基于線纜路徑優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)技術(shù)研究

聶珊珊，聶小華

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

隨著飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)模的不斷增大，線纜數(shù)量倍增，試驗(yàn)現(xiàn)場的線纜安裝工作量也不斷增大。對(duì)于大規(guī)模試驗(yàn)，線纜包含了強(qiáng)電線纜、弱電線纜、油路線纜和測量線纜等多種類型。在線纜鋪設(shè)過程中，線纜的路徑對(duì)線纜的長度、轉(zhuǎn)角、扎緊的形式都有明顯的影響，這對(duì)試驗(yàn)安全性和可靠性都是一定的挑戰(zhàn)。

線纜布局和路徑優(yōu)化問題已有很多專家學(xué)者進(jìn)行了研究。劉檢華[1]等提出了一種管路數(shù)字化布局方法，建立了合理的技術(shù)框架和集成應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)闡述了管路布局設(shè)計(jì)與自動(dòng)評(píng)價(jià)、導(dǎo)管彎曲成形質(zhì)量預(yù)測與檢測，研究了導(dǎo)管數(shù)字化制造集成技術(shù)，并建立了工藝數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了基于多目視覺的管路數(shù)字化測量方法，提高了航空航天等復(fù)雜產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。趙博天[2]研究了三維布管實(shí)施系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、管理的一體化，改變了以往主要靠二維軟件進(jìn)行管路鋪設(shè)的現(xiàn)狀，有效提高了管路系統(tǒng)的研制質(zhì)量，縮短了研制周期。曲艷峰[3]提出了一種動(dòng)態(tài)蟻群算法，采用柵格法建立環(huán)境模型，解決了蟻群算法應(yīng)用于三維管路路徑規(guī)劃時(shí)運(yùn)行時(shí)間長、搜索效率低等問題，有效減少了路徑中直管彎頭的數(shù)量，管路鋪設(shè)整齊，收斂速度提高，具有較強(qiáng)的全局尋優(yōu)能力。吳宏超[4]等提出了一種基于螢火蟲算法的管路布局序列優(yōu)化方法，以長度、折彎數(shù)和流阻為綜合優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合布局過程的約束條件建立了優(yōu)化模型并創(chuàng)新了算法，解決了復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品中的多根管路布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題。趙柏萱[5]等提出了一種基于工程規(guī)則的管路自動(dòng)布局與綜合優(yōu)化方法，采用運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)布局，通過模擬退火算法對(duì)管路布局方案進(jìn)行優(yōu)化，建立了管路布局知識(shí)庫和自動(dòng)評(píng)價(jià)技術(shù)，解決了復(fù)雜產(chǎn)品中管路布局耗時(shí)長、返工率高的問題。

基于以上研究成果，本文提出了基于試驗(yàn)線纜路徑優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)技術(shù)，通過對(duì)線纜的性質(zhì)和工作環(huán)境進(jìn)行深入分析，提出了數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)的學(xué)習(xí)算法，提高了線纜鋪設(shè)的效率和試驗(yàn)現(xiàn)場的整潔度，縮短了試驗(yàn)周期。

2 試驗(yàn)線纜簡介

試驗(yàn)中的主要線纜包括電氣類線纜和液壓類線纜，其中，電氣類線纜又分為強(qiáng)電線纜和弱電線纜。強(qiáng)電線纜主要是設(shè)備電源供電電纜；弱電線纜主要包括伺服控制線以及傳感器線等。在本文中，液壓類線纜是指液壓管路的軟管部分，一般分為：高壓管路，也是試驗(yàn)中的先導(dǎo)壓力管路；低壓管路，一般是指先導(dǎo)傳輸經(jīng)過服務(wù)歧管到液壓缸的管路，其壓力有所下降。

2.1 線纜分類

電氣類線纜以力傳感器線纜為例，其外觀如圖1所示。線纜線芯采用的是10芯線纜，兩端由一個(gè)大插頭和一個(gè)小插頭構(gòu)成。工作過程中，控制系統(tǒng)線纜插槽面板通過大插頭與傳感器相連，傳感器輸出端口通過小插頭與傳感器接口相連。該線纜的主要功能包括激勵(lì)輸入、激勵(lì)檢測、反饋檢測、反饋效驗(yàn)各正負(fù)兩向端口，另外兩根芯線為線纜的電磁屏蔽端，接在插座的相應(yīng)位置，以屏蔽在試驗(yàn)環(huán)境中出現(xiàn)的電磁干擾。

圖1 電氣類線纜

液壓類線纜以供油和回油線纜為例(如圖2所示)。試驗(yàn)過程中，先導(dǎo)壓力經(jīng)過油路分配器之后才進(jìn)入各個(gè)加載點(diǎn)的液壓缸。試驗(yàn)加載點(diǎn)眾多，但每個(gè)液壓缸都配有單獨(dú)的油路分配開關(guān)，一個(gè)典型的油路分配器上一般分有10個(gè)液壓缸的管路。在試驗(yàn)中，油路分配器的作用是人工切斷油路，也是試驗(yàn)拆裝的一種保護(hù)，每個(gè)支路對(duì)應(yīng)的液壓缸都是供油端。同時(shí)，在液壓缸上還有回油管路。液壓管路主要考慮其線路的一致性，也就是需要線纜的路徑清晰明了，嚴(yán)格執(zhí)行一對(duì)一的裝配原則，一方面方便在試驗(yàn)中對(duì)于故障的處理，另一方面保障試驗(yàn)安全。

圖2 液壓類線纜(管路)

2.2 線纜路徑規(guī)劃

在試驗(yàn)安裝總流程的各個(gè)階段，都有不同的線路路徑需要規(guī)劃，試驗(yàn)控制人員、試驗(yàn)測量人員、試驗(yàn)液壓安裝人員均要參與其中，線纜的路徑需要實(shí)現(xiàn)多部門協(xié)調(diào)，而且在試驗(yàn)安裝流程中，各部門存在交叉作業(yè)的情況。所以，考慮線纜鋪設(shè)的優(yōu)先級(jí)對(duì)線路優(yōu)化具有重要的價(jià)值。如表1所示，本文根據(jù)以往多個(gè)型號(hào)試驗(yàn)的線纜使用和安裝情況分別對(duì)各類線纜分配了優(yōu)先級(jí)，一方面指導(dǎo)試驗(yàn)線纜安裝人員按照流程規(guī)范作業(yè)，另一方面為數(shù)據(jù)庫的研發(fā)提供算法依據(jù)。

表1 線纜路徑優(yōu)先級(jí)

線纜優(yōu)先級(jí)分為四個(gè)級(jí)別，主要根據(jù)其在整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境中的重要性以及安全性劃分。其中，一級(jí)線纜主要包含電氣類線纜的強(qiáng)電線纜，二級(jí)線纜包括液壓類線纜，三級(jí)線纜主要包含電氣類線纜的弱電線纜，四級(jí)線纜主要是電氣類線纜中比較獨(dú)立和耦合性不強(qiáng)的線纜。同時(shí)，為每一級(jí)線纜都留有與其他線纜的干擾項(xiàng)接口，主要考慮安裝過程中個(gè)別線纜的交叉作業(yè)。

3 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

3.1 數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)流程如圖3所示，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫錄入界面，將本次使用的線纜進(jìn)行編碼后的文檔導(dǎo)入?？紤]到多個(gè)工況安裝的歷史信息能夠?qū)υ囼?yàn)給予足夠的指導(dǎo)，在數(shù)據(jù)流程中加入優(yōu)先級(jí)效驗(yàn)?zāi)Ｊ?，通過與專家系統(tǒng)的信息化互聯(lián)，使當(dāng)前輸入線纜的優(yōu)先級(jí)能夠及時(shí)通過電子文檔形式傳入數(shù)據(jù)庫，并在讀取數(shù)據(jù)的過程中進(jìn)行優(yōu)先級(jí)自動(dòng)在線效驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)滿足輸入條件時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式。同樣，在線纜數(shù)據(jù)調(diào)用過程中，只要按照線纜需求列出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需求表，在系統(tǒng)留有的表格接口讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，根據(jù)本工況的線纜鋪設(shè)需求進(jìn)行自動(dòng)路徑規(guī)劃和安裝順序的初步設(shè)計(jì)，匹配完成后導(dǎo)出表格以供使用。

圖3 數(shù)據(jù)流程圖

3.2 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

對(duì)試驗(yàn)線纜的各類相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)，根據(jù)樹級(jí)層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)各類線纜。線纜數(shù)據(jù)庫包含兩大類數(shù)據(jù)：線纜的分類數(shù)據(jù)和各分類數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。

(1)線纜分類數(shù)據(jù)。本部分只存儲(chǔ)線纜的基本信息，對(duì)現(xiàn)有線纜進(jìn)行編號(hào)便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)調(diào)用，具體包括：線纜基本類型，線纜編號(hào)數(shù)據(jù)，所屬分類，所屬專業(yè)類別，線纜預(yù)覽圖片，鋪設(shè)基本原則，線纜歷史數(shù)據(jù)，線纜維修數(shù)據(jù)。

(2)優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)。某工況對(duì)應(yīng)的線纜安裝優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫的專家系統(tǒng)部分，為新工況的線纜鋪設(shè)提供直接參考，具體包括：理論優(yōu)先級(jí)，某試驗(yàn)中優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)描述信息，交叉作業(yè)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，路徑優(yōu)化方法，優(yōu)先級(jí)輸出預(yù)覽，迭代原則。

4 結(jié)束語

通過對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)線纜的分析，研究了線纜路徑規(guī)劃，構(gòu)建了以專家數(shù)據(jù)庫為智能算法的線纜布局優(yōu)化系統(tǒng)，給出了線纜鋪設(shè)需要規(guī)避的原則，對(duì)線纜進(jìn)行分類，由數(shù)據(jù)庫的整體智能規(guī)劃給出線纜鋪設(shè)的最優(yōu)解。下一步的工作將聚焦線纜模型的構(gòu)建和優(yōu)化算法效率的提升。