基于SCDS的載人航天器電纜網(wǎng)自動化設(shè)計

周 垚 于 偉 程天然 吳京松 武逸然

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基于SCDS的載人航天器電纜網(wǎng)自動化設(shè)計

周 垚1于 偉2程天然1吳京松1武逸然1

（1. 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094；2. 中國空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094）

針對載人航天器電纜網(wǎng)設(shè)計中大量圖紙、表格的正確性、一致性校核需要耗費大量時間，以及設(shè)計和生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)上存在數(shù)據(jù)傳遞不通暢、極大地制約了設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量的問題，開發(fā)了載人航天器電纜網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)（SCDS），將設(shè)計規(guī)范融入到軟件中，實現(xiàn)了設(shè)計過程的自動化。本文介紹了載人航天器電纜網(wǎng)設(shè)計模式，重點描述了基于電纜網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)（SCDS）的載人航天器電纜網(wǎng)自動化設(shè)計方法。

載人航天器；電纜網(wǎng)；SCDS；自動化設(shè)計

1 引言

航天器電纜網(wǎng)由導(dǎo)線束、電連接器等幾部分構(gòu)成，是各系統(tǒng)間的電氣、信息交互傳輸?shù)妮d體網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)單艙或跨艙電子設(shè)備供配電和電信號的傳輸。電纜網(wǎng)研制耗時長，歷經(jīng)設(shè)計、生產(chǎn)、驗收、測試多個過程，覆蓋型號方案、初樣、正樣至發(fā)射各階段，對型號研制進度至關(guān)重要[1，2]。

載人航天器的特點在于能載人、多艙段、能返回。存在電子設(shè)備數(shù)量龐大、電連接器種類多，電纜網(wǎng)規(guī)模龐大的問題（單艙電纜導(dǎo)線根數(shù)超過上萬根）。電纜網(wǎng)設(shè)計較一般衛(wèi)星更為復(fù)雜，主要體現(xiàn)為：設(shè)計環(huán)節(jié)復(fù)雜，功能接口多、設(shè)計狀態(tài)不易固化，因此，載人航天器傳統(tǒng)依靠設(shè)計師人工設(shè)計電纜網(wǎng)的方式，已不能適應(yīng)當(dāng)前需求。對于動輒幾萬個接點的電纜網(wǎng)，其設(shè)計工作量十分巨大，在進度緊張、人員有限的情況下極易由于人為疏忽造成電纜網(wǎng)設(shè)計文件錯誤，影響載人航天器研制進度和產(chǎn)品質(zhì)量。此外，隨著載人航天工程的蓬勃發(fā)展，在研載人航天器越來越多，傳統(tǒng)的人工電纜網(wǎng)設(shè)計已不能滿足多型號電纜網(wǎng)并行設(shè)計的需要，因此，在確保電纜網(wǎng)產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，迫切需要尋找有效、高效的電纜網(wǎng)設(shè)計方式。

引入電纜網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)（SCDS）的電纜網(wǎng)自動化設(shè)計模式，將設(shè)計規(guī)范融入到軟件中，避免手工操作，實現(xiàn)了設(shè)計過程的自動化。同時借助軟件平臺進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，可實現(xiàn)設(shè)計與生產(chǎn)制造的數(shù)據(jù)共享和信息傳遞。

2 設(shè)計內(nèi)容

載人航天器電纜網(wǎng)設(shè)計，需要完成從設(shè)備的接口數(shù)據(jù)單（IDS系統(tǒng)）到設(shè)計文件接點信息的轉(zhuǎn)換和再生成，根據(jù)接點表的信息繪制分支圖，進行穿艙、轉(zhuǎn)接部分接點分配，形成“艙段接點表”和“穿艙接點表”。將接點表分支計算后，轉(zhuǎn)換成以單根電纜束為單位的設(shè)計文件“下廠接點表”，作為電纜生產(chǎn)制造的依據(jù)。

主要設(shè)計內(nèi)容為：電纜束分支優(yōu)化設(shè)計、穿艙電連接器及接點設(shè)計，以及根據(jù)導(dǎo)線工藝要求、屏絞要求、降額準(zhǔn)則、供電電纜壓降、熱設(shè)計、EMC設(shè)計等要求對每根線束進行線型線徑、屏蔽接地設(shè)計[1，3]。如果沒有自動化的設(shè)計工具，電纜網(wǎng)設(shè)計只能依靠人工完成，各設(shè)計環(huán)節(jié)都要消耗大量的人力成本，低層次質(zhì)量問題層出不窮。而電纜網(wǎng)設(shè)計輸出文件多樣，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，必須對不同設(shè)計文件之間的接口數(shù)據(jù)反復(fù)確認(rèn)校對[4]。

引入自動化工具之后，整個電纜網(wǎng)設(shè)計流程極大地降低了人工干預(yù)程度，提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量；同時，將電纜網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范融入到軟件中，通過軟件自動執(zhí)行，提高了電纜網(wǎng)設(shè)計規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化程度；此外，借助統(tǒng)一的設(shè)計平臺，實現(xiàn)了設(shè)計數(shù)據(jù)的自動獲取和轉(zhuǎn)換，使數(shù)據(jù)源頭保持一致，變更可控，確保了設(shè)計狀態(tài)的正確性。

3 SCDS系統(tǒng)介紹

電纜網(wǎng)輔助設(shè)計系統(tǒng)（SCDS）能通過WebService在IDS系統(tǒng)內(nèi)獲取設(shè)備電連接器的分支和接點信息。作為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計管理平臺，輔助設(shè)計師完成電纜網(wǎng)的自動化設(shè)計。通過建立后臺電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，可進行數(shù)據(jù)自動校核、數(shù)據(jù)分析計算等工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計技術(shù)狀態(tài)的管理。采用自動化、自動化手段能很大程度上減少電纜網(wǎng)設(shè)計的工作量，提高設(shè)計效率，同時確保設(shè)計的正確性。SCDS系統(tǒng)功能框架如圖1所示。

圖1 SCDS系統(tǒng)功能框架圖

4 電纜網(wǎng)自動化設(shè)計方法

a.將電纜網(wǎng)各類設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則固化為軟件算法，結(jié)合型號工程經(jīng)驗搭建電纜網(wǎng)設(shè)計知識庫；

b.搭建電連接器、導(dǎo)線等元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，將元器件電氣屬性、機械屬性等信息數(shù)字化；

c.將電纜網(wǎng)設(shè)計結(jié)果優(yōu)化為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，通過電纜網(wǎng)自動化設(shè)計平臺（如圖2所示）實施統(tǒng)一數(shù)據(jù)源管理，完成數(shù)據(jù)的計算分析和傳遞，保證數(shù)據(jù)唯一性和電氣線路設(shè)計的正確性、完整性和可追溯性[5]。

圖2 電纜網(wǎng)自動化設(shè)計平臺

4.1 圖形化電纜分支優(yōu)化設(shè)計

4.1.1 跨艙段分支自動拆分計算

由于載人航天器具有多個穿艙環(huán)節(jié)和載人密封艙段特有的結(jié)構(gòu)，設(shè)計電纜時應(yīng)對穿艙電纜進行拆分、接點合并等特殊設(shè)計。圖3為含多個艙段的穿艙電纜分支拆分算法。

圖3 穿艙電纜拆分算法

4.1.2 圖形化電纜束分支優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計師根據(jù)電纜走向布局、電纜通道的敷設(shè)能力等約束條件，設(shè)定電纜分支閾值。當(dāng)電纜束超過設(shè)定閾值分支數(shù)時，軟件系統(tǒng)可以圖形化方式自動識別并繪制拓?fù)鋱D，并按照不同的布局方案計算出分支分割點，設(shè)計師擇優(yōu)在分割點處加入轉(zhuǎn)接連接器后，可將復(fù)雜大電纜拆分為滿足敷設(shè)條件的多束小電纜，實現(xiàn)優(yōu)化分支的目的。圖4展示了某束復(fù)雜電纜W001的分支拓?fù)鋬?yōu)化，通過軟件計算出的兩個分支優(yōu)化分割點，可將該電纜拆分為圖中所示W(wǎng)001_1～W001_3三束小電纜。

圖4 圖形化電纜分支拓?fù)鋬?yōu)化

4.2 線型線徑自動化設(shè)計

導(dǎo)線選型含導(dǎo)線類型和線徑規(guī)格兩方面的設(shè)計。導(dǎo)線類型指屏蔽性能、雙絞要求、單雙層絕緣等，線徑規(guī)格主要取決于導(dǎo)線的載流量[1]，如果一根導(dǎo)線需要承載的電流較大，則需要選擇較粗的導(dǎo)線，以滿足導(dǎo)線的載流、壓降及散熱需求，而小電流信號采用較細(xì)導(dǎo)線傳輸即可。因此線徑的設(shè)計與導(dǎo)線載流量形成一種規(guī)律的規(guī)則。由設(shè)計師結(jié)合導(dǎo)線模型及元器件降額原則、EMC要求和工藝匹配要求形成導(dǎo)線選型規(guī)則，軟件按照該規(guī)則自動完成導(dǎo)線配置。

線型線徑自動化設(shè)計流程如圖5所示。首先根據(jù)屏絞要求確定導(dǎo)線類型，再依據(jù)導(dǎo)線兩端連接器型號的工藝匹配原則初步確定線徑范圍，再進一步根據(jù)元器件降額準(zhǔn)則，進行線徑降額設(shè)計，最終實現(xiàn)導(dǎo)線線型及線規(guī)的配置[6，7]。

圖5 線型線徑自動設(shè)計流程

4.3 電纜網(wǎng)自動校核方法

圖6 電纜網(wǎng)自動校核

基于電連接器、導(dǎo)線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之上，借助SCDS與IDS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，對電連接器工藝、導(dǎo)線規(guī)格、降額設(shè)計、屏絞設(shè)計正確性自動校核，如圖6所示。同時，可對電纜網(wǎng)設(shè)計輸入與輸出數(shù)據(jù)、不同設(shè)計文件之間的接口數(shù)據(jù)、設(shè)計部門與生產(chǎn)制造部門數(shù)據(jù)的一致性與設(shè)計正確性自動校驗和檢查。

4.4 數(shù)據(jù)自動化管理

借助SCDS建立電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺，對IDS（設(shè)備接口與表單數(shù)據(jù)）、輔助設(shè)計數(shù)據(jù)、電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)、更改控制數(shù)據(jù)、日常維護數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。利用與IDS系統(tǒng)的WebService接口，將設(shè)備電連接器、接點信息、接點連接關(guān)系自動識別、關(guān)聯(lián)和匹配核對，同時自動識別設(shè)備布局位置，按航天器艙段結(jié)構(gòu)，分段管理電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)。

通過對電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動化管理，可以保證設(shè)計數(shù)據(jù)版本唯一，實現(xiàn)不同文件之間的數(shù)據(jù)共享。電纜網(wǎng)設(shè)計多份文件都基于共同的數(shù)據(jù)平臺之上，接點數(shù)據(jù)發(fā)生更改時，只需要對其中的一份文件更改操作，然后通過軟件的自動查詢更新功能，可以將相關(guān)聯(lián)的文件狀態(tài)更新。通過對數(shù)據(jù)的自動化管理，可以確保電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)狀態(tài)的正確性。

4.5 數(shù)據(jù)分析與計算

為滿足不同階段的型號任務(wù)需求，將電纜網(wǎng)數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化處理，借助軟件從不同經(jīng)緯度獲取重量、電連接器接點排布、電連接器數(shù)量及型號配套、電纜長度、供電電纜束壓降等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并按照設(shè)計師提供的規(guī)則計算和分析。

圖7 電纜長度重量數(shù)據(jù)分析

圖7為通過元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的重量信息獲取的某型號單根電纜長度及重量數(shù)據(jù)。

4.6 技術(shù)優(yōu)勢

基于SCDS的載人航天器電纜網(wǎng)自動化設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法優(yōu)勢比較如表1所示。該方法充分利用自動化、信息化、數(shù)字化手段，實現(xiàn)電纜分支優(yōu)化設(shè)計，線型線徑自動設(shè)計，數(shù)據(jù)自動校核、管理和分析計算等功能，在多個載人航天器上推廣應(yīng)用，準(zhǔn)確、高效地實現(xiàn)了電纜網(wǎng)設(shè)計，具有傳統(tǒng)電纜網(wǎng)設(shè)計方法無可比擬的優(yōu)勢。

表1 基于SCDS電纜網(wǎng)自動化設(shè)計方法優(yōu)勢比較

5 結(jié)束語

經(jīng)多個載人航天器在軌飛行驗證，基于SCDS的載人航天器電纜網(wǎng)自動化設(shè)計方法在提升設(shè)計效率的同時，能夠極大程度地提高電纜網(wǎng)產(chǎn)品質(zhì)量。技術(shù)優(yōu)勢明顯，對于提升航天器電纜網(wǎng)總體設(shè)計水平，具有重要意義。

1 王穎艷，黃業(yè)平.航天器低頻電纜網(wǎng)的設(shè)計[J].航天器環(huán)境工程，2013，30(2)：200～202

2 譚維熾，胡金剛.航天器系統(tǒng)工程[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009

3 王美靖.基于CHS 與Pro/E_cabling電氣系統(tǒng)線纜線束數(shù)字化設(shè)計[J].車輛與動力技術(shù)，2013(3)：112～114

4 郝冬晶. 基于CHS 軟件的飛機線束設(shè)計應(yīng)用[J].科技資訊，2013，16：19～20

5 陳卓. 民用飛機電氣線路的設(shè)計流程[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2012(6)：101～103

6 NHB 5300. 4(3G) Requirements for interconnection cables, harnesses, and wring [S]. 1985. 4

7 Q/W 1236—2010航天器布線束設(shè)計、制造及驗收技術(shù)要求[S].2010-04-30

Automatic Design of Manned Spacecraft Cables Based on SCDS

Zhou Yao1Yu Wei2Cheng Tianran1Wu Jingsong1Wu Yiran1

(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094;2. Institute of Manned Space System Engineering, Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100190)

The manned spacecraft cable design system (SCDS) is developed to solve the problems of the long time needed to complete the correctness and consistency check of a lot of drawings and forms in manned spacecraft cables design, and the unsmooth data transmission existing in design and manufacturing links which greatly restricted the efficiency and quality. The specification is integrated into the software and the automation of the design process is achieved. The design mode is introduced and the automated design method of manned spacecraft cables based on SCDS is described in detail.

manned spacecraft；cable；SCDS；automatic design

周垚（1985），碩士，電氣工程專業(yè)；研究方向：航天器供配電設(shè)計。

2017-06-29