衛(wèi)星矩陣式電纜機(jī)電聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)

宗可 王志富 徐珩衍 吳瑞蘭 王依一 成艷

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

衛(wèi)星矩陣式電纜機(jī)電聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)

宗可 王志富 徐珩衍 吳瑞蘭 王依一 成艷

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

針對(duì)目前矩陣式電纜設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、質(zhì)量相對(duì)較大、長(zhǎng)度難以估算的問題，文章提出了機(jī)電聯(lián)合的設(shè)計(jì)方法。該方法包含模型建立、長(zhǎng)度評(píng)估和優(yōu)化算法3部分。首先，通過接口電路建模和輕量化三維路徑建模，將圖形化設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合；其次，通過梳理各分支點(diǎn)之間的數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了電纜長(zhǎng)度即時(shí)估算；最后，針對(duì)接點(diǎn)分配設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提出一種自動(dòng)迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，進(jìn)一步提高了設(shè)計(jì)效率和品質(zhì)，并對(duì)影響算法復(fù)雜度的因素進(jìn)行了分析。以某衛(wèi)星為例，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：此方法可以有效縮短設(shè)計(jì)周期，并且電纜長(zhǎng)度較優(yōu)化前減少約8%。

衛(wèi)星矩陣式電纜；機(jī)電一體化；接點(diǎn)設(shè)計(jì)；走向設(shè)計(jì)；長(zhǎng)度預(yù)估

1 引言

矩陣式遙測(cè)和矩陣式指令是星載綜合電子的一項(xiàng)核心技術(shù)[1]，主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了所需元器件與電纜的數(shù)量，可以顯著減小衛(wèi)星平臺(tái)質(zhì)量，其廣泛應(yīng)用于我國(guó)各類通信衛(wèi)星。普通遙控指令輸出電路采用一根正線和一根回線對(duì)應(yīng)一個(gè)指令負(fù)載的連接方式，而矩陣指令驅(qū)動(dòng)電路可通過m根行控制線和n根列控制線控制m×n個(gè)指令負(fù)載，當(dāng)某條指令需要對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，需要同時(shí)接通該指令所對(duì)應(yīng)的行開關(guān)和列開關(guān)，此時(shí)矩陣式指令驅(qū)動(dòng)電路為對(duì)應(yīng)的負(fù)載設(shè)備建立了由電源到地的供電回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作。在驅(qū)動(dòng)設(shè)備與負(fù)載設(shè)備的電纜連接關(guān)系上形似一個(gè)矩陣網(wǎng)絡(luò)，故矩陣式指令驅(qū)動(dòng)電路與負(fù)載間的連接電纜或狀態(tài)采集電路與負(fù)載間的連接電纜統(tǒng)稱為矩陣式電纜，矩陣式電纜屬于衛(wèi)星低頻電纜網(wǎng)的一部分。由于在連接關(guān)系上存在一對(duì)多、多對(duì)一等復(fù)雜情況，同時(shí)設(shè)備布局、接點(diǎn)分配、過渡設(shè)計(jì)、走向設(shè)計(jì)等因素互相耦合導(dǎo)致電纜的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度高，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，調(diào)整代價(jià)大。因此，研究并采用優(yōu)化方法和高效工具完成矩陣式電纜設(shè)計(jì)對(duì)衛(wèi)星復(fù)雜電纜網(wǎng)研制具有重要意義。

電纜設(shè)計(jì)主要涉及機(jī)械設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)兩個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。對(duì)于矩陣式電纜，需要采用機(jī)電聯(lián)合的設(shè)計(jì)方法，即通過在機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)間進(jìn)行反復(fù)迭代，使得設(shè)計(jì)結(jié)果滿足布局、走向以及接口電路特性等邊界條件[2]，在此基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)耗時(shí)和電纜質(zhì)量做進(jìn)一步優(yōu)化。目前，針對(duì)電纜數(shù)字化布局設(shè)計(jì)，國(guó)外機(jī)構(gòu)開發(fā)了如Co-Star系統(tǒng)[3]、基于Pro/E[4]軟件或CATIA平臺(tái)的電纜設(shè)計(jì)模塊等，針對(duì)電纜網(wǎng)數(shù)字化設(shè)計(jì)開發(fā)了CHS平臺(tái)[5]，這些已在國(guó)外航空、航天、汽車等領(lǐng)域的線纜線束設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用[6]，如法國(guó)THALES公司將衛(wèi)星電纜研制外包給空中客車公司，并采用達(dá)索公司的數(shù)字化解決方案。國(guó)內(nèi)的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙蔡岢隽藬?shù)字化電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)的新流程和新思路[7]。然而，針對(duì)矩陣式電纜的機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)，至今為止國(guó)內(nèi)外尚未見公開發(fā)表文獻(xiàn)?，F(xiàn)有電纜設(shè)計(jì)方法和工具大多側(cè)重于機(jī)械或電氣設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)流程基本保持串行，對(duì)于矩式陣電纜，如果套用一般電纜設(shè)計(jì)方法，在路徑定義、接點(diǎn)分配等關(guān)鍵環(huán)節(jié)則較為依賴人工經(jīng)驗(yàn)，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)周，并且難以在減重方面獲得更優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。在機(jī)電耦合條件下，對(duì)聯(lián)合設(shè)計(jì)方法研究不足，缺少基于數(shù)字化模型的快速迭代設(shè)計(jì)方案。

為了提高設(shè)計(jì)效率，減小電纜質(zhì)量，本文對(duì)電纜走向和接點(diǎn)設(shè)計(jì)緊耦合條件下的設(shè)計(jì)原則、建模方法進(jìn)行了研究，提出了基于模型的機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，并在衛(wèi)星中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證。

2 矩陣式電纜接點(diǎn)與走向設(shè)計(jì)原理

2.1矩陣式電纜接點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

矩陣式指令通過行(高電平端)控制線和列(低電平端)控制線來控制負(fù)載的工作。當(dāng)某條指令需要對(duì)某一設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，需要同時(shí)接通該指令所對(duì)應(yīng)的行和列，此時(shí)矩陣式驅(qū)動(dòng)電路為對(duì)應(yīng)的負(fù)載設(shè)備建立了由電源到地的供電回路，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)作(見圖1)。

類似地，矩陣式遙測(cè)采集電路也是通過行和列控制線來完成負(fù)載的遙測(cè)輪流采集。

對(duì)于指令負(fù)載端設(shè)備，如果帶有多個(gè)負(fù)載，則接口通常也采用矩陣式電路，如圖2所示，為2個(gè)負(fù)載組成的接口電路，對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同負(fù)載的指令1、2從行接點(diǎn)1、2分別接入，以接點(diǎn)3作為回線，因此兩個(gè)負(fù)載共用一個(gè)指令回線接點(diǎn)。

對(duì)于矩陣式指令電纜接點(diǎn)分配工作來說，是將驅(qū)動(dòng)端設(shè)備接點(diǎn)與負(fù)載端設(shè)備接點(diǎn)建立映射關(guān)系，通過電纜進(jìn)行物理相連，形成指令脈沖控制回路，來達(dá)到通過驅(qū)動(dòng)端設(shè)備控制各星上負(fù)載設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的目的。

在分配的過程中要遵循以下基本原則：

(1)驅(qū)動(dòng)端與負(fù)載端的行列關(guān)系應(yīng)一致，行線對(duì)應(yīng)行線，列線對(duì)應(yīng)列線；

(2)負(fù)載端非共用行/列線時(shí)，應(yīng)分配不同的驅(qū)動(dòng)端行/列與之相連；

(3)禁止不同負(fù)載的行和列同時(shí)與驅(qū)動(dòng)端的相同行和列相連，否則將造成同一指令同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載的情況。

同理，遙測(cè)采集端和負(fù)載端也遵循以上連接原則。

實(shí)際上，衛(wèi)星上設(shè)備矩陣式接口類型多樣，行列線數(shù)量、對(duì)應(yīng)接點(diǎn)編號(hào)、共行或共列接點(diǎn)情況都要通過對(duì)接口電路圖進(jìn)行詳細(xì)分析才能確定，人工完成接點(diǎn)設(shè)計(jì)工作極為繁瑣、復(fù)雜。

2.2矩陣式電纜走向設(shè)計(jì)原理

矩陣式電纜走向設(shè)計(jì)分為預(yù)設(shè)計(jì)和正式設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。在預(yù)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)矩陣式設(shè)備(即采用矩陣式接口電路的設(shè)備)的布局位置，完成電纜路徑的定義，包括主路徑和分支路徑，主路徑從具有矩陣式指令發(fā)送或遙測(cè)采集功能的設(shè)備出發(fā)，對(duì)大部分矩陣式設(shè)備所在艙板進(jìn)行遍歷后返回起始點(diǎn)。分支點(diǎn)一般選擇主路徑上離目標(biāo)矩陣式設(shè)備最近的位置。

主路徑定義是否合理對(duì)電纜長(zhǎng)度起決定作用。在布局設(shè)計(jì)中盡量考慮將矩陣式電纜兩端設(shè)備靠近，減少主束長(zhǎng)度。主路徑適當(dāng)靠近占用行列線數(shù)較多的區(qū)域，減少分支長(zhǎng)度。

同時(shí)，主路徑和分支路徑上鋪設(shè)的電纜束中信號(hào)線的根數(shù)與接點(diǎn)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。由于矩陣接口電路的特殊性，通過對(duì)連接負(fù)載所用行列信號(hào)線進(jìn)行合理的復(fù)用，可以減少分支甚至主束電纜中線纜的根數(shù)。

綜上，以減少電纜總長(zhǎng)度為目標(biāo)，電纜走向設(shè)計(jì)與接點(diǎn)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的耦合性。

3 機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)

現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法采用布局、預(yù)走向、接點(diǎn)、過渡插頭、接點(diǎn)表到三維模型設(shè)計(jì)的串行工作模式，當(dāng)三維模型設(shè)計(jì)完畢后，才能夠完成詳細(xì)評(píng)估，這樣使得迭代周期長(zhǎng)。本文所提出的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)前移策略，在接點(diǎn)設(shè)計(jì)完成后對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行快速評(píng)估，降低由于最終設(shè)計(jì)重量超差導(dǎo)致返工的風(fēng)險(xiǎn)，通過基于模型的全數(shù)字化設(shè)計(jì)，各環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)了無縫連接，縮短了信息傳遞轉(zhuǎn)換的時(shí)間，優(yōu)化了設(shè)計(jì)效果。

3.1電纜路徑及分支關(guān)系建模及長(zhǎng)度評(píng)估

為了使走向預(yù)設(shè)計(jì)結(jié)果能夠直接應(yīng)用于接點(diǎn)分配設(shè)計(jì)，需要構(gòu)建從三維路徑模型到二維分支長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)交互中間件。再由軟件根據(jù)中間件計(jì)算提取分支關(guān)系和長(zhǎng)度信息。圖3中綠色線為三維設(shè)計(jì)軟件定義的電纜路徑。

由于衛(wèi)星上大量采用矩陣式接口設(shè)備，導(dǎo)致電纜分支可達(dá)百余個(gè)，為了最小化迭代設(shè)計(jì)中的人工干預(yù)工作量，經(jīng)過多種方案比較，確定將路徑上所有接插件之間長(zhǎng)度作為數(shù)據(jù)交互中間件。根據(jù)接插件兩兩之間的長(zhǎng)度，經(jīng)過長(zhǎng)度加減計(jì)算可得到路徑上各分支點(diǎn)的位置即相對(duì)起點(diǎn)的長(zhǎng)度，同時(shí)可以獲得路徑上所有矩陣式電纜接插件的分支關(guān)系，完成對(duì)電纜的無向圖表達(dá)，如圖4所示。在完成接點(diǎn)設(shè)計(jì)后，可以獲得每段路徑上的電纜根數(shù)，長(zhǎng)度累加后即可快速預(yù)估總長(zhǎng)度。通過上述輕量化建模方法，可以簡(jiǎn)化電纜長(zhǎng)度預(yù)估，并用于后續(xù)接點(diǎn)分配設(shè)計(jì)迭代計(jì)算。

3.2矩陣式接口電路建模

由于星上設(shè)備矩陣式接口類型多樣，接點(diǎn)數(shù)量、負(fù)載關(guān)系、電路特性等不盡相同，因此，需要對(duì)矩陣式接口電路進(jìn)行數(shù)字化建模，以便于計(jì)算機(jī)按照接口模型對(duì)接點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)分配?？刹捎脠D形化的表達(dá)方法進(jìn)行建模，方法如下：

假設(shè)一臺(tái)指令負(fù)載端設(shè)備具有9個(gè)矩陣式指令，分別由3條行控制線和3條列控制線完成指令控制。則其接口等效拓?fù)淠Ｐ腿鐖D5所示。

圖5中，9個(gè)指令代號(hào)分別為M到U，接口電連接器上的接點(diǎn)名稱分別為R1，R2，R3，C1，C2，C3，對(duì)應(yīng)的接點(diǎn)編號(hào)為1～6點(diǎn)，R為行控制點(diǎn)，C為列控制點(diǎn)。

已知，通過接口電路可以判斷指令驅(qū)動(dòng)端設(shè)備與該負(fù)載設(shè)備的R1(1點(diǎn))和C1(4點(diǎn))相連后可以形成控制回路完成指令M的驅(qū)動(dòng)，同理如R1，C2為驅(qū)動(dòng)指令N的相關(guān)接點(diǎn)。

同理，對(duì)于指令驅(qū)動(dòng)端設(shè)備而言，也可以建立一個(gè)類似的等效模型。

根據(jù)接點(diǎn)分配原理，可以通過拓?fù)淠Ｐ蛯⒔⒔狱c(diǎn)物理映射關(guān)系的工作轉(zhuǎn)化為模型之間的虛擬映射，如圖6所示，右側(cè)3×3小矩陣應(yīng)按照相互之間的關(guān)系，“鑲嵌”到指令發(fā)送端矩陣塊中，如，指令M與指令b建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，N與c建立對(duì)應(yīng)關(guān)系；又如，圖6(b)中M、P、S為共列(共用C1’列)，則“鑲嵌”到圖6(a)發(fā)送模塊中時(shí)對(duì)應(yīng)的位置也必須為共列。

遙測(cè)電路與指令電路建模原理相同。通過接口建模，并經(jīng)過圖形化處理，可以將物理邊界條件轉(zhuǎn)化為圖形與圖形間的邊界條件，在設(shè)計(jì)過程中只需關(guān)注圖形間的相對(duì)關(guān)系，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)規(guī)則，并顯著降低設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)效率。進(jìn)一步將模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的公式語言，以便于數(shù)字化設(shè)計(jì)。

3.3矩陣接點(diǎn)優(yōu)化分配算法

從3.2節(jié)所述等效模型的角度考慮，接點(diǎn)分配就是確定“鑲嵌”的位置，位置的不同決定了哪些設(shè)備將復(fù)用相同的行線電纜和列線電纜，分配的基本約束條件為模型與模型的位置在二維平面內(nèi)不重疊，優(yōu)化目標(biāo)為電纜總長(zhǎng)度最短，即Min(∑Ln)，電纜每個(gè)分支點(diǎn)之間的長(zhǎng)度Ln可以通過3.1節(jié)所述“中間件”獲得。實(shí)際上，現(xiàn)有人工分配方法的基本思路是按照矩陣式設(shè)備遍歷順序依次進(jìn)行分配，同一設(shè)備盡量集中分配，后面排的設(shè)備本著盡量復(fù)用行列減少電纜長(zhǎng)度的原則，盡可能使用較少的正線(行線)和回線(列線)。

然而，對(duì)于電纜總長(zhǎng)度的計(jì)算，電纜主束和分支的路徑與線纜的復(fù)用即接點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果存在耦合，只有在合理的分支關(guān)系和路徑下，通過合理的復(fù)用行、列線纜，才可以達(dá)到電纜總長(zhǎng)度的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

不同于超大規(guī)模集成電路布線問題[8]和二維裝箱問題[9]，矩陣間的連接關(guān)系是隨行列選擇設(shè)計(jì)而變化；不同于多旅行商問題[10]，不僅存在容量限制，且旅行商間存在約束關(guān)系；本問題是一個(gè)二維帶沖突和容量約束的車輛路徑問題[11]，屬于一類多項(xiàng)式復(fù)雜程度的非確定性問題。對(duì)于此問題的處理，為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算時(shí)間可控的設(shè)計(jì)優(yōu)化，權(quán)衡復(fù)雜度和優(yōu)化效果，首先利用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)有限個(gè)路徑方案，確定分配區(qū)域，簡(jiǎn)化迭代，再根據(jù)算法分別完成模型的位置選擇，可以快速獲取較優(yōu)解。

1)路徑選擇

由于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)布局限制，實(shí)際可供選擇的路徑有限，可以采用“魚骨”型或者“Z”字型走線方式，確定若干個(gè)路徑分支方案，再分別進(jìn)行接點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后根據(jù)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果選擇最優(yōu)方案。

2)分區(qū)處理

矩陣式遙測(cè)和矩陣式遙控是兩個(gè)不同的模塊，需要分開處理。為了減少電纜穿艙和跨板，所有矩陣式設(shè)備按布局分為有限個(gè)區(qū)域。

3)選排算法

實(shí)現(xiàn)了一種啟發(fā)式的構(gòu)造算法。在每次選定待排矩陣后，在有限個(gè)待排位置上進(jìn)行嘗試，并計(jì)算電纜總長(zhǎng)度增量，選取增量最小的排布方式；依次選擇待排矩陣直到所有矩陣排列完畢。矩陣可分配接點(diǎn)的總數(shù)是預(yù)先規(guī)定的，每選排一個(gè)矩陣之后，要檢查是否有剩余空位，如果沒有空位直接終止程序并報(bào)告，如果有空位則繼續(xù)選排下一矩陣。算法見圖7。

如圖7中所示，首先獲取全部矩陣模型，按照3.1節(jié)方法獲取路徑上所有矩陣式電纜接插件的分支關(guān)系建立樹形結(jié)構(gòu)，對(duì)全部矩陣按照占用行或列數(shù)由大到小進(jìn)行排序，如果數(shù)量相同則行列數(shù)之和大的排序靠前，選擇未排矩陣中排序靠前的進(jìn)行排布位置嘗試。選定矩陣后，將該矩陣排到增量最小的位置，增量相同的情況下，如果已用行數(shù)小于已用列數(shù)，則優(yōu)先占用行，反之占用列，隨機(jī)位置作為以上步驟仍無法區(qū)分優(yōu)先級(jí)的補(bǔ)充方法。接下來，按照排序選擇同一設(shè)備上的其他矩陣，按照行列數(shù)之和最小的排列形式與已排矩陣進(jìn)行組合排布。重復(fù)上述步驟直到同一設(shè)備所有矩陣排放完畢后，按照樹形結(jié)構(gòu)順序先后選擇上一個(gè)排完的設(shè)備所在電纜分支上的其他設(shè)備，直至排完該分支上所有設(shè)備。排完同一分支上所有設(shè)備后，選擇主束上后續(xù)分支上的設(shè)備重復(fù)上述步驟，直至全部矩陣排放完畢。最后檢查是否可以通過挪動(dòng)矩陣填補(bǔ)空格來減少使用的行列數(shù)。

4 實(shí)例分析

根據(jù)本文所述建模和計(jì)算方法，用C語言編寫了輔助設(shè)計(jì)軟件，基于CATIA軟件進(jìn)行了接口二次開發(fā)，用于獲取儀器布局和路徑模型，可以完成設(shè)備電接口信息收集、確定分區(qū)、接點(diǎn)分配和路徑選擇，輸出矩陣接點(diǎn)分配表。流程如圖8所示，實(shí)線框中為軟件執(zhí)行部分。通過數(shù)字化工具手段，確定分區(qū)、路徑建模、接點(diǎn)分配以及接點(diǎn)表輸出等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)用時(shí)，可從之前的數(shù)天縮短為數(shù)小時(shí)。

以某實(shí)際設(shè)計(jì)完成的通信衛(wèi)星為例進(jìn)行了驗(yàn)證，并與原設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了比較。整星矩陣式遙測(cè)大于400條，矩陣式指令大于700條，涉及矩陣式設(shè)備超過70臺(tái)，全部安裝在通信艙。南、北板各配置一個(gè)指令發(fā)送模塊和一個(gè)遙測(cè)采集模塊。根據(jù)有限種路徑方案并行設(shè)計(jì)和計(jì)算，最終可確認(rèn)原 “魚骨”型走向方案最優(yōu)，證明采用人工經(jīng)驗(yàn)確定路徑簡(jiǎn)化算法的優(yōu)化方案可行，本文不再對(duì)布局和走向輸入條件進(jìn)行羅列,僅進(jìn)行接點(diǎn)分配調(diào)整。以某矩陣式指令模塊為例，圖9為原人工分配結(jié)果，每個(gè)格子代表一條指令，同一設(shè)備的指令按照等效模型排放在一起，相鄰不同設(shè)備顏色不同，基本采用依照設(shè)備遍歷順序結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖10為采用本文提出的優(yōu)化分配算法的設(shè)計(jì)結(jié)果。根據(jù)布局將待分配區(qū)縱向劃分為兩個(gè)區(qū)域，結(jié)合電纜路徑信息，由計(jì)算機(jī)根據(jù)選排原則自動(dòng)進(jìn)行分配。

根據(jù)上述接點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果，經(jīng)過長(zhǎng)度計(jì)算，分別可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的矩陣式電纜總長(zhǎng)度(按單根信號(hào)線計(jì)算)，見表1。

表1 電纜總長(zhǎng)度預(yù)算結(jié)果比對(duì)

由于設(shè)備布局未變，電纜路徑在優(yōu)化前后實(shí)際未做調(diào)整，因此在本例中僅通過接點(diǎn)分配調(diào)整即可優(yōu)化減少電纜共124 700 mm，約等于124 m，占矩陣式電纜總長(zhǎng)度約8.7%。按照矩陣式電纜使用的實(shí)際型號(hào)換算，單根信號(hào)線密度為2.6 g/m，減少電纜長(zhǎng)度1 305 230-1 180 530=124 700 mm，減小質(zhì)量為124 700 mm×2.6 g/m=324.22 g。

5 結(jié)束語

本文提出了針對(duì)矩陣式電纜設(shè)計(jì)的機(jī)電聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用衛(wèi)星實(shí)際飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)與原設(shè)計(jì)方法比較，優(yōu)化后的電纜長(zhǎng)度較之前減少8%，通過數(shù)字化工具手段，矩陣式電纜設(shè)計(jì)流程中確定分區(qū)、路徑建模、接點(diǎn)分配以及接點(diǎn)表輸出等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)用時(shí)縮短為數(shù)小時(shí)，證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及軟件算法的合理性和有效性，達(dá)到了優(yōu)化矩陣式電纜設(shè)計(jì)及縮短研制周期的預(yù)期結(jié)果。

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Optimal Mechatronic Design Research for Matrix Cables Used on Satellite

ZONG Ke WANG Zhifu XU Hangyan WU Ruilan WANG Yiyi CHENG Yan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

A mechatronics design method is presented in this paper aim to shorten overlong design cycle, lighten cable weight and reduce the difficulty of estimating length. This method is consisted of three parts including building models, length estimate and optimal algorithm. First, graphic design and parametric design are combined by interface circuit modeling and lightweight 3D route modeling. Then, real-time cable length estimate is achieved by calculating mathematical logic between junctions. At last, an automotive interactive optimized method is raised to enhance working efficient and quality. Factors which effect algorithm complexity are analyzed. Real project data is used to prove the effectiveness of the proposed method. The result shows that this method can shorten design cycle with 8% cable length reduced after optimization.

matrix cable used on satellite; mechatronics; junction allocation; route design; length estimate

TN702.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.003

2017-04-28；

2017-06-06

國(guó)家重大航天工程

宗可，男，工程師，從事衛(wèi)星信息總體設(shè)計(jì)工作。Email：375026955@qq.com。

(編輯：李多)