大型復(fù)雜航天器電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)研究

田志新 魏 平 杜 潔 曹 瑞 王虎妹

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大型復(fù)雜航天器電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)研究

田志新 魏 平 杜 潔 曹 瑞 王虎妹

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京100094）

針對大型復(fù)雜航天裝備電纜網(wǎng)多品種、小批量、技術(shù)狀態(tài)更改多的特點，提出一種基于動態(tài)染色無向圖模型的準時化投產(chǎn)方法，將設(shè)備插頭互聯(lián)關(guān)系映射成無向圖模型，將設(shè)備投產(chǎn)狀態(tài)和參試時間映射成無向圖頂點的“染色狀態(tài)”和“時間屬性”。利用無向圖動態(tài)染色實現(xiàn)電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)并應(yīng)用于某衛(wèi)星，實現(xiàn)了電纜生產(chǎn)零返工并平滑了生產(chǎn)線負荷。

電纜網(wǎng)；準時化生產(chǎn)；動態(tài)染色；無向圖模型

1 引言

傳統(tǒng)的航天器電纜網(wǎng)投產(chǎn)模式存在嚴重不足：a.采用人工方法進行數(shù)百臺設(shè)備、成百上千根電纜的投產(chǎn)計劃編排，投產(chǎn)計劃編排費時、費力；b.直接以整星/整器電纜網(wǎng)為單位投產(chǎn)，工序批周期長，對生產(chǎn)線沖擊大，緊急加工響應(yīng)速度慢，不能有效支撐多型號并行制造；c.航天器設(shè)備/構(gòu)型狀態(tài)發(fā)生技術(shù)狀態(tài)更改后，人工投產(chǎn)方式復(fù)核復(fù)算工作量大，生產(chǎn)線產(chǎn)生廢料多，并且經(jīng)常發(fā)生電纜投產(chǎn)與參試設(shè)備不一致引起研制進度延誤。電纜網(wǎng)準時化（Just In Time，JIT）投產(chǎn)對航天器系統(tǒng)集成具有重要意義。

目前，學(xué)術(shù)界一般從通用數(shù)學(xué)建模角度對多品種、小批量條件下的生產(chǎn)管理問題進行研究，相關(guān)研究文獻主要體現(xiàn)在車間布局設(shè)計[1]、裝配線平衡[2]、作業(yè)組織模式[3]、批量加工模式[4]和生產(chǎn)周期研究[5]等方面。但學(xué)術(shù)界的研究工作均未考慮特定行業(yè)/產(chǎn)品的特點。工業(yè)界的研究則一般針對行業(yè)/產(chǎn)品特點進行生產(chǎn)管理研究：廖聲沖等人[6]針對某航天傳感器產(chǎn)品的生產(chǎn)特點，給出了該產(chǎn)品制造單元的實施步驟及設(shè)計方案；薛靜等人[7]從任務(wù)分配單元的制定、作業(yè)人員的安置、配套件的分類管理、生產(chǎn)節(jié)拍控制及產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督方面分析了電纜網(wǎng)成組生產(chǎn)組織模式的實施；葉啟付等人[8]以縮短設(shè)計與制造周期、降低生產(chǎn)與物流成本、提高設(shè)備利用率等為優(yōu)化目標，構(gòu)建了多品種小批量殼體生產(chǎn)單元的多個布局仿真模型；項迎[9]提出一種可插入制造方式，為航天伺服企業(yè)運用精益生產(chǎn)的拉動式均衡排產(chǎn)提供了可實現(xiàn)手段。然而，目前工業(yè)界的研究成果針對的均為設(shè)計狀態(tài)已定型的產(chǎn)品，無法應(yīng)用于設(shè)計狀態(tài)多變產(chǎn)品的生產(chǎn)管理。

分析了復(fù)雜航天裝備電纜網(wǎng)產(chǎn)品的特點并據(jù)此提出投產(chǎn)策略；建立了航天器電纜網(wǎng)投產(chǎn)問題的動態(tài)染色無向圖模型；給出基于“染色”無向圖模型的電纜網(wǎng)自動化投產(chǎn)算法，實現(xiàn)了航天器電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)；通過一個應(yīng)用案例說明本文方法的詳細應(yīng)用過程；最后給出了結(jié)論。

2 大型復(fù)雜航天裝備電纜網(wǎng)的產(chǎn)品特點及投產(chǎn)對策

大型復(fù)雜航天裝備的電纜網(wǎng)產(chǎn)品具有以下特點：

a. 多型號交貨沖突：由于設(shè)備、人員有限，電纜網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)多個型號產(chǎn)品同時使用相同設(shè)備或人員，導(dǎo)致產(chǎn)品長時間等待；

b. 技術(shù)狀態(tài)變化大：航天器產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化導(dǎo)致電纜網(wǎng)接點重新設(shè)計，由此導(dǎo)致電纜網(wǎng)生產(chǎn)經(jīng)常反復(fù)；

c. 測試組合模式多：大型復(fù)雜航天器研制包括初樣、正樣階段，在每個階段還包括若干系統(tǒng)聯(lián)試和大型試驗[10]，不同測試狀態(tài)下航天器設(shè)備投產(chǎn)和參試狀態(tài)差異極大，由此導(dǎo)致參試電纜的投產(chǎn)狀態(tài)也存在著極大差異；

d. 工序批周期長：航天企業(yè)目前以單個航天器為單位進行一個經(jīng)濟批量安排生產(chǎn)，每批產(chǎn)品全部加工時間長，大型航天器電纜加工可能造成多個同期并行研制航天器的長時間等待；

e. 產(chǎn)品相似性大：電纜網(wǎng)產(chǎn)品雖然分屬不同型號，但產(chǎn)品的專業(yè)種類、工藝路線基本一致，便于資源共享。

上述產(chǎn)品特點表明，大型復(fù)雜航天裝備電纜網(wǎng)面臨多品種、小批量、產(chǎn)品質(zhì)量/可靠性要求高、“邊研制、邊定型、邊生產(chǎn)”的生產(chǎn)現(xiàn)狀。據(jù)此提出以下投產(chǎn)策略：

a. 針對電纜網(wǎng)產(chǎn)品相似性大、工序批周期長、多型號交貨沖突的問題，通過單型號分批投產(chǎn)、多型號混合并行生產(chǎn)的方法，實現(xiàn)多型號資源共享，避免按型號投產(chǎn)工序批周期長、多型號交貨時間沖突導(dǎo)致的進度延誤問題，同時均衡生產(chǎn)線任務(wù)，提升瓶頸資源使用效率；

b. 針對大型復(fù)雜航天裝備不同階段產(chǎn)品組合模式多的特點，充分考慮各個階段的設(shè)備參試狀態(tài)，針對設(shè)備組合狀態(tài)安排電纜網(wǎng)產(chǎn)品投產(chǎn)，避免投產(chǎn)多余電纜分支導(dǎo)致的材料損耗；

c. 針對電纜網(wǎng)技術(shù)狀態(tài)變化大的特點，在設(shè)備技術(shù)狀態(tài)受控后再進行電纜網(wǎng)投產(chǎn)，考慮到設(shè)備生產(chǎn)周期一般遠長于電纜網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)周期，從而降低了電纜網(wǎng)產(chǎn)品的返工率，并避免了電纜網(wǎng)與設(shè)備技術(shù)狀態(tài)不一致導(dǎo)致的測試安全隱患。

3 電纜網(wǎng)投產(chǎn)問題的動態(tài)染色無向圖建模

航天器多臺設(shè)備通過電纜連接完成供電、遙控遙測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取：教炱鹘涌跀?shù)據(jù)單規(guī)定了設(shè)備插頭的信號互聯(lián)關(guān)系[11]。將航天器接口數(shù)據(jù)單定義的設(shè)備插頭信號互聯(lián)關(guān)系映射為無向圖模型，其中,設(shè)備插頭映射為頂點，信號連接關(guān)系映射為邊；設(shè)備投產(chǎn)狀態(tài)映射為頂點的“染色狀態(tài)”，設(shè)備參試時間映射為頂點的“時間屬性”；通過分析設(shè)備投產(chǎn)狀態(tài)和參試時間，定義電纜網(wǎng)的投產(chǎn)狀態(tài)和投產(chǎn)時間數(shù)學(xué)模型，基于無向圖“染色狀態(tài)”和“時間屬性”在邊、頂點和子圖上的自動化傳遞和更新，實現(xiàn)電纜網(wǎng)自動投產(chǎn)。為便于描述，定義術(shù)語如表1所示。

表1 電纜網(wǎng)無向圖模型術(shù)語定義

不失一般性，記Device_X與Device_X相連為Device_XàDevice_X。基于信號互聯(lián)關(guān)系的無向圖模型建模過程如下：

a. 定義無向圖（,），其中，={Ф}，={Ф}。

b. 依次讀取航天器接口數(shù)據(jù)單，第個互聯(lián)關(guān)系Device_XàDevice_X，=1, 2, ……,，

提取信號所在設(shè)備插頭的信息Device_X和Device_X，如果無向圖頂點集合中尚無Device_X或（和）Device_X，將插頭Device_X或（和）Device_X映射到頂點集合中；

提取信號互聯(lián)信息Device_XàDevice_X，如果邊集合中尚無該互聯(lián)信息，則將該信號互聯(lián)信息映射到邊集合中；

經(jīng)過以上步驟，航天器設(shè)備接口數(shù)據(jù)單中的信號互聯(lián)關(guān)系轉(zhuǎn)化為無向圖模型。

4 基于動態(tài)染色無向圖模型的電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)算法

電纜物理上由具有連接關(guān)系的若干分支和插頭組成，是設(shè)計、生產(chǎn)加工、總裝鋪設(shè)、技術(shù)狀態(tài)更改的最小單位。電纜網(wǎng)投產(chǎn)方案與設(shè)備投產(chǎn)矩陣和測試計劃緊密相連，航天器電纜網(wǎng)投產(chǎn)狀態(tài)和投產(chǎn)時間需要滿足如下約束：

a. 分支投產(chǎn)約束：兩臺設(shè)備均投產(chǎn)，則該兩臺設(shè)備的互聯(lián)電纜分支需要投產(chǎn)；互聯(lián)信號中只有一端設(shè)備投產(chǎn)，則該互聯(lián)信號不需要投產(chǎn)電纜；

b. 插頭投產(chǎn)約束：如果與設(shè)備插頭相連的互聯(lián)電纜均不需要投產(chǎn)，則該插頭不需要投產(chǎn)；如果插頭上任意一組信號需要與另外一臺設(shè)備互聯(lián)，則該插頭需要投產(chǎn)；

c. 分支投產(chǎn)時間約束：電纜分支在其兩端所連接的設(shè)備均參加系統(tǒng)聯(lián)試時才安裝；

d. 電纜投產(chǎn)時間約束：任意一個電纜分支需要參加系統(tǒng)聯(lián)試時，則整根電纜需要參加系統(tǒng)聯(lián)試。

基于以上四項約束定義染色無向圖上的“染色”關(guān)系：

a. 邊染色：如果邊的兩個頂點全為“染色狀態(tài)”，則該邊為“染色狀態(tài)”；該邊任意一個頂點為非“染色狀態(tài)”，則該邊為非“染色狀態(tài)”；

b. 頂點染色：如果與頂點相連的所有邊均為非“染色狀態(tài)”，則該頂點為非“染色狀態(tài)”；如果頂點相連的所有邊任一邊為“染色狀態(tài)”，則該頂點為“染色狀態(tài)”；

c. 邊時間屬性計算：“染色”邊的“時間屬性”等于該邊兩個頂點“時間屬性”中的較大值；

d. 子圖染色狀態(tài)和時間屬性計算：子圖中任一邊染色，則該子圖為“染色狀態(tài)”；子圖“時間屬性”等于其包含的所有邊的“時間屬性”的最小值。

于是，航天器電纜網(wǎng)投產(chǎn)問題就轉(zhuǎn)化為無向圖頂點“染色狀態(tài)”和“時間屬性”在無向圖邊、頂點和子圖的傳遞和更新問題。算法包括如下步驟：

a. 頂點“染色狀態(tài)”和“時間屬性”賦值：讀取設(shè)備投產(chǎn)矩陣，投產(chǎn)設(shè)備的插頭對應(yīng)在圖上的頂點為“染色狀態(tài)”；讀取測試計劃，參試設(shè)備插頭對應(yīng)在圖上的頂點的“時間屬性”等于該設(shè)備的參試時間；

b. 根據(jù)邊染色定理和頂點染色定理，求解邊“染色狀態(tài)”，更新頂點“染色狀態(tài)”；

c. 根據(jù)邊時間屬性計算定理、子圖染色狀態(tài)和時間屬性計算定理，計算“染色”邊的“時間屬性”，并計算子圖的“染色狀態(tài)”和“時間屬性”；

d. 將子圖反演為電纜網(wǎng)投產(chǎn)方案，子圖的“染色狀態(tài)”為該子圖對應(yīng)電纜的投產(chǎn)狀態(tài)，子圖“時間屬性”即為對應(yīng)電纜的交付時間，子圖內(nèi)頂點“染色狀態(tài)”即為對應(yīng)電連接器插頭的投產(chǎn)狀態(tài)，子圖內(nèi)邊的“染色狀態(tài)”即為該邊對應(yīng)電纜分支的投產(chǎn)狀態(tài)。

5 示例驗證

本文方法已在某衛(wèi)星電纜網(wǎng)投產(chǎn)中應(yīng)用。以一臺供電設(shè)備（HYA01）、一臺存儲設(shè)備（HYB01）、兩臺數(shù)傳設(shè)備（HYC01、HYC02）、一臺載荷設(shè)備（HYD01）組成的“聯(lián)試試驗”為例，說明本文方案在各類場景下的應(yīng)用。

5.1 電纜網(wǎng)的無向圖模型建模

表2 設(shè)備接口數(shù)據(jù)單定義的信號連接關(guān)系

首先，根據(jù)衛(wèi)星全研制流程電纜編號統(tǒng)一的要求，將表2中全部設(shè)備電連接器互聯(lián)關(guān)系映射為無向圖模型（如圖1所示）。其中，五臺設(shè)備HYA01、HYB01、HYC01、HYC02、HYD01包含的11個設(shè)備插頭映射成無向圖的11個頂點，即= {1,2,,11} = {HYA01-X01，HYA01-X02，HYB01-X01，HYB01-X02，HYB01-X03，HYB01-X04，HYB01-X05，HYC01-X01，HYC02-X01，HYC02-X02，HYD01-X05}；8個信號連接關(guān)系形成8條邊，即= {1,2,,8} = {HYD01-X05→HYB01-X05，HYA01-X02→HYB01-X01，HYB01-X03→HYC01-X01，HYB01-X04→HYC02-X01，HYC01-X01→HYB01-X04，HYB01-X03→HYC02-X01，HYB01-X02→HYC02-X02，HYA01-X01→HYA01-X01}。對全部子圖編號，和均包含兩個頂點和一條邊，為單分支電纜，電纜和電纜分支編號均為W001、W002；包含4個頂點和4條邊，為多分支電纜，電纜編號為W003，分支編號分別為W003_1、W003_2、W003_3和W003_4；包含兩個頂點和一條邊，為單分支電纜，電纜和電纜分支編號均為W004；包含一個頂點和一條邊，為星表插頭，編號為X01B。

圖1 電纜網(wǎng)無向圖建模示意圖

5.2 基于動態(tài)染色無向圖模型的電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)

圖2 設(shè)備投產(chǎn)狀態(tài)/參試時間的無向圖屬性映射過程示意圖

表3 初樣階段設(shè)備投產(chǎn)計劃

表4 初樣階段測試計劃

如圖2所示，將表3“衛(wèi)星投產(chǎn)矩陣”映射為無向圖頂點“染色狀態(tài)”（頂點“染色”/“未染色”狀態(tài)采用陰影/非陰影表示，邊“染色”/“未染色”狀態(tài)采用粗實線/細實線表示），數(shù)傳通道設(shè)備HYC02不投產(chǎn)，與之相關(guān)的兩個頂點V9（HYC02-X01），V10（HYC02-X02）為“未染色”狀態(tài)，其他頂點為“染色狀態(tài)”；根據(jù)表4“測試計劃”，將設(shè)備參試時間（A狀態(tài)、B狀態(tài)、C狀態(tài)三個時間點簡記為A、B、C）映射為無向圖頂點的“時間屬性”。

如圖3所示，根據(jù)無向圖頂點的“染色狀態(tài)”，通過邏輯“與”運算求解無向圖上邊的“染色狀態(tài)”，與頂點V9（HYC02-X01）相連的邊E4，E6為“未染色”狀態(tài)，與頂點V10（HYC02-X02）相連的邊E7為“未染色”；根據(jù)無向圖邊的“染色狀態(tài)”更新頂點“染色狀態(tài)”，頂點V4連接的邊只有E7且該邊“未染色”，因此更新為“未染色”狀態(tài)。

圖3 無向圖邊和頂點“染色狀態(tài)”計算

如圖4所示，每個“染色狀態(tài)”的邊的“時間屬性”等于與其相連的兩個頂點的“時間屬性”較大值；子圖“染色狀態(tài)”為其包含的全部邊“或”運算，“時間屬性”等于其包含的所有“染色”邊的最小“時間屬性”。

圖4 無向圖子圖“染色狀態(tài)”和“時間屬性”求解

圖5 染色無向圖反演為電纜網(wǎng)投產(chǎn)

將無向圖反演為電纜網(wǎng)投產(chǎn)方案，即子圖的“染色狀態(tài)”為相應(yīng)電纜的投產(chǎn)狀態(tài)，子圖內(nèi)邊的“染色狀態(tài)”為相應(yīng)電纜分支的投產(chǎn)狀態(tài)，子圖的“時間屬性”為電纜的交付時間，見圖5和表5。

表5 電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)方案

6 結(jié)束語

本文提出基于動態(tài)染色無向圖模型的電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)方案，實現(xiàn)了從整星投產(chǎn)模式到分批平滑投產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，提升了航天器電纜網(wǎng)生產(chǎn)線的運營效率。該方法已成功應(yīng)用于我國某衛(wèi)星，按測試階段分批投產(chǎn)，平滑了電纜網(wǎng)生產(chǎn)線負荷；測試計劃充分考慮單機技術(shù)成熟度，確保單機技術(shù)狀態(tài)明確后才投產(chǎn)，實現(xiàn)了電纜網(wǎng)生產(chǎn)零返工。該設(shè)計方法不僅適用于航天器，還可應(yīng)用于運載火箭、武器系統(tǒng)、飛機等大型復(fù)雜裝備的電纜網(wǎng)準時化投產(chǎn)。

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Harness JIT Production Sequencing for Large-scale Complex Spacecraft

Tian Zhixin Wei Ping Du Jie Cao Rui Wang Humei

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094)

Aiming at the production features of multi-varieties, small-batch and frequent-modification for large-scale complex spacecraft harness, a novel harness JIT production sequencing scheme based on graph-model dynamic coloring is proposed. All connections between each pair of devices are mapped to a graph-model, and production configuration and testing plan of each device is mapped to graph vertex coloring status and timing property. Then, an algorithm based on graph-model dynamic coloring is put forward, and implementation effect on some satellite achieves zero harness rework and balanced harness line.

harness；JIT production sequencing；dynamic coloring；graph-model

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項青年創(chuàng)新基金支持項目（GFZX04060103）。

田志新（1975），博士，電路與系統(tǒng)專業(yè)；研究方向：衛(wèi)星總體設(shè)計、衛(wèi)星系統(tǒng)集成、電纜網(wǎng)及信息流數(shù)字化設(shè)計。

2017-07-13