CN115146423A - 一种电缆网解环设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种电缆网解环设计方法，根据星上设备间连接关系，自动绘制电缆网走向并生成卫星电缆网模型，实现了全自动的卫星电缆网设计的一整套方法流程。本发明能够有效解决卫星电缆网自动化设计中的“套圈”问题。

Description

一种电缆网解环设计方法

技术领域

本发明涉及一种电缆网解环设计方法，属于电缆网设计技术领域。

背景技术

卫星电缆网的布局走向设计是根据星上设备的点连接关系确定电缆网走向模型，并依据模型统计的电缆分支长度来指导电缆网加工生产的工作。电缆网走向设计是卫星研制过程的一项重要工作，由于卫星电缆网具有电缆数量多、分支复杂等特点，导致设计手段有限，因此卫星电缆网的布局设计工作往往成为卫星设计中的短板。

现有的卫星电缆设计生产主要包括两种方式：一是根据卫星的构型布局生产木模星，然后通过人工比对木模星上设备的相对关系进行电缆走向、分支设计，该方法虽然能比较真实的模仿星上电缆的实际走向，但会消耗大量的时间和人力，因此已经很少在卫星电缆网的设计生产中采用；二是利用CAD技术设计电缆，设计人员依照电缆接点表在三维模型上进行电缆铺设，并使用AutoCAD等绘图软件绘制电缆分支长度图，由于设计人员在进行电缆网的设计时需要根据接点表逐根制作三维模型，工作较为繁琐，效率不高。

近些年来，在卫星电缆网的设计中引进了基于Pro/Engineer二次开发的SEDS软件。通过该软件，设计师只需要预先定义好路径，再将所有接点连通，便可以自动生成电缆网，大大提高了电缆网设计的效率。但是，由于该方法所绘制电缆网是按照电缆长度最短的原则生成，因此不可避免的在复杂电缆网中产生“套圈”问题，即生成首尾连接的同一分支电缆，导致含有这类问题的电缆在实际装配过程中不能装配，需要设计人员进行一一解套，当电缆较为复杂(分支数达到30路以上)时反而不如原逐根绘制的方法。此外，在Pro/E等三维设计软件中设计电缆，设计完毕后仍需逐根统计电缆长度并绘制电缆分支长度图。统计和绘图的过程工作量巨大且容易出现长度统计错误、分支绘制错误等问题，致使电缆网分支长度设计需要耗费设计人员大量时间和精力。

综上所述，目前卫星电缆网走向设计的方法存在工作繁琐、效率低、自动化程度低等缺陷，而通过SEDS软件生成电缆网虽然提高了设计效率，但存在着“套圈”问题，因此如何实现电缆网的高效率、自动化、合理化设计成为了当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有卫星电缆网设计方法中所存在的工作复杂、效率低、自动化程度低等缺陷；提供了一种电缆网解环设计方法，解决了现有软件自动生成复杂电缆网过程中易产生电缆首尾相连的“套圈”问题；解决了逐根统计电缆分支长度工作复杂且易出错的问题，能够实现自动绘制电缆分支长度图；能够实现卫星电缆网布局设计全过程的高效率与自动化。

本发明的技术解决方案是：

一种电缆网解环设计方法，包括如下步骤：

1)获取外部输入的连接点布局图，连接点布局图中包括多种位置固定的连接点；

2)根据设计好的设备间电缆连接关系，使用连线通过连接点布局图中的连接点将不同的电气设备进行连接；

3)获得所有线段的总数n和所有连接点的总数m，当n>m-1时，则电缆网含有套圈，进入步骤4)；若n＝m-1，则电缆网已是树形结构，使用电缆替代连线，依次经过连线上的多个连接点，完成电缆网的走向设计，获得电缆网的三维模型；若n<m-1，则电缆网连接有误，需重新获取设计好的电缆连接关系，并返回步骤2)；

4)根据线段长度和线段的端点进行解环处理，从连线上去除多余的线段，获得线段链；

5)将线段链中两电气设备间的线段使用一根完整的电缆进行替代，完成电缆网的走向设计，获得电缆网的三维模型。

优选地，步骤1)中所述连接点包括：电连接器端点、电缆途中点和电缆分支点；电连接器端点设置在电气设备上，根据使用需求，电气设备上设置有一个或多个电连接器端点；电缆分支点用于将从同一电气设备上引出的多根电缆进行集束处理；电缆途中点的位置与设计在结构板上的卡箍位置对应。

优选地，步骤2)中所述连线的两端先分别经过一个电缆分支点，两个电缆分支点之间的连线经过多个电缆途中点，连线被电缆途中点和电缆分支点划分为多段线段。

优选地，所述连线经过的电缆分支点与引出连线的电连接器端点距离最近。

优选地，电连接器端点与相邻电缆分支点之间的距离小于同一根连线上两相邻电缆途中点之间的距离。

优选地，所述连线经过的多个电缆途中点使连线的总路径最短。

优选地，所述线段的长度不大于50cm。

优选地，所述线段长度的取值范围为15cm到50cm。

优选地，步骤4)所述进行解环处理的方法，具体为：

41)按照线段的长度将n根线段由短至长依次进行排序处理，排序后的线段集合记为E'＝{e₁,e₂,...,e_n}；

42)从线段集合中提取出线段e₁，建立新的分支集合将线段e₁放入；

43)从长度最短的线段开始，依次从线段集合中提取出一段线段e_i，i∈[2，n]；若线段e_i的一个端点被分支集合中的线段连接而线段e_i的另一个端点未被分支集合中的线段连接，则将线段e_i放入分支集合并与被连接的线段组成线段链；若线段e_i的两个端点均未被分支集合中的线段链连接，则将线段e_i放入分支集合；若线段e_i的两个端点分别和分支集合中同一条线段链的两个端点连接，则将线段e_i去除；若线段e_i的两个端点分别与分支集合中不同线段链的端点连接，则将线段e_i放入分支集合，使用线段e_i将已属于分支集合中的两线段链连接形成新的线段链；分支集合中的线段能够连接成多条线段链。

优选地，所述步骤43)后还包括：分别判断每条线段链的端点是否属于电连接器端点，若不属于则从线段链上舍弃与端点相连的线段，直至获得两端点均属于电连接器端点的线段链。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明实现了电缆网的全自动化设计，大大提升了电缆网设计的工作效率。设计人员在设计时只需要进行电缆网的网络连接，根据构型布局创建全连通网络，不必考虑任意电缆连接器之间是否存在真实的连接关系，由计算机自动规划路径、生成最优化树；基于最小生成树算法实现了复杂电缆的树状走向设计，成功地解决了复杂电缆首尾相连的问题。

根据该方法研制的电缆分支辅助设计方法已经成功运用于多颗国内在研卫星的电缆网实际中，可对分支信息自动整合、简化，规避了人工操作环节，提高了电缆设计的正确率及效率，提升了对卫星电缆网的设计能力。

附图说明

图1为电缆网设计方法流程图；

图2为电缆网构成示意图；

图3为基于最小生成树算法的电缆设计流程图。

具体实施方法

本发明通过研究卫星电缆网设计中存在的问题，将最小生成树算法应用于卫星电缆网布局走向设计，提出了一种根据星上设备电连接关系，自动绘制电缆网走向并生成卫星电缆网模型以及完整的电缆分支长度图的方法，实现了全自动的卫星电缆网设计的一整套方法流程。其中通过基于最小生成树算法的方式对SEDS软件产生的电缆节点数据进行合并、整合、优化，有效的解决了卫星电缆网自动化设计中的“套圈”问题。

如图1所示，本发明一种电缆网解环设计方法，包括如下步骤：

1)获取外部输入的连接点布局图，连接点布局图中包括多种位置固定的连接点，连接点包括：电连接器端点、电缆途中点和电缆分支点；根据使用需求，电气设备上设置有一个或多个电连接器端点；电缆分支点用于将从同一电气设备上引出的多根电缆进行集束处理；电缆途中点的设置位置与设计在结构板(即卫星舱板)上的卡箍位置对应。

2)根据设计好的星上设备间电缆连接关系，使用连线通过连接点布局图中的连接点将不同的电气设备进行连接，获得电缆网；连线的两端先分别经过一个电缆分支点，两个电缆分支点之间的连线经过多个电缆途中点，连线被电缆途中点和电缆分支点划分为多段线段。

所述连线经过的电缆分支点与引出连线的电连接器端点距离最近。

在连线的路径上选取多个电缆途中点，使连线的总路径最短；

每段线段的长度不大于15cm到50cm。避免电缆吊挂在空中的距离过长，引起大幅度晃动的问题。每根连线用于表示一根电缆。

在电气设备仅设置有一个电连接器端点时，该电气设备仅连接一根电缆，不需要进行集束处理，因此该电气设备上的电连接器端点没有对应的电缆分支点。

电连接器端点与相邻电缆分支点之间的距离小于同一根连线上两相邻电缆途中点之间的距离。每根连线的两个端点必然连接电连接器端点。

3)获得所有线段的总数n和所有连接点的总数m，当n>m-1时，则电缆网含有套圈，进入步骤4)；若n＝m-1，则电缆网已是树形结构，使用电缆替代连线，依次经过连线上的多个连接点，完成星上电缆网的走向设计，获得电缆网的三维模型；若n<m-1，则电缆网连接有误，需重新获取设计好的电缆连接关系，并返回步骤2)；

4)按照线段的长度由短至长依次进行排序处理，排序后的线段集合记为E'＝{e₁,e₂,...,e_n}；

5)从线段集合中提取出线段e₁，建立新的分支集合将线段e₁放入；分支集合中依次连接的线段构成线段链；

6)从长度最短的线段开始，依次从线段集合中提取出一段线段e_i，i∈[2，n]；若线段e_i的一个端点被分支集合中的线段连接而线段e_i的另一个端点未被分支集合中的线段连接，则将线段e_i放入分支集合并与被连接的线段组成线段链；若线段e_i的两个端点均未被分支集合中的线段链连接，则将线段e_i放入分支集合；若线段e_i的两个端点分别和分支集合中同一条线段链的两个端点连接(例如形成A、B和C三台设备分别两两连接的情况，即套环情况)，则将线段e_i去除；若线段e_i的两个端点分别与分支集合中不同线段链的端点连接，则将线段e_i放入分支集合，使用线段e_i将已属于分支集合中的两线段链连接形成新的线段链；分支集合中的线段能够连接成多条线段链。一条线段链上可能通过多个电连接器端点；

7)分别判断每条线段链的端点是否属于电连接器端点，若不属于则从线段链上舍弃该端点对应的线段，直至获得两端点均属于电连接器端点的线段链；

8)将线段链中，两电气设备上电连接器端点之间的线段使用电缆进行替代，依次经过线段链上的多个连接点，完成星上电缆网的走向设计，获得电缆网的三维模型。

上面步骤4)～6)的内容属于利用最小生成树算法，对电缆网进行解环处理的过程。

实施例

本发明所涉及的基于最小生成树算法的卫星电缆网解环设计方法的具体步骤如下：

步骤1：建立由卫星设备电连接器端点、电缆走向控制点、电缆走向分支点以及其间连通路径形成的电缆通路。

具体来说，卫星设备上的电连接器端称为端点；每束电缆及分支经过的电缆卡箍称为途中点，即电缆走向控制点；电缆的分支处称为电缆走向分支点。电缆的设计就是从电连接器端点出发，通过分支点与途中点，到达其他的电连接器端点实现电缆通路连接，如图2所示。考虑实际型号中星上所规定的具体电缆连接要求及其电缆走向要求，从而由设计师确定具体型号中的实际电缆接点表，建立电缆的连通通路。

为了实现电缆网走向布局的优化设计，需要将电缆网模型转换为算法图论语言来表示。因此将端点、途中点、分支点都视作电缆图的顶点，各顶点间可能铺设的电缆连通路径视作是电缆图的边，而各段连通路径的长度视为边的权值。根据整星电缆网特性及图论知识，将电缆视为一个图，卫星电缆网就可以抽象为由顶点集合、顶点间的二元关系(即边的集合或弧的集合)及二元关系权值组合形成的无向图。

步骤2：根据电缆接点表的连接关系，以分支路径最短为原则，生成电缆束初始走向信息记录表，记录初始走向通过的电连接器端点、电缆走向控制点、电缆走向分支点以及其间连通路径的长度信息。

具体地，由实际型号中的星上电缆接点表中所要求的顶点之间的连接关系，即步骤一中所获取的实际电缆接点表，以分支路径最短为原则，使得各分支电缆的长度相加所得总和最小，也就是权值相加最小，由程序自动生成具有最小电缆线长度的电缆网，并形成电缆束的初始走向信息记录表。

电缆束初始走向信息记录表内包含了电缆初始走向通过的电连接器端点、电缆走向控制点、电缆走向分支点分布和各顶点间连通路径的长度等信息，方便指导电缆网的铺设和优化设计。

步骤3：进行卫星电缆网的解环设计。首先判断初始走向电缆束是否存在封闭环，如果不存在，则继续设计其他电缆束；如果存在，则利用最小生成树算法，以电缆束初始走向中使用的电连接器端点、电缆走向控制点、电缆走向分支点为顶点集合，以连通路径为边集合，以路径长度为边的权值，进行解环。其所对应的算法流程图如图3所示。

该步骤所包括的具体内容如下：

首先，建立实际电缆网模型的数据结构图。依据电缆束走向信息记录表建立关于顶点、边以及边长度的数据结构，将步骤2所生成的电缆束走向信息记录表导入，整理表格，并删除重复的路径，形成具体的电缆网连接关系图G(V，E，W)。其中顶点集合和边的集合分别用V(G)和E(G)表示，权值集合用W(G)表示。

定义顶点数量为m，边数量为n。电缆网顶点的集合为V＝V₁∪V₂∪V₃，其中V₁＝{v₁,v₂...,v_r}，表示星上的全体电连接器端点(共r个)；V₂＝{v_r+1,v_r+2...,v_r+h}表示星上全体途中点(共h个)；V₃＝{v_r+h+1,v_r+h+2...,v_m}表示星上全体分支点(共m-h-r个)。

定义电缆网的边为数组的形式，即[v_x,v_y,w_xy]，其中x≠y，x和y代表了顶点V对应的不同连接点。

定义d(v)表示连接图G中顶点v的度，即该顶点所连接的电缆数目。

此时，将所生成的具有最短电缆束长度的电缆网模型转换成了无向连通图的数据结构。

由于步骤2中依据电缆长度最短原则所生成的电缆网可能存在“套圈”问题，即所生成的同一分支电缆首尾连接，导致实际装配过程中无法装配。因此需要对电缆网有无“套圈”进行判断。对于步骤2中所生成的电缆网路径是否存在封闭环进行判断，其主要依据就是判断n是否等于m-1，具体可能出现的三种情况如下：

(1)电缆分支的n＜m-1。该情况说明此时电缆网中存在未连通的顶点，电缆网的连接有误。因此需要核查电缆网的接点信息以及导入数据是否正确，并对未连通的顶点进行修正，之后再次执行此判断。直至电缆分支的边数n大于或等于m-1，保证电缆连通无误。

(2)电缆分支的n＝m-1。该情况说明此时电缆网已经是树形结构，不存在某分支电缆首尾相接的套圈情况。因此电缆网设计合理，不需要进行电缆网解环操作，可直接绘制电缆分支长度图。

(3)电缆分支的n＞m-1。该情况说明此时电缆网中含有封闭环，即存在某些电缆首尾相连。因此需要对“套圈”的电缆网进行解环处理，从而优化电缆网的设计。

经电缆网封闭环判断后对存在“套圈”的电缆网进行解环设计的具体步骤如下：由于实际卫星电缆走向设计中，电缆网是在所有星上所用设备连接的前提下铺设的，电缆网的最小生成树一定存在。因此，对于解决电缆网中的套圈问题可以抽象为将无向连通图转换为最小生成树的数据结构问题。依据最小生成树算法中的克鲁斯卡尔(Kruskal)算法，对电缆网进行优化设计，将原始的连通图优化为树形结构图。

基于Kruskal算法进行卫星电缆网的解环设计，具体的算法实现流程如下:

a、将电缆束带权数组按权值从小到大进行排序，排序后的边集合记为E'＝{e₁,e₂,...,e_n}，其中W(e₁)≤W(e₂)≤....≤W(e_n)。

b、建立并查集并进行初始化，即把每一个位置中的值初始化为其对应的下标。

c、选取存储结构中的最小项，即取权值最小的边。从排序后的边集合E'中取首项，查询该边所对应的顶点在并查集中是否同源，同源则进行步骤e，不同源则进行步骤d。

d、若不同源，则把该边加入生成树，并计算和。修改前者的根在并查集中位置的值为后者的根。

e、若同源，则跳过，继续遍历存储结构。

f、重复步骤，直到存储结构中所有的项被遍历。

由于电缆连接的起点与终点均为电连接器的端点，因此需要对克鲁斯卡尔生成树算法形成的树状结构的末梢类型进行核验，去除多余的电缆分支。该步骤的具体内容是找到d(v)＝1的顶点，既树的“末梢”，判断其是否属于电连接器端V₁＝{v₁,v₂...,v_r}。若不属于，则删除该顶点所连接的边。删除后，该边连接的另一顶点的度数减1，若减1后度数仍为1，则继续判断顶点的种类。直至所有树梢处的顶点全部为电连接器端点，即完成了具有最小生成树结构的电缆网的布局与设计。

依据生成的最小生成树，最终完成电缆束的解环，实现电缆树状走向设计。按照各分支的电连接器端点、电缆走向控制点、电缆走向分支点重绘了电缆网的三维模型，并根据电缆分支信息自动绘制电缆分支长度图，实现了电缆网设计的全自动化过程。

通过电缆网优化设计算法的应用，设计人员在设计前期只需进行电缆网的网络连接，即根据卫星的构型布局创建全连通网络，不必考虑任意电缆连接器之间是否存在真实的连接关系。全连通后，向设计软件提供正确连接关系，由计算机自动规划路径、生成最优化树图，达到电缆网设计的全自动化过程。基于最小生成树算法的卫星电缆网分支优化设计成功地解决了现有电缆网设计中复杂电缆的套圈问题，从得到原始电缆接点表到绘制完成电缆分支长度图实现全自动化过程，并且能够准确、批量、高速地完成大量的电缆分支图绘制，节约了设计时间，提高了工作效率，优化了电缆网的设计方法。同时，该方法将原始接点表自动转换为可供Pro/E电缆设计的数据库，并在设计完成后自动绘制电缆分支长度图。

综上所述，该基于最小生成树算法的卫星电缆网解环设计方法成功解决了现有电缆网设计中所存在的“套圈”问题，避免了设计人员人工进行复杂电缆网解套工作需要耗费大量时间和精力的问题，实现了电缆网的自动解环设计。同时该方法还能够准确、批量、高速地完成电缆分支图的绘制，避免了人工进行复杂电缆绘图统计过程中容易发生分支绘制错误，长度计算错误。该发明提出的卫星电缆网设计方法大大节约了设计时间，保证了工作质量，实现了卫星电缆网布局的自动化设计过程。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种电缆网解环设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取外部输入的连接点布局图，连接点布局图中包括多种位置固定的连接点；

2)根据设计好的设备间电缆连接关系，使用连线通过连接点布局图中的连接点将不同的电气设备进行连接，获得电缆网；连线经过的多个连接点将连线划分为多段线段；

3)获得所有线段的总数n和所有连接点的总数m，当n>m-1时，则电缆网含有套圈，进入步骤4)；若n＝m-1，则电缆网已是树形结构，使用电缆替代连线，依次经过连线上的多个连接点，完成电缆网的走向设计，获得电缆网的三维模型；若n<m-1，则电缆网连接有误，需重新获取设计好的电缆连接关系，并返回步骤2)；

4)根据线段长度和线段的端点进行解环处理，从连线上去除多余的线段，获得线段链；

5)将线段链中两电气设备间的线段使用一根完整的电缆进行替代，完成电缆网的走向设计，获得电缆网的三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，步骤1)中所述连接点包括：电连接器端点、电缆途中点和电缆分支点；电连接器端点设置在电气设备上，根据使用需求，电气设备上设置有一个或多个电连接器端点；电缆分支点用于将从同一电气设备上引出的多根电缆进行集束处理；电缆途中点的位置与设计在结构板上的卡箍位置对应。

3.根据权利要求2所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，步骤2)中所述连线的两端分别先经过一个电缆分支点，两个电缆分支点之间的连线经过多个电缆途中点，连线被电缆途中点和电缆分支点划分为多段线段。

4.根据权利要求3所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，所述连线经过的电缆分支点与引出连线的电连接器端点距离最近。

5.根据权利要求3所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，电连接器端点与相邻电缆分支点之间的距离小于同一根连线上两相邻电缆途中点之间的距离。

6.根据权利要求3所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，所述连线经过的多个电缆途中点使连线的总路径最短。

7.根据权利要求3～6任意一项所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，所述线段的长度不大于50cm。

8.根据权利要求3～6任意一项所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，所述线段长度的取值范围为15cm到50cm。

9.根据权利要求2所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，步骤4)所述进行解环处理的方法，具体为：

41)按照线段的长度将n根线段由短至长依次进行排序处理，排序后的线段集合记为E'＝{e₁,e₂,...,e_n}；

42)从线段集合中提取出线段e₁，建立新的分支集合将线段e₁放入；

43)从长度最短的线段开始，依次从线段集合中提取出一段线段e_i，i∈[2，n]；若线段e_i的一个端点被分支集合中的线段连接而线段e_i的另一个端点未被分支集合中的线段连接，则将线段e_i放入分支集合并与被连接的线段组成线段链；若线段e_i的两个端点均未被分支集合中的线段链连接，则将线段e_i放入分支集合；若线段e_i的两个端点分别和分支集合中同一条线段链的两个端点连接，则将线段e_i去除；若线段e_i的两个端点分别与分支集合中不同线段链的端点连接，则将线段e_i放入分支集合，使用线段e_i将已属于分支集合中的两线段链连接形成新的线段链；分支集合中的线段能够连接成多条线段链。

10.根据权利要求9所述的一种电缆网解环设计方法，其特征在于，所述步骤43)后还包括：分别判断每条线段链的端点是否属于电连接器端点，若不属于则从线段链上舍弃与端点相连的线段，直至获得两端点均属于电连接器端点的线段链。

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