電纜網標準化設計系統的建設與應用

◎北京航天發射技術研究所 楊鋒 尚維琦 吳齊才

近年來，隨著型號產品研制數字化平臺建設的深入，電氣系統的數字化設計越來越受到重視。電纜網設計是電氣系統設計必不可少的一部分，我所傳統的電纜網設計采用AutoCAD、Protel、Word等軟件工具分別設計線纜連接圖、明細表、接線表等圖文檔。這種設計方式重復勞動多、效率低，而且由于數據缺乏統一管理，無法保證設計各階段之間設計數據的一致性，設計質量低。目前，型號研制周期越來越短、系統越來越復雜、設計質量要求越來越高，傳統的設計工具已無法適應型號研制要求。

本文在分析傳統的電纜網研制流程基礎上，基于JES(Joydrive Electrical Solutions)工具開發出一種融合設計流程、模版、標準的標準化的電纜網設計系統，大幅提升研制效率和質量，并在型號研制中廣泛應用。

一、建設目標

1、建立設計數據庫，實現數據統一管理。按照產品優選目錄，結合型號常用產品樣本資料建立連接器、尾罩、附件、導線、電纜等標準件數據庫，在電纜設計時直接從庫中選取，并提供管理功能用于管理庫中的內容。

2、固化設計流程，提升設計規范性。梳理設計流程及其各環節的輸入輸出模版，包括任務書、總圖、線纜連接圖、總明細表等圖文件模版，通過設計任務書模板規范電纜相關的主要設計參數，后續電纜圖紙的生成直接從設計任務書中讀取電纜主要參數，避免人工二次輸入，減少工作量。

3、嵌入標準、經驗、常見問題等設計知識，提升設計質量。在系統中嵌入電纜網的設計標準、經驗，并考慮到知識融合，實現知識推送及界面提示。

4、設定校對檢驗規則，實現設計過程一致性檢查。嵌入各種規則約束，電纜設計完成后，實現設計圖文檔的一致性檢查，包括電纜總圖、線纜連接圖、總明細表、元件采購清單之間的一致性檢查。

二、系統建設方案

JES中的Joydrive Harness模塊提供了邏輯設計、接線設計、設計自動化等功能，系統以此模塊為基礎，結合建設目標進行二次開發，并以單獨插件進行封裝，不影響原有功能，總體設計框架如圖1所示。系統層提供操作系統及相關底層驅動支持，提供數據庫管理環境；繪圖層以Joydrive ECAD為繪圖平臺，支持繪制電纜網線束，自動繪制電纜網總布置圖和電纜網工程圖，以圖形化的方式展現電纜線束之間的連接關系等；功能層作為系統功能的主要實現，固化設計流程，檢查規則，嵌入知識點，為用戶提供操作界面。

通過開發將流程固化在系統中，并以流程驅動設計工作，標準化后的詳細設計流程為：設計任務書→繪制電纜網總圖→單根線纜工程圖→繪制接線圖→編制明細表→編寫技術條件。如圖2所示。

1、制定任務書模版，設置關鍵參數：建立規范化的電纜網任務書，制定電纜主要參數表，包含序號、電纜名稱、圖號、電纜位號、名稱代號、插頭位號、插頭型號、插頭點定義、電纜長度、安裝位置等特征參數信息；系統通過讀取任務書參數表格，提取特征參數信息，保存在數據庫中，以便后續進行圖紙和文件的自動生成；

2、自動生成電纜網總圖和電纜工程圖：根據任務書參數表格讀取的數據自動生成電纜網總圖和工程圖，總圖包含單機產品、電纜連接關系、電纜標注和明細；工程圖主要包括線束分支圖及矩陣式接點連接關系圖；

3、元器件選型：從標準件庫中選擇所需的連接器、尾罩、電纜、導線、模縮套、熱縮管等；

4、生成線纜連接圖：根據電纜網總圖和電纜工程圖自動生成線纜連接圖，添加每個分支的導線根數標注，同時從工程子圖中獲取線纜規格信息；

5、生成線纜連接表：根據線纜連接圖和線纜連接表模板，讀取線纜連接圖中的電纜位號、分支導線根數、插頭連接信息、名稱、線纜規格信息，自動生成線纜連接表；

6、生成總明細表：根據電纜網總圖和電纜工程圖自動生成總明細表，取得其明細欄信息，并將其計算、整合，在根據相關排序規則分文件、外購件和標準件、材料三部分寫入總明細表中；

7、生成技術條件：根據技術條件模板取得名稱和代號等信息自動生成技術條件文檔；

8、規則檢查：分別進行任務書與電纜網總圖，電纜網總圖與電纜工程圖，總圖明細、電纜工程圖與總明細表之間的一致性檢查，并進行報錯提示；

9、若在設計過程中發生更改，依此流程進行循環迭代。

圖1 電纜網標準化設計系統架構圖

圖2 電纜網主要設計流程

三、系統各模塊建設

（一）快速設計模塊

主要實現從設計輸入文件到輸出文件的快速執行，從讀取任務書開始，到自動生成電纜網總布置圖、電纜工程圖、線纜連接表、總明細表等輸出文件和圖紙。

圖3 規范化流程界面圖

圖4 電纜網總布置圖

圖5 電纜工程圖

（二）設計流程規范化模塊

解決設計流程規范化問題，將整個電纜網設計過程中涉及到的流程進行排序、關聯整理，方便設計人員進行規范化的設計，可以統計當前流程執行度，如圖3所示。

（三）圖形化展示模塊

在Joydrive Harness繪圖平臺上，根據對輸入文件的相關處理，自動完成電纜網總布置圖、電纜工程圖的繪制，進行圖形化展示，成圖如圖4、圖5所示。

（四）標準件庫管理模塊

標準件庫主要實現對電連接器接插件、電連接器尾罩、電纜和導線等數據信息的管理，包括對數據信息的新增、查詢、刪除等功能，方便設計人員在設計電纜網的過程中選取合適的標準件型號。

（五）規則檢查模塊

根據任務書參數表格中的電氣性能要求、屏蔽要求、使用環境要求等約束條件進行元器件選型的規則檢查，規則檢查主要實現輸入文件與輸出文件的一致性檢查，為了保證設計數據在整個設計流程中保持一致而開發的模塊，主要包括三個設計方面的檢查，分別是：任務書與電纜網總圖檢查；電纜網總圖與電纜網工程圖檢查；總圖明細、電纜工程圖明細與總明細表檢查。

檢查結果會提示給設計人員，然后根據提示判斷該電纜網項目是否存在數據不一致的情況，從而進行相應的修改。

（六）數據更新模塊

在整個電纜網設計過程中，為同步電纜網項目下各個輸出文件的一致性，減少人為的參與更改次數，降低出錯幾率，開發了數據更新模塊。在該模塊中，只需要通過導入更改后的輸入文件，在保持原有電纜網總圖、電纜工程圖不改變布局的情況下，更改相應數據，避免人為二次參與調整圖紙，另外自動生成總明細表和線纜連接表，將更改的數據內容備注到表尾最后一頁，方便設計人員參考。

（七）知識推送模塊

知識推送模塊主要實現了兩個功能：介紹電纜網設計流程各個環節的具體操作細則；電纜網設計選型經驗文檔，歸納總結方便設計人員查詢。軟件主框架中融入知識推送、知識融合等界面化的提示，在元器件選型設計時提供經驗知識和選型指導，幫助設計人員規范設計的同時，為新設計人員提供學習的平臺。

四、關鍵技術

（一）矩陣式電路自動布局布線技術

在由電纜網總圖自動生成電纜網工程圖的過程中，軟件自動生成圖形化的插頭接點連接關系圖，并以矩陣化方式顯示，每個插頭為一列，插頭接點按照雙絞關系、屏蔽關系、跨接關系、與其它插頭接點連接關系以及插頭接點大小依次排列。接點連接以導線表示，不同插頭之間導線一般上下表示，插頭中的跨線一般左右連接。

矩陣式布局布線技術將圖像抽象為圖像拓撲關系，將插頭接點抽象為一個個節點，各個插頭以層次區分，每個插頭定義在一個層次。各個節點之間如分配一個個通道，而連接關系則在通道中行走。

（二）電纜網總圖布局布線技術

在讀取任務書自動生成電纜網總圖過程中，軟件自動生成圖形化的電纜連接關系圖。電纜網總圖布局技術將設備抽象為棋盤，先對所有設備計算其插頭數量，取插頭數量最多的設備放入主方格中，搜索該設備相連的其他設備，就近放入相鄰方格。循環計算其他設備。所有方格之間預留通道，插頭連接關系（電纜）則在通道中行走。

（三）電纜分支圖布局布線技術

在由電纜網總圖自動生成電纜網工程圖的過程中，軟件自動生成電纜分支圖放置在電纜網工程圖的上半部分。電纜分支圖布局布線分兩種，上下排列式和左右排列式。上下排列式搜索出電纜分支最多的插頭，將其定為主插頭。將主插頭放置在圖形正中間，并插頭朝下。取跟主插頭有分支連接的其他插頭，對稱排列在主插頭的上方，并插頭朝上。循環計算其他插頭。左右排列式同樣搜索出電纜分支最多的插頭，將其定位主插頭。將主插頭放置在左上角偏下四分之一位置，并插頭朝左。取跟主插頭有分支連接的其他插頭，對稱排列在主插頭的右邊，并插頭朝右。循環計算其他插頭。將電纜分支根據對稱、無交叉的原則連接插頭。

（四）接口集成技術

在讀取任務書和生成線纜連接表和總明細表過程中，軟件使用到Office接口技術。對Office接口函數進行調用一般有以下幾種技術：VBA接口技術、VSTO技術、Office Add-In(一款針對Microsoft Office的插件)、或直接調用Office 提供的API函數。Office的編程接口都是通過COM組件公開的，任何訪問Office編程接口的程序，實際上都必須要最終調用Office COM組件。在本項目中采用直接調用Office提供的API函數。

五、應用效果

將該系統應用在產品設計中，大幅提升了設計效率，按照傳統的設計方式編制一個型號的采購清單、裝機清單、電纜配套表、工藝文件、工藝規程等技術圖文檔平均每套圖（約30張圖紙，復雜程度為中等）需要約30個小時，而使用電纜網標準化設計系統自動生成同樣的圖文檔用時約5小時，平均縮短83%的設計周期；提高設計質量，采用傳統方式設計一套電纜網，在后續設計過程中約產生10份更改單，使用新系統后平均需3份更改單，平均提高70%設計質量。

結束語

本文介紹的電纜網標準化設計系統嵌入了常規的電纜網設計流程，實現了設計自動化和標準化，縮短電纜網的研制周期，進而提升電氣系統及整個型號的研制進度，極大提升電氣系統的設計質量和產品的固有可靠性，為后續整個電氣系統的數字化設計奠定了基礎。