航天器电缆网快速协同设计方法及关键技术

康焱，刘刚，张柏楠，王倩，谷巍，王威

1. 中国空间技术研究院 载人航天总体部 北京 100094 2. 国防科技工业局 探月与航天工程中心 北京 100190

电缆网是航天器重要组成部分，是航天器能源流和信息流的物理传输载体[1-4]。电缆网的设计过程是包括电总体、机械总体和单机单位在内的跨单位、跨专业的协同过程。

目前，传统的航天器电缆网设计流程如图1所示。在接到型号任务后，各单机单位依据整器电气接口规范，开展单机设备的设备电气接口定义，通过与电总体的反复协调和迭代，完成单机设备接口连接器以及信号去向定义，形成单机设备接口数据表(Interface Data Sheet，IDS)[5]；电总体以IDS为依据，开展电缆网接点分配与分支设计，形成包含连接关系和电性能参数要求的下厂接点表；机械总体依据下厂接点表中的连接关系，开展电缆网三维布线设计，形成电缆网三维模型；制造厂依据机械总体和电总体分别下发的下厂接点表和电缆网三维模型，开展工艺设计、生产加工、试验测试和产品交付。

这种传统的航天器电缆网设计是以单机IDS作为输入，电缆网设计介入晚，不仅缺少总体电气规划，而且电气设计和三维布线设计相互割裂，接口复杂，协调工作量大；在设计工作量最大和周期最长的三维布线环节，需要多人并行开展工作，同时对多束电缆同步设计，设计师之间因网络通道占用和走向优化，需要反复迭代，设计效率低，而且缺少航天器整个电缆网络通道的顶层规划和统一设计；在电缆网下厂环节，下游制造厂的设计输入分别来源机械总体和电总体，上游输入不能统一在一起一次下发，导致设计与工艺迭代和三方协调的工作量巨大。

针对这些长期制约型号任务的瓶颈问题，本文提出了一种电缆网全息模型，实现了包含全要素信息的完整数字化定义，并以此为载体，提出了导航式电缆网快速协同设计方法，开发了设计系统，并开展了工程型号应用。

1 面向全生命周期的电缆网全息模型及模型体系

电缆网全息模型以产品的三维模型为载体，以组成电缆网的三类基本要素(电缆分支、电缆导线和电连接器)为基本对象，以产品结构为数据组织形式，把电缆网设计过程中各类数据信息结构化附着在产品的三维模型中，实现面向全要素的完整数字化定义，解决了传统三维模型中结构化电性能参数信息的缺失，承载了传递到下游生产活动所需的全部信息。

电缆网全息模型可作为唯一的产品定义，服务于从设计、到工艺、到制造、到总装、到检验、到在轨管理的产品全生命周期。该模型不仅面向电缆网设计阶段，作为协同设计的数据载体和设计结果，而且实现了全要素设计信息统一下厂，成为电缆网工艺设计和生产制造的唯一依据，用于电缆网工艺设计、生产制造、地面总装、出厂检验和在轨管理。

航天器自顶向下的五层次电缆网全息模型体系如图2所示，包括舱段信息层(简称舱段层)、电缆类型信息层(简称电缆类型层)、电缆信息层(简称电缆层)、电缆分支信息层(简称电缆分支层)和电连接器信息层(简称电连接器层)、导线信息层(简称导线层)和接点信息层(简称接点层)。

舱段层用于描述电缆网所属的舱段和空间位置关系信息；电缆类型层用于描述电缆网的具体类型信息，常见的电缆类型包括：高频电缆、总线电缆、低频电缆、以太网电缆等；电缆层以电缆代号作为数据组织依据，用于组织电缆配套信息、基本属性信息、三维模型和分子长度图等基本设计信息及模型，如图3所示；电缆层由电缆分支层和电连接器层两部分组成，电缆分支层用于组织电缆分支对象信息，如图4所示，电连接器层用于组织电连接器对象信息，如图5所示；导线层和接点层分别用于详细描述电缆分支下全部导线的电性能参数信息和电连接器下全部接点的电性能参数信息，以及电缆导线与相应的电连接器接点的连接关系。如在图2中，代号为TGD0003_01_DL3的导线的始端和终端分别连接的是电连接器A-K801e-X3的接点6和A-S201c-X23的接点2。代号为TGD00003_01_DL3电缆导线电性能参数如图6所示，A-S201c-X23的接点2的电性能参数信息如图7所示。

2 导航式电缆网快速协同设计方法

卫星导航已成为人们交通出行必不可少的辅助工具，主要功能包括地图查询、目的地选择和路径规划与指导3部分。本文借鉴卫星导航的工作原理，以电缆网的网络通道作为电缆设计的“路”、且电缆只能铺设在网络通道上为基本出发点，提出了导航式电缆网快速设计方法。

导航式电缆网快速设计流程如图8所示，可分为网络通道三维设计、连接关系设计、三维自动布线、制造与交付4个部分，其中，网络通道三维设计主要是在航天器整器三维模型上，设计出用于铺设电缆网的网络通道组成的“地图”；电缆网连接关系设计主要是通过建立设备间的连接关系来确定每束电缆的“起始位置”和“目的地”；三维自动布线设计就是以“起始位置”和“目的地”为约束，约定目标(如电缆质量最小)，通过路径计算算法和自动布线软件，在网络通道“地图”上自动生成电缆三维模型，形成用于统一下厂的电缆网全息模型。

3 导航式电缆网快速协同设计系统关键技术

导航式电缆网快速协同设计系统采用面向服务架构(Service Oriented Architecture,SOA)，以统一的数据标准规范和模型库为基础，通过.Net技术和WebService接口的方式建立各类数据及模型的调用接口，以Intralink和Teamcenter作为底层平台[6]，建设了一体化的底层数据服务层，系统功能模块组成如图9所示。

基础库模块可分为参数库、算法库和三维模型库2种类型。其中，参数库中的电缆线缆参数库、分支长度余量参数库和电连接器参数库分别定义了各类电缆的基本参数(如颜色、直径、允许的转弯半径、线密度等[7])、分支长度余量算法参数和各类插头的基本参数及对应的三维模型信息，如图10所示。算法库主要包括自动布线算法库、小闭环处理算法库和电缆展平分支长度图算法库。三维模型库主要包括电连接器模型库、紧固件模型库和垫块模型库，三维模型利用PRO/E软件创建，存放在Intralink平台中，如图11所示。

网络通道三维设计模块由主通道设计子模块和网络通道设计子模块两部分组成。主通道设计子模块用于创建和管理电缆网的主通道特征，人机界面如图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网格点信息，其中，通道特性信息包括截面通道尺寸、通道电缆特性、通道复合截面形式、通道排数和通道容量等。在开展某个航天器三维构型布局设计前，根据航天器功能性能要求，利用电缆网主通道设计子模块，完成航天器上全部电缆网主通道的三维设计，并在此基础上开展设备布局设计和舱段开口、仪器板开口设计。

网络通道设计子模块主要用于整器电缆网络通道的三维设计和路径数据结构的建立。识别电缆布局关键点和关键网络通道信息(如电缆网主通道、网格筋交汇点、仪器脚印、插座方向、仪器板交接范围等)，开展网络通道的截面形状设计(如长方形、圆形)、路线设计、避让设计、容量设计以及各类电缆网络通道间的关系设置(包括位置关系、关联关系、层次管理和避让关系)，设计形成的电缆网网络通道如图13所示。

连接关系管理模块通过与专用的电缆网连接关系辅助设计软件集成，实现电缆网电性设计数据的管理和受控，包括集成接口子模块和连接关系结构化管理子模块。电性设计数据包括连接器、Pin脚、连接关系(导线)、信号等。

自动布线模块由连接关系读取子模块、三维自动电缆布线子模块和模型自动装配子模块3部分组成。其中，连接关系读取子模块用于获取和选择电缆网连接关系信息；三维电缆布线子模块据此确定电缆网的起始和终止位置及连接关系，并调取电连接器、卡子、垫块和紧固件的三维模型和电缆线缆参数信息，以电缆网络通道为依据，借助电缆网自动布线算法，以约定目标(如电缆重量最小)遍历整器电缆网络通道，寻找最优路径，完成电缆的三维布线，同时依据余量设计规则，补充分支长度余量，形成包含分支长度余量的电缆网三维模型。

电缆网自动布线算法基本思路如图14所示。首先通过网络接入点转换算法，将电缆最优路径问题转化为无向图最优问题[8]。在无向图中，以路径长度作为边的权值，以一条路径上所有边的权值之和作为该路径的代价函数值，比较所有连通起始点与终止点的路径代价函数值，进而获得代价函数值最小的最优路径。如遇到终止点，认为当前路径已遍历完成，计算其从起始点至终止点的路径代价函数值，而后退回上一个顶点，继续遍历其他未遍历的路径；如遇到“死路”(与当前点相邻的只有上一个点)或“回头路”(当前点已经遍历过)，同样认为当前路径已经遍历完成，由于没有找到终止点，因此其路径代价函数值为无穷大，而后退回到上一个点，继续遍历其他未遍历的路径。当不存在可以遍历的新路径时，认为所有路径均已遍历完毕。获取到最优路径后，根据无向图与电缆网络之间的关系，借助Pro/E软件的Pro/TOOLKIT二次开发技术[5,9]，完成电缆的三维自动布线，生成电缆网三维模型。

在最优路径计算中，由于电缆制作工艺需要，新电缆在布线过程中不允许与已布线完成的电缆之间形成封闭环路(如图15所示)。因此，在寻优过程中，需要判断每条从起始点到终止点的路径是否与已布线完成电缆的路径之间形成封闭环路。如果存在封闭环路，则认为该条路径的代价函数值为无穷大。

布线检查模块主要用于对电缆网三维模型的正确性进行检查并给出检查结果，包括电缆类型检查、容量检查、转弯半径检查、完整性检查和干涉检查。

三维下厂与数据包管理模块由分支长度图生成子模块、下厂与数据包管理子模块组成。其中，分支长度图生成子模块基于三维模型，自动生成下游工艺系统和工艺现场可以直接使用的分支长度表和标识分支关系和长度的二维分支长度图，对电缆路径点上的关键点分类进行标识，如图16所示。在生成二维分支长度图时，针对电缆布线设计过程中不可避免的闭环小三角(如图17所示)，通过以“T”形分叉代替小三角的方法消除闭环，在这个转换过程中，分支长度的分配过程如图18所示。图19为未过滤小闭环的分支长度图(单位为mm)，图20为过滤小闭环后的电缆分支长度图(单位为mm)。

下厂与数据包管理子模块通过底层Teamcenter平台的MultiSite机制实现与下游制造厂现场工艺系统集成[10-11]，实现电缆网全息模型受控下发制造厂和采集现场填写的反映电缆网实物实际状态的数据包。图21为用于设计信息统一下厂的电缆网全息模型和电缆导线的实测数据包[12]。

4 结 论

本文提出的导航式电缆网快速设计方法全线打通了电缆网连接关系设计、三维走向与长度设计、生产制造、验收等各环节单点数字化应用，建立了面向电缆网研制全周期的一体化业务流程，全面应用到了以空间站为代表的载人航天型号研制中，提高了设计效率效益，使得空间站某舱段电缆网重量减少17%，综合设计效能提高19%。与传统的电缆网设计方法相比：

1)该方法将整器的电缆网络通道“地图”设计和每束电缆的详细设计独立开来，首先构建整器级电缆网络通道“地图”，作为后续开展每束电缆详细设计的统一依据，据此开展每束电缆网的三维布线设计。实现了网络通道的顶层规划和统一设计，实现了在统一设计依据和约束条件下，每束电缆网的并行协同设计，有效解决了传统电缆网设计中，每束电缆网独立设计时的路径缺少统筹考虑和走向不优化的现实问题，减少了协同设计过程中的反复迭代和修改，提升设计效率和设计质量。

2)实现了电缆网传统的串行工作模式向并行设计模式的转变，将设计工作量最大的三维布线设计环节分为网络通道三维设计和三维自动布线设计两个过程，并把网络通道三维设计重心提前，实现了机械总体的网络通道三维设计和电总体的连接关系设计的并行协同，把机械总体和电总体间有迭代关系的机、电设计过程实现同步，如设备布局设计与电缆网拓扑设计同步，电缆网穿舱、穿板口设计与电缆网穿舱、转接设计同步，免去了过去串行设计的等待时间，有效缩短了产品研制周期，提高了产品研制的快速响应能力和市场竞争力。

3)在网络通道三维设计过程中，把网络通道“地图”设计分为主通道设计和网络通道详细设计两个阶段。在航天器设备布局设计前，先完成以舱段为单位的电缆网主通道设计，设备布局设计时，既要避让主通道，而且要与主通道留有一定的安全距离；在设备布局完成后，开展电缆网网络通道详细设计，实现所有设备电连接器“村村通路”，保证在设备电连接器150 mm范围内都有网络通道。

4)在连接关系设计过程中，采用了自顶向下的设计方式，优先开展代表总体电气规划的电缆网拓扑设计，把电缆网详细设计提前到设备间连接关系设计前，不再是简单了以单机电气接口定义完成后形成的IDS表作为设计输入，进一步加强了航天器总体电气规划和设计。

5)将成熟型号产品的设计经验和环境资源固化和融合，建立了的参数库、算法与规则库，提高了电缆三维设计的规范性，实现了沿着网络通道的自动布线，提升了电缆设计效率和设计质量。

6)在制造与交付过程中，把电缆网全息模型作为唯一的产品定义，实现了全要素设计信息统一下厂，代替了传统的二维图纸、三维模型和纸质文件，并被下游业务模块直接有效使用，成为电缆网工艺设计和生产制造的唯一依据，模型一次创建，多次多点应用，不仅仅是模型的直接重用，更是各类元数据信息的直接重用；同时实现了现场采集的与电缆网产品实物状态一一对应的产品数据包的结构化返回。