大型復雜航天器電纜網準時化投產研究

田志新 魏 平 杜 潔 曹 瑞 王虎妹

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大型復雜航天器電纜網準時化投產研究

田志新 魏 平 杜 潔 曹 瑞 王虎妹

（北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

針對大型復雜航天裝備電纜網多品種、小批量、技術狀態更改多的特點，提出一種基于動態染色無向圖模型的準時化投產方法，將設備插頭互聯關系映射成無向圖模型，將設備投產狀態和參試時間映射成無向圖頂點的“染色狀態”和“時間屬性”。利用無向圖動態染色實現電纜網準時化投產并應用于某衛星，實現了電纜生產零返工并平滑了生產線負荷。

電纜網；準時化生產；動態染色；無向圖模型

1 引言

傳統的航天器電纜網投產模式存在嚴重不足：a.采用人工方法進行數百臺設備、成百上千根電纜的投產計劃編排，投產計劃編排費時、費力；b.直接以整星/整器電纜網為單位投產，工序批周期長，對生產線沖擊大，緊急加工響應速度慢，不能有效支撐多型號并行制造；c.航天器設備/構型狀態發生技術狀態更改后，人工投產方式復核復算工作量大，生產線產生廢料多，并且經常發生電纜投產與參試設備不一致引起研制進度延誤。電纜網準時化（Just In Time，JIT）投產對航天器系統集成具有重要意義。

目前，學術界一般從通用數學建模角度對多品種、小批量條件下的生產管理問題進行研究，相關研究文獻主要體現在車間布局設計[1]、裝配線平衡[2]、作業組織模式[3]、批量加工模式[4]和生產周期研究[5]等方面。但學術界的研究工作均未考慮特定行業/產品的特點。工業界的研究則一般針對行業/產品特點進行生產管理研究：廖聲沖等人[6]針對某航天傳感器產品的生產特點，給出了該產品制造單元的實施步驟及設計方案；薛靜等人[7]從任務分配單元的制定、作業人員的安置、配套件的分類管理、生產節拍控制及產品的質量監督方面分析了電纜網成組生產組織模式的實施；葉啟付等人[8]以縮短設計與制造周期、降低生產與物流成本、提高設備利用率等為優化目標，構建了多品種小批量殼體生產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，為航天伺服企業運用精益生產的拉動式均衡排產提供了可實現手段。然而，目前工業界的研究成果針對的均為設計狀態已定型的產品，無法應用于設計狀態多變產品的生產管理。

分析了復雜航天裝備電纜網產品的特點并據此提出投產策略；建立了航天器電纜網投產問題的動態染色無向圖模型；給出基于“染色”無向圖模型的電纜網自動化投產算法，實現了航天器電纜網準時化投產；通過一個應用案例說明本文方法的詳細應用過程；最后給出了結論。

2 大型復雜航天裝備電纜網的產品特點及投產對策

大型復雜航天裝備的電纜網產品具有以下特點：

a. 多型號交貨沖突：由于設備、人員有限，電纜網產品生產過程中經常出現多個型號產品同時使用相同設備或人員，導致產品長時間等待；

b. 技術狀態變化大：航天器產品技術狀態變化導致電纜網接點重新設計，由此導致電纜網生產經常反復；

c. 測試組合模式多：大型復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聯試和大型試驗[10]，不同測試狀態下航天器設備投產和參試狀態差異極大，由此導致參試電纜的投產狀態也存在著極大差異；

d. 工序批周期長：航天企業目前以單個航天器為單位進行一個經濟批量安排生產，每批產品全部加工時間長，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. 產品相似性大：電纜網產品雖然分屬不同型號，但產品的專業種類、工藝路線基本一致，便于資源共享。

上述產品特點表明，大型復雜航天裝備電纜網面臨多品種、小批量、產品質量/可靠性要求高、“邊研制、邊定型、邊生產”的生產現狀。據此提出以下投產策略：

a. 針對電纜網產品相似性大、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、多型號混合并行生產的方法，實現多型號資源共享，避免按型號投產工序批周期長、多型號交貨時間沖突導致的進度延誤問題，同時均衡生產線任務，提升瓶頸資源使用效率；

b. 針對大型復雜航天裝備不同階段產品組合模式多的特點，充分考慮各個階段的設備參試狀態，針對設備組合狀態安排電纜網產品投產，避免投產多余電纜分支導致的材料損耗；

c. 針對電纜網技術狀態變化大的特點，在設備技術狀態受控后再進行電纜網投產，考慮到設備生產周期一般遠長于電纜網產品生產周期，從而降低了電纜網產品的返工率，并避免了電纜網與設備技術狀態不一致導致的測試安全隱患。

3 電纜網投產問題的動態染色無向圖建模

航天器多臺設備通過電纜連接完成供電、遙控遙測、數據傳輸等。航天器接口數據單規定了設備插頭的信號互聯關系[11]。將航天器接口數據單定義的設備插頭信號互聯關系映射為無向圖模型，其中,設備插頭映射為頂點，信號連接關系映射為邊；設備投產狀態映射為頂點的“染色狀態”，設備參試時間映射為頂點的“時間屬性”；通過分析設備投產狀態和參試時間，定義電纜網的投產狀態和投產時間數學模型，基于無向圖“染色狀態”和“時間屬性”在邊、頂點和子圖上的自動化傳遞和更新，實現電纜網自動投產。為便于描述，定義術語如表1所示。

表1 電纜網無向圖模型術語定義

不失一般性，記Device_X與Device_X相連為Device_XàDevice_X。基于信號互聯關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據單，第個互聯關系Device_XàDevice_X，=1, 2, ……,，

提取信號所在設備插頭的信息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；

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

經過以上步驟，航天器設備接口數據單中的信號互聯關系轉化為無向圖模型。

4 基于動態染色無向圖模型的電纜網準時化投產算法

電纜物理上由具有連接關系的若干分支和插頭組成，是設計、生產加工、總裝鋪設、技術狀態更改的最小單位。電纜網投產方案與設備投產矩陣和測試計劃緊密相連，航天器電纜網投產狀態和投產時間需要滿足如下約束：

a. 分支投產約束：兩臺設備均投產，則該兩臺設備的互聯電纜分支需要投產；互聯信號中只有一端設備投產，則該互聯信號不需要投產電纜；

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

c. 分支投產時間約束：電纜分支在其兩端所連接的設備均參加系統聯試時才安裝；

d. 電纜投產時間約束：任意一個電纜分支需要參加系統聯試時，則整根電纜需要參加系統聯試。

基于以上四項約束定義染色無向圖上的“染色”關系：

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

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

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. 子圖染色狀態和時間屬性計算：子圖中任一邊染色，則該子圖為“染色狀態”；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，航天器電纜網投產問題就轉化為無向圖頂點“染色狀態”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”和“時間屬性”賦值：讀取設備投產矩陣，投產設備的插頭對應在圖上的頂點為“染色狀態”；讀取測試計劃，參試設備插頭對應在圖上的頂點的“時間屬性”等于該設備的參試時間；

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

c. 根據邊時間屬性計算定理、子圖染色狀態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”和“時間屬性”；

d. 將子圖反演為電纜網投產方案，子圖的“染色狀態”為該子圖對應電纜的投產狀態，子圖“時間屬性”即為對應電纜的交付時間，子圖內頂點“染色狀態”即為對應電連接器插頭的投產狀態，子圖內邊的“染色狀態”即為該邊對應電纜分支的投產狀態。

5 示例驗證

本文方法已在某衛星電纜網投產中應用。以一臺供電設備（HYA01）、一臺存儲設備（HYB01）、兩臺數傳設備（HYC01、HYC02）、一臺載荷設備（HYD01）組成的“聯試試驗”為例，說明本文方案在各類場景下的應用。

5.1 電纜網的無向圖模型建模

表2 設備接口數據單定義的信號連接關系

首先，根據衛星全研制流程電纜編號統一的要求，將表2中全部設備電連接器互聯關系映射為無向圖模型（如圖1所示）。其中，五臺設備HYA01、HYB01、HYC01、HYC02、HYD01包含的11個設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 電纜網無向圖建模示意圖

5.2 基于動態染色無向圖模型的電纜網準時化投產

圖2 設備投產狀態/參試時間的無向圖屬性映射過程示意圖

表3 初樣階段設備投產計劃

表4 初樣階段測試計劃

如圖2所示，將表3“衛星投產矩陣”映射為無向圖頂點“染色狀態”（頂點“染色”/“未染色”狀態采用陰影/非陰影表示，邊“染色”/“未染色”狀態采用粗實線/細實線表示），數傳通道設備HYC02不投產，與之相關的兩個頂點V9（HYC02-X01），V10（HYC02-X02）為“未染色”狀態，其他頂點為“染色狀態”；根據表4“測試計劃”，將設備參試時間（A狀態、B狀態、C狀態三個時間點簡記為A、B、C）映射為無向圖頂點的“時間屬性”。

如圖3所示，根據無向圖頂點的“染色狀態”，通過邏輯“與”運算求解無向圖上邊的“染色狀態”，與頂點V9（HYC02-X01）相連的邊E4，E6為“未染色”狀態，與頂點V10（HYC02-X02）相連的邊E7為“未染色”；根據無向圖邊的“染色狀態”更新頂點“染色狀態”，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。

圖3 無向圖邊和頂點“染色狀態”計算

如圖4所示，每個“染色狀態”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”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”和“時間屬性”求解

圖5 染色無向圖反演為電纜網投產

將無向圖反演為電纜網投產方案，即子圖的“染色狀態”為相應電纜的投產狀態，子圖內邊的“染色狀態”為相應電纜分支的投產狀態，子圖的“時間屬性”為電纜的交付時間，見圖5和表5。

表5 電纜網準時化投產方案

6 結束語

本文提出基于動態染色無向圖模型的電纜網準時化投產方案，實現了從整星投產模式到分批平滑投產模式轉型，提升了航天器電纜網生產線的運營效率。該方法已成功應用于我國某衛星，按測試階段分批投產，平滑了電纜網生產線負荷；測試計劃充分考慮單機技術成熟度，確保單機技術狀態明確后才投產，實現了電纜網生產零返工。該設計方法不僅適用于航天器，還可應用于運載火箭、武器系統、飛機等大型復雜裝備的電纜網準時化投產。

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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重大專項青年創新基金支持項目（GFZX04060103）。

田志新（1975），博士，電路與系統專業；研究方向：衛星總體設計、衛星系統集成、電纜網及信息流數字化設計。

2017-07-13