基于线缆路径优化的数据库设计技术研究

聂珊珊，聂小华

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

随着飞机结构强度试验规模的不断增大，线缆数量倍增，试验现场的线缆安装工作量也不断增大。对于大规模试验，线缆包含了强电线缆、弱电线缆、油路线缆和测量线缆等多种类型。在线缆铺设过程中，线缆的路径对线缆的长度、转角、扎紧的形式都有明显的影响，这对试验安全性和可靠性都是一定的挑战。

线缆布局和路径优化问题已有很多专家学者进行了研究。刘检华[1]等提出了一种管路数字化布局方法，建立了合理的技术框架和集成应用业务流程，系统阐述了管路布局设计与自动评价、导管弯曲成形质量预测与检测，研究了导管数字化制造集成技术，并建立了工艺数据库，构建了基于多目视觉的管路数字化测量方法，提高了航空航天等复杂产品的质量和可靠性。赵博天[2]研究了三维布管实施系统设计、分析、管理的一体化，改变了以往主要靠二维软件进行管路铺设的现状，有效提高了管路系统的研制质量，缩短了研制周期。曲艳峰[3]提出了一种动态蚁群算法，采用栅格法建立环境模型，解决了蚁群算法应用于三维管路路径规划时运行时间长、搜索效率低等问题，有效减少了路径中直管弯头的数量，管路铺设整齐，收敛速度提高，具有较强的全局寻优能力。吴宏超[4]等提出了一种基于萤火虫算法的管路布局序列优化方法，以长度、折弯数和流阻为综合优化目标，结合布局过程的约束条件建立了优化模型并创新了算法，解决了复杂机电产品中的多根管路布局设计与优化问题。赵柏萱[5]等提出了一种基于工程规则的管路自动布局与综合优化方法，采用运动规划算法对管路系统进行自动布局，通过模拟退火算法对管路布局方案进行优化，建立了管路布局知识库和自动评价技术，解决了复杂产品中管路布局耗时长、返工率高的问题。

基于以上研究成果，本文提出了基于试验线缆路径优化的数据库设计技术，通过对线缆的性质和工作环境进行深入分析，提出了数据库专家系统的学习算法，提高了线缆铺设的效率和试验现场的整洁度，缩短了试验周期。

2 试验线缆简介

试验中的主要线缆包括电气类线缆和液压类线缆，其中，电气类线缆又分为强电线缆和弱电线缆。强电线缆主要是设备电源供电电缆；弱电线缆主要包括伺服控制线以及传感器线等。在本文中，液压类线缆是指液压管路的软管部分，一般分为：高压管路，也是试验中的先导压力管路；低压管路，一般是指先导传输经过服务歧管到液压缸的管路，其压力有所下降。

2.1 线缆分类

电气类线缆以力传感器线缆为例，其外观如图1所示。线缆线芯采用的是10芯线缆，两端由一个大插头和一个小插头构成。工作过程中，控制系统线缆插槽面板通过大插头与传感器相连，传感器输出端口通过小插头与传感器接口相连。该线缆的主要功能包括激励输入、激励检测、反馈检测、反馈效验各正负两向端口，另外两根芯线为线缆的电磁屏蔽端，接在插座的相应位置，以屏蔽在试验环境中出现的电磁干扰。

图1 电气类线缆

液压类线缆以供油和回油线缆为例(如图2所示)。试验过程中，先导压力经过油路分配器之后才进入各个加载点的液压缸。试验加载点众多，但每个液压缸都配有单独的油路分配开关，一个典型的油路分配器上一般分有10个液压缸的管路。在试验中，油路分配器的作用是人工切断油路，也是试验拆装的一种保护，每个支路对应的液压缸都是供油端。同时，在液压缸上还有回油管路。液压管路主要考虑其线路的一致性，也就是需要线缆的路径清晰明了，严格执行一对一的装配原则，一方面方便在试验中对于故障的处理，另一方面保障试验安全。

图2 液压类线缆(管路)

2.2 线缆路径规划

在试验安装总流程的各个阶段，都有不同的线路路径需要规划，试验控制人员、试验测量人员、试验液压安装人员均要参与其中，线缆的路径需要实现多部门协调，而且在试验安装流程中，各部门存在交叉作业的情况。所以，考虑线缆铺设的优先级对线路优化具有重要的价值。如表1所示，本文根据以往多个型号试验的线缆使用和安装情况分别对各类线缆分配了优先级，一方面指导试验线缆安装人员按照流程规范作业，另一方面为数据库的研发提供算法依据。

表1 线缆路径优先级

线缆优先级分为四个级别，主要根据其在整个试验环境中的重要性以及安全性划分。其中，一级线缆主要包含电气类线缆的强电线缆，二级线缆包括液压类线缆，三级线缆主要包含电气类线缆的弱电线缆，四级线缆主要是电气类线缆中比较独立和耦合性不强的线缆。同时，为每一级线缆都留有与其他线缆的干扰项接口，主要考虑安装过程中个别线缆的交叉作业。

3 数据库开发

3.1 数据流程设计

数据流程如图3所示，进入数据库录入界面，将本次使用的线缆进行编码后的文档导入。考虑到多个工况安装的历史信息能够对试验给予足够的指导，在数据流程中加入优先级效验模式，通过与专家系统的信息化互联，使当前输入线缆的优先级能够及时通过电子文档形式传入数据库，并在读取数据的过程中进行优先级自动在线效验。当数据满足输入条件时，进入数据存储模式。同样，在线缆数据调用过程中，只要按照线缆需求列出相应的标准需求表，在系统留有的表格接口读取数据存储，根据本工况的线缆铺设需求进行自动路径规划和安装顺序的初步设计，匹配完成后导出表格以供使用。

图3 数据流程图

3.2 数据表设计

对试验线缆的各类相关数据进行数据表设计，根据树级层次结构存储各类线缆。线缆数据库包含两大类数据：线缆的分类数据和各分类数据对应的优先级。

(1)线缆分类数据。本部分只存储线缆的基本信息，对现有线缆进行编号便于数据的存储调用，具体包括：线缆基本类型，线缆编号数据，所属分类，所属专业类别，线缆预览图片，铺设基本原则，线缆历史数据，线缆维修数据。

(2)优先级数据。某工况对应的线缆安装优先级数据，对应数据库的专家系统部分，为新工况的线缆铺设提供直接参考，具体包括：理论优先级，某试验中优先级，优先级描述信息，交叉作业，经验数据，路径优化方法，优先级输出预览，迭代原则。

4 结束语

通过对飞机结构强度试验线缆的分析，研究了线缆路径规划，构建了以专家数据库为智能算法的线缆布局优化系统，给出了线缆铺设需要规避的原则，对线缆进行分类，由数据库的整体智能规划给出线缆铺设的最优解。下一步的工作将聚焦线缆模型的构建和优化算法效率的提升。