塊和模型自動裝配子模塊3部分組成。其中，連接關(guān)系讀取子模塊用于獲取和選擇電纜網(wǎng)連接關(guān)系信息；三維電纜布線子模塊據(jù)此確定電纜網(wǎng)的起始和終止位置及連接關(guān)系，并調(diào)取電連接器、卡子、墊塊和緊固件的三維模型和電纜線纜參數(shù)信息，以電纜網(wǎng)絡(luò)通道為依據(jù)，借助電纜網(wǎng)自動布線算法，以約定目標(如電纜重量最小)遍歷整器電纜網(wǎng)絡(luò)通道，尋找最優(yōu)路徑，完成電纜的三維布線，同時依據(jù)余量設(shè)計規(guī)則，補充分支長度余量，形成包含分支長度余量的電纜網(wǎng)三維模型。

電纜網(wǎng)自動布線算法基本思路如圖14所示。首先通過網(wǎng)絡(luò)接入點轉(zhuǎn)換算法，將電纜最優(yōu)路徑問題轉(zhuǎn)化為無向圖最優(yōu)問題[8]。在無向圖中，以路徑長度作為邊的權(quán)值，以一條路徑上所有邊的權(quán)值之和作為該路徑的代價函數(shù)值，比較所有連通起始點與終止點的路徑代價函數(shù)值，進而獲得代價函數(shù)值最小的最優(yōu)路徑。如遇到終止點，認為當前路徑已遍歷完成，計算其從起始點至終止點的路徑代價函數(shù)值，而后退回上一個頂點，繼續(xù)遍歷其他未遍歷的路徑；如遇到“死路”(與當前點相鄰的只有上一個點)或“回頭路”(當前點已經(jīng)遍歷過)，同樣認為當前路徑已經(jīng)遍歷完成，由于沒有找到終止點，因此其路徑代價函數(shù)值為無窮大，而后退回到上一個點，繼續(xù)遍歷其他未遍歷的路徑。當不存在可以遍歷的新路徑時，認為所有路徑均已遍歷完畢。獲取到最優(yōu)路徑后，根據(jù)無向圖與電纜網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，借助Pro/E軟件的Pro/TOOLKIT二次開發(fā)技術(shù)[5,9]，完成電纜的三維自動布線，生成電纜網(wǎng)三維模型。

在最優(yōu)路徑計算中，由于電纜制作工藝需要，新電纜在布線過程中不允許與已布線完成的電纜之間形成封閉環(huán)路(如圖15所示)。因此，在尋優(yōu)過程中，需要判斷每條從起始點到終止點的路徑是否與已布線完成電纜的路徑之間形成封閉環(huán)路。如果存在封閉環(huán)路，則認為該條路徑的代價函數(shù)值為無窮大。

布線檢查模塊主要用于對電纜網(wǎng)三維模型的正確性進行檢查并給出檢查結(jié)果，包括電纜類型檢查、容量檢查、轉(zhuǎn)彎半徑檢查、完整性檢查和干涉檢查。

三維下廠與數(shù)據(jù)包管理模塊由分支長度圖生成子模塊、下廠與數(shù)據(jù)包管理子模塊組成。其中，分支長度圖生成子模塊基于三維模型，自動生成下游工藝系統(tǒng)和工藝現(xiàn)場可以直接使用的分支長度表和標識分支關(guān)系和長度的二維分支長度圖，對電纜路徑點上的關(guān)鍵點分類進行標識，如圖16所示。在生成二維分支長度圖時，針對電纜布線設(shè)計過程中不可避免的閉環(huán)小三角(如圖17所示)，通過以“T”形分叉代替小三角的方法消除閉環(huán)，在這個轉(zhuǎn)換過程中，分支長度的分配過程如圖18所示。圖19為未過濾小閉環(huán)的分支長度圖(單位為mm)，圖20為過濾小閉環(huán)后的電纜分支長度圖(單位為mm)。

下廠與數(shù)據(jù)包管理子模塊通過底層Teamcenter平臺的MultiSite機制實現(xiàn)與下游制造廠現(xiàn)場工藝系統(tǒng)集成[10-11]，實現(xiàn)電纜網(wǎng)全息模型受控下發(fā)制造廠和采集現(xiàn)場填寫的反映電纜網(wǎng)實物實際狀態(tài)的數(shù)據(jù)包。圖21為用于設(shè)計信息統(tǒng)一下廠的電纜網(wǎng)全息模型和電纜導(dǎo)線的實測數(shù)據(jù)包[12]。

4 結(jié) 論

本文提出的導(dǎo)航式電纜網(wǎng)快速設(shè)計方法全線打通了電纜網(wǎng)連接關(guān)系設(shè)計、三維走向與長度設(shè)計、生產(chǎn)制造、驗收等各環(huán)節(jié)單點數(shù)字化應(yīng)用，建立了面向電纜網(wǎng)研制全周期的一體化業(yè)務(wù)流程，全面應(yīng)用到了以空間站為代表的載人航天型號研制中，提高了設(shè)計效率效益，使得空間站某艙段電纜網(wǎng)重量減少17%，綜合設(shè)計效能提高19%。與傳統(tǒng)的電纜網(wǎng)設(shè)計方法相比：

1)該方法將整器的電纜網(wǎng)絡(luò)通道“地圖”設(shè)計和每束電纜的詳細設(shè)計獨立開來，首先構(gòu)建整器級電纜網(wǎng)絡(luò)通道“地圖”，作為后續(xù)開展每束電纜詳細設(shè)計的統(tǒng)一依據(jù)，據(jù)此開展每束電纜網(wǎng)的三維布線設(shè)計。實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通道的頂層規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計，實現(xiàn)了在統(tǒng)一設(shè)計依據(jù)和約束條件下，每束電纜網(wǎng)的并行協(xié)同設(shè)計，有效解決了傳統(tǒng)電纜網(wǎng)設(shè)計中，每束電纜網(wǎng)獨立設(shè)計時的路徑缺少統(tǒng)籌考慮和走向不優(yōu)化的現(xiàn)實問題，減少了協(xié)同設(shè)計過程中的反復(fù)迭代和修改，提升設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

2)實現(xiàn)了電纜網(wǎng)傳統(tǒng)的串行工作模式向并行設(shè)計模式的轉(zhuǎn)變，將設(shè)計工作量最大的三維布線設(shè)計環(huán)節(jié)分為網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計和三維自動布線設(shè)計兩個過程，并把網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計重心提前，實現(xiàn)了機械總體的網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計和電總體的連接關(guān)系設(shè)計的并行協(xié)同，把機械總體和電總體間有迭代關(guān)系的機、電設(shè)計過程實現(xiàn)同步，如設(shè)備布局設(shè)計與電纜網(wǎng)拓撲設(shè)計同步，電纜網(wǎng)穿艙、穿板口設(shè)計與電纜網(wǎng)穿艙、轉(zhuǎn)接設(shè)計同步，免去了過去串行設(shè)計的等待時間，有效縮短了產(chǎn)品研制周期，提高了產(chǎn)品研制的快速響應(yīng)能力和市場競爭力。

3)在網(wǎng)絡(luò)通道三維設(shè)計過程中，把網(wǎng)絡(luò)通道“地圖”設(shè)計分為主通道設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)通道詳細設(shè)計兩個階段。在航天器設(shè)備布局設(shè)計前，先完成以艙段為單位的電纜網(wǎng)主通道設(shè)計，設(shè)備布局設(shè)計時，既要避讓主通道，而且要與主通道留有一定的安全距離；在設(shè)備布局完成后，開展電纜網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道詳細設(shè)計，實現(xiàn)所有設(shè)備電連接器“村村通路”，保證在設(shè)備電連接器150 mm范圍內(nèi)都有網(wǎng)絡(luò)通道。

4)在連接關(guān)系設(shè)計過程中，采用了自頂向下的設(shè)計方式，優(yōu)先開展代表總體電氣規(guī)劃的電纜網(wǎng)拓撲設(shè)計，把電纜網(wǎng)詳細設(shè)計提前到設(shè)備間連接關(guān)系設(shè)計前，不再是簡單了以單機電氣接口定義完成后形成的IDS表作為設(shè)計輸入，進一步加強了航天器總體電氣規(guī)劃和設(shè)計。

5)將成熟型號產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗和環(huán)境資源固化和融合，建立了的參數(shù)庫、算法與規(guī)則庫，提高了電纜三維設(shè)計的規(guī)范性，實現(xiàn)了沿著網(wǎng)絡(luò)通道的自動布線，提升了電纜設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

6)在制造與交付過程中，把電纜網(wǎng)全息模型作為唯一的產(chǎn)品定義，實現(xiàn)了全要素設(shè)計信息統(tǒng)一下廠，代替了傳統(tǒng)的二維圖紙、三維模型和紙質(zhì)文件，并被下游業(yè)務(wù)模塊直接有效使用，成為電纜網(wǎng)工藝設(shè)計和生產(chǎn)制造的唯一依據(jù)，模型一次創(chuàng)建，多次多點應(yīng)用，不僅僅是模型的直接重用，更是各類元數(shù)據(jù)信息的直接重用；同時實現(xiàn)了現(xiàn)場采集的與電纜網(wǎng)產(chǎn)品實物狀態(tài)一一對應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)化返回。