知识驱动的复杂产品多目标电缆敷设序列自动规划

蒋 科，李海峰，邢峻豪，杨少康

（北京机械设备研究所，北京100854）

1 引言

在复杂机电产品总装集成过程中，电缆敷设工作占有很大的比重［1−2］，直接影响着复杂产品功能和性能的实现。随着机电产品集成度和复杂度的提升，电缆的数量不断增加，电缆敷设的难度与工作量也逐渐加大，迫切地需要为各根电缆规划合理的敷设顺序，促使电缆敷设工作更加高效、便捷。

在开展电缆敷设序列规划时，应综合考虑电缆的自身特点、几何构造以及布局位置等方面的因素。但是，受制于个人经验，当前工艺人员开展电缆敷设序列规划时，时常出现影响因素考虑不周、规划规则不够统一等问题，导致规划结果不尽合理，难以有效指导电缆敷设工作，影响了电缆敷设的效率和质量。

近些年来，围绕电缆敷设规划，不少学者开展了深入的研究。文献［3］提出了一种二级模糊综合评判方法，根据电气性能、成本、效率、人工、环境状况等因素评价柔性装配序列，依据评价分数确定最优的电缆敷设序列。文献［4］提出了一种基于改进遗传算法的刚柔装配序列规划求解方法，通过对装配序列进行染色体编码，并选取适当的装配评价指标，实现包含电缆在内的机电产品装配序列优化求解。文献［5］首次在增强现实场景中引入线缆装配，实现了增强现实环境下的线缆装配仿真。文献［6］提出了基于逆运动学和能量优化法的线缆运动仿真方法，支持对电缆模型进行拾取、拖拽、固定和支撑等操作，实现了基于模型的电缆敷设规划。文献［7］采用交互性的方式，利用仿生智能技术确定包含电缆在内的各零部组件装配序列。文献［8］利用头盔和三维鼠标等外部设备，实现了沉浸式环境下线缆的设计和安装规划。文献［9−10］面向电缆敷设布局规划问题，提出了基于轮廓扩展的线缆布局方法，并构建了混合约束模型，实现敷设路径自动生成。

实际上，在不同的复杂机电产品中，虽然敷设环境存在差异，但电缆敷设顺序均遵守着一定的规则，例如：敷设通道相近的电缆应集中进行布置，同一区域内先敷设直径较粗或重量较大的电缆等。若把这些规则进行总结和提炼，形成电缆敷设规划知识，即可利用这些知识，实现多目标电缆敷设序列的自动求解，快速获得合理的敷设序列规划结果。

为此，提出了一种知识驱动的复杂产品多目标电缆敷设序列自动规划方法，该方法将来源于电缆敷设实践过程中的经验进行显性化处理，转化成电缆敷设知识，并利用这些知识，基于电缆设计信息，经过知识匹配分析、匹配知识筛选、优先冲突消除，求得多目标电缆的敷设序列，为保障复杂机电产品电缆敷设工作顺利开展提供有力支撑。

2 电缆敷设优先级影响要素分析

在工程实践过程中，两两电缆之间敷设优先级的确定受到多种要素的影响。因此，有必要获取这些影响要素及其取值范围，进而为构建电缆敷设序列规划知识奠定基础。

2.1 走线位置要素

走线位置反映了电缆在产品中的空间方位。通常情况下，电缆广泛分布在整个产品的不同位置，由此决定了全部电缆无法集中进行敷设，而是需要依据各根电缆的所处区域、敷设通道、始联设备等信息，合理安排位置相对集中的电缆进行统一敷设，减少总体敷设长度，提高敷设效率。此外，相比于布置于开阔区域的电缆，穿孔、走槽的电缆具有更小的敷设空间和更大的敷设难度，应优先进行敷设。

基于以上分析，可确定5种影响电缆敷设序列的走线位置要素及其取值范围，如表1所示。

表1 走线位置要素清单Tab.1 List of Layout Position Elements

2.2 几何特征要素

几何特征反映了电缆的外观形貌，每一根电缆具有不同的几何特征，这些几何特征对于电缆的搬运、拖拽等敷设操作将会产生不同的影响。一般情况下，具有更多分支的电缆、总体长度更长的电缆以及直径更大的电缆，在敷设时需要拥有更宽阔的布放空间，因而应具有更高的敷设优先级。

基于以上分析，可确定3种影响电缆敷设序列的几何特征要素以及要素取值范围，如表2所示。

表2 几何特征要素清单Tab.2 List of Geometric Feature Elements

2.3 基本属性要素

基本属性反映了电缆本身所具有的固有性质。一般情况下，对于重量大、刚性大的电缆，应优先进行敷设，以避免受到其它电缆敷设产生的干扰；对于易损和关重的电缆，应尽量安排在最后进行敷设，以避免在敷设其它电缆时对这些电缆造成伤害。

基于以上分析，可确定4种影响电缆敷设序列的固有属性要素及其取值范围，如表3所示。

表3 基本属性要素清单Tab.3 List of Basic Property Elements

3 电缆敷设序列规划知识构建

依据电缆敷设优先级的影响要素，构建电缆敷设序列规划知识的表示模型，实现规划知识的格式化定义，为电缆敷设序列自动规划提供知识基础。

3.1 规划知识表示

电缆敷设序列规划知识体现了电缆之间优先级关系的确定逻辑，即描述了什么样（走线位置、几何特征、基本属性）的电缆应优先于什么样的电缆进行敷设。基于这一逻辑关系，可对规划知识进行如下表示：

式中：Ki—第i个规划知识；Ci—两根电缆中具有相对优先级的电缆需满足的条件集合；Di—两根电缆中另一根电缆需满足的条件集合。

3.2 条件集合定义

在规划知识的两个条件集合中，分别包含了进行优先级比较的两根电缆所需满足的判定条件合集。只有当条件集合中所有判定条件均得到满足后，才能使用该规划知识开展敷设优先级的分析。为了保证知识的可用性，条件集合中判定条件的数量允许为一个或多个，但不允许为空。由此，条件集合可定义为：

式中：ci，j和di，j—条件集合Ci和Di中第j个判定条件。

3.3 判定条件定义

条件集合中的每一个判定条件，用于约束电缆的一个要素所需满足的条件要求。因而在一个判定条件中，应包含判定要素、要素范围和判定符号等三个方面的元素。其中：判定要素来源于电缆敷设序列的影响要素；要素范围反映判定要素应满足的实际取值范围；判定符号应准确反映判定要素与要素范围之间的数学关系。由此，判定条件可定义为：

式中：fi，j、pi，j、ri，j和fi，j、qi，j、si，j—判定条件ci，j和di，j的判定要素、要素范围和条件符号。

4 知识驱动的电缆敷设序列自动规划

基于构建的电缆敷设序列规划知识，面向多目标电缆构成的电缆网，通过知识匹配分析、匹配知识筛选、优先冲突消除等环节，实现知识驱动的电缆敷设序列自动规划。

4.1 知识匹配分析

在利用规划知识确定两根电缆之间的敷设优先级时，需从众多的规划知识中筛选出匹配的知识。为了判定知识的适用性，需要将规划知识的条件集合与两根电缆的设计信息进行匹配分析，若条件集合中的全部判定条件均得到满足，则表示该规划知识适用于这两根电缆的敷设优先级分析。在一个电缆网中，存在着多根电缆，且每根电缆具有不同的走线位置、几何特征以及基本属性。

设Hm和Hn表示电缆网中的两根电缆，则它们之间敷设优先级的分析流程，如图1所示。

图1 知识匹配分析流程图Fig.1 Flowchart of Knowledge Matching

具体流程如下：

（1）从电缆网中选取两根电缆Hm和Hn；

（2）从规划知识库中选取一条规划知识Ki；

（3）判定Hm和Hn是否分别符合Ki中给定的条件集合Ci和Di。若为是，则表明Hm应优先于Hn敷设，并记录此优先关系，转（5）；若为否，则转（4）；

（4）更换判定的条件集合，分析Hm和Hn是否分别符合Ki中给定的条件集合Di和Ci。若为是，则表明Hn应优先于Hm敷设，并记录此优先关系，转（5）；若为否，则直接转（5）；

（5）判断是否已遍历全部的规划知识，若为否，则转（2）；若为是，则转（6）；

（6）判断是否已完成所有两两电缆之间的比较，若为否，则转（1）；若为是，则流程结束。

4.2 匹配知识筛选

在完成规划知识匹配之后，对于两根电缆，有可能出现匹配多条知识的情况，如图2所示（箭头方向表示优先关系）。为了避免两根电缆之间敷设优先级存在冲突，需要从中选用一条知识，用于判定这两根电缆之间的敷设优先级。

图2 两根电缆之间多知识匹配示例Fig.2 Example of Multi−Knowledge Matching

考虑到各种影响因素对敷设优先级的确定具有不同的影响程度，且不同的规划知识涉及不同的影响因素，因而每条规划知识对于敷设优先级的确定具有不同的决定度。在进行匹配知识筛选时，拥有较大决定度的规划知识应被选用。

一般情况下，涉及更为具体或者更为重要影响要素的规划知识具有较大的决定度。由此，可通过下式得到每条电缆敷设规划知识的决定度：

式中：Zi—Ki的决定度；ωi，j—pi，j的影响程度；k—Ki中判定条件的数量。ωi，j的取值范围处于［0，1］，取值越大，表示影响程度越高，具体取值可根据特定产品进行设定。

由此，通过对匹配到的规划知识进行排序，以具有最高决定度的规划知识作为选用知识，确定两根电缆之间的敷设优先级。

4.3 优先冲突消除

因规划知识的多样性，在确定两两电缆之间的敷设优先级之后，有可能出现两根以上电缆之间敷设优先级存在嵌套冲突，形成优先环，导致敷设序列难以确定，如图3所示。针对此种情况，面向构成优先环的每一个优先关系，获取相对应的规划知识，进而再次以决定度为衡量标准，对获取的规划知识进行排序，筛选出具有最小决定度的规划知识，将该规划知识确定的优先关系进行移除，以此消除优先环。在确认全部优先环被消除后，即可按照电缆之间的敷设优先关系，确定电缆的敷设序列。

图3 两根以上电缆敷设优先环示例Fig.3 Example of Priority Loop Among Cables

5 实例验证

某一复杂产品电缆布局图，如图4所示。共包括8根电缆，这些电缆分布在两个舱体内，并与4个用电设备进行连接，各根电缆的影响要素信息（含影响程度），如表4所示。

图4 电缆布局图Fig.4 Layout Graph of Cables

表4 电缆设计信息Tab.4 Design Information of Cables

根据实际的电缆敷设经验，总结了5条敷设序列规划知识，用于支持多目标电缆的敷设序列自动规划，如表5所示。

表5 电缆规划知识清单Tab.5 List of Planning Knowledge for Cables

根据所提出的电缆敷设序列自动规划方法，分析求得了上述8根电缆之间的敷设优先关系，并给出了相应规划知识的决定度，如表6所示。

表6 电缆敷设优先关系Tab.6 Laying Priority of Cables

由表6可知，在分析电缆W1与电缆W8以及电缆W2与电缆W8之间的敷设优先级时，匹配到K1和K5两条知识，由于K5的决定度大于K1，因而依据K5确定W1、W2和W8之间的敷设优先级。结合其它规划知识的推理结果，最终可得到全部8 根电缆的敷设序列，如图5所示。

图5 电缆敷设序列规划结果Fig.5 Laying Sequence of Cables

6 结论

所提出的多目标电缆敷设序列自动规划方法，能够充分考虑来自电缆走线位置、几何特征、固有属性等方面的影响因素，实现知识驱动的电缆敷设优先级快速推理，确保敷设序列规划结果符合工程实践规则并能够更好的指导复杂产品电缆敷设工作，提升多目标电缆敷设的效率与质量。