（機械設(shè)計及理論專業(yè)論文）衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與cad系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù).pdf

大連理工大學博士學位論文 摘要 衛(wèi)星艙布局設(shè)計是基于衛(wèi)星公用平臺的衛(wèi)星總體設(shè)計的重要內(nèi)容。通常，它是指在 衛(wèi)星艙內(nèi)外如何對衛(wèi)星的各種儀器、設(shè)備進行布置，以滿足各種工程技術(shù)約束條件并盡 可能對布局方案的各項性能指標進行優(yōu)化。衛(wèi)星艙的布局設(shè)計對于縮短衛(wèi)星設(shè)計周期、 節(jié)約成本、提高衛(wèi)星的性能等方面有著重要作用。在數(shù)學上，它屬于組合最優(yōu)化問題； 在工程上，屬于復雜工程系統(tǒng)問題。面臨的主要困難是既存在數(shù)學上的組合爆炸問題， 又要達到工程實用。 本文以中國航天科技集團某部委托項目“航天器布局優(yōu)化設(shè)計與仿真系統(tǒng)平臺研究 與開發(fā)”為工程背景，在國家自然科學基金項目和國家8 6 3 高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目的 資助下，研究高效、實用的衛(wèi)星艙布局優(yōu)化求解算法及其c a d 開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。主要工 作包括以下兩個方面： ( 1 ) 以航天器( 如衛(wèi)星) 的布局設(shè)計為應(yīng)用背景，根據(jù)協(xié)同設(shè)計思想，提出解決一 類復雜工程布局問題求解的算法一一交粒度雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法( b i s y s t e m c o - e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mw i t hv a r i a b l e - g r a i nm o d e l ，簡稱b c c e a ) 。該算法借鑒合作 式協(xié)同進化算法( c o o p e r a t i v ec o e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ，c c e a ) 、變粒度以及雙系統(tǒng) 互補的思想，首先將原問題p 系統(tǒng)( 一級) 按物理( 結(jié)構(gòu)或?qū)W科) 單元分解為若干并行 子系統(tǒng)，然后將p 系統(tǒng)復制為兩個獨立的a 、b 系統(tǒng)( - - 級) ，a 、b 系統(tǒng)中均包含上 面提到的若干并行子系統(tǒng)( 三級) ，構(gòu)成雙系統(tǒng)協(xié)同進化框架。該雙系統(tǒng)具有互補關(guān)系， 變粒度策略體現(xiàn)在適應(yīng)度函數(shù)的繁簡和設(shè)計變量數(shù)量的多寡上。a 、b 系統(tǒng)共享原問題 的設(shè)計變量，a 與b 系統(tǒng)、b 系統(tǒng)的子系統(tǒng)b b 問采用并行優(yōu)化策略，并實現(xiàn)a 、b 系 統(tǒng)之間( 即a 、b 系統(tǒng)對應(yīng)的子系統(tǒng)之間) 的個體遷移。目的是增加群體多樣性，又盡 量減少計算復雜度。用于求解一類工程系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計與仿真，以提高其計算效率、 計算精度和計算成功率。 ( 2 ) 針對上述委托項目，提出了衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設(shè)計與仿真系統(tǒng)平臺的若干關(guān)鍵開 發(fā)技術(shù)，包括該系統(tǒng)c a d 平臺總體設(shè)計、待布物和布局空間的三種描述模型、布局方 案的自動裝配定位技術(shù)、嵌入p r o e 的粗精兩種三維干涉碰撞檢測等技術(shù)。從工程實用 角度出發(fā)，將本文所提出的算法與目前常用的各種算法庫( g a l i b 遺傳算法庫、r a p i d 三維碰撞檢測包) 、工程軟件( p r o e n g i n e e r ) 等相結(jié)合，開發(fā)出一套針對三維復雜實體 c a d 模型的、具有穩(wěn)定算法內(nèi)核并能實現(xiàn)三維干涉碰撞檢測和自動裝配定位的布局優(yōu) 化系統(tǒng)軟件，構(gòu)成上述系統(tǒng)平臺的重要組成子系統(tǒng)。上述關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)和布局優(yōu)化系統(tǒng) 軟件經(jīng)衛(wèi)星艙布局優(yōu)化實例驗證，證明有助于c a d 系統(tǒng)二次開發(fā)過程的研究與應(yīng)用。 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與c a d 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 通過衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設(shè)計的實例驗證，與過去的不同之處在于格外考慮了衛(wèi)星艙外 的測控天線和太陽能帆板，以及發(fā)射和在軌飛行兩種狀態(tài)，并且艙內(nèi)儀器和設(shè)備采用了 逼近實際的3 d 外形，驗證了本文方法的可行性和有效性。將本文所提出的雙系統(tǒng)協(xié)同 進化算法的實現(xiàn)，納入工程軟件集成的系統(tǒng)平臺中，構(gòu)成了“航天器布局優(yōu)化設(shè)計與仿 真系統(tǒng)平臺”。經(jīng)用戶鑒定驗收，并已用于某型號衛(wèi)星布局設(shè)計與仿真的研發(fā)。 本文在理論上，給出了新的變粒度雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法，有助于協(xié)同進化算法的理 論研究進展；在工程上，探討了本文算法在衛(wèi)星艙布局方案設(shè)計中的應(yīng)用，提出了若干 c a d 布局優(yōu)化設(shè)計與仿真系統(tǒng)平臺開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，該系統(tǒng)平臺可望推廣應(yīng)用于其它 類型的航天器布局相關(guān)設(shè)計。 關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；布局設(shè)計；協(xié)同進化算法；變粒度；雙系統(tǒng)；c 加系統(tǒng) 大連理工大學博士學位論文 b i s y s t e mc o - e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h ma n dk e yt e c h n i q u e so f t h ec a d s y s t e mf o rs a t e l l i t em o d u l el a y o u t a b s t r a c t t h el a y o u td e s i g no fs a t e l l i t em o d u l ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns a t e l l i t es c h e m a t i c d e s i g nb a s e do ns a t e l l i t ep u b l i cp l a t f o r m i ng e n e r a l ，t h el a y o u td e s i g no fs a t e l l i t em o d u l e m 既l l st h a tag r o u po ft h eg i v e na p p a r a t u sa n de q u i p m e n t ( o b j e c t sf o rs h o r t ) a r er a t i o n a l l y l o c a t e di nt h el i m i t e ds p a c ei n s i d e ( o ro u t s i d e ) t h em o d u l e s e v e r a ld e s i g no b j e c t i v e sn e e dt o b eo p t i m i z e dp o s s i b l y , a n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n so fs p a c ea n dp e r f o r m a n c e ( s u c h i n t e r f e r e n c e ，m a 囂d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c 。t h e r m a la n a l y s i sa n de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ) n e e dt ob es a t i s f i e d t h i ss t u d yh a sa l li m p o r t a n ti m p a c tu p o nr e d u c i n gt h e d e s i g np e r i o d , s a v i n gt h ec o s t , i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h es a t e l l i t e ，e r e i nm a t h e m a t i c s ， t h el a y o u td e s i g no fs a t e l l i t em o d u l eb e l o n g st oc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o na n dn p - h a r d p r o b l e m i ne n g i n e e r i n g ，i tb e l o n g st ot h ec o m p l e xe n g i n e e r i n gs y s t e m 1 kp f i 如a r y d i f f i c u l t i e sf o rs o l v i n gt h i sp r o b l e ma r en o to n l yt os o l v et h ec o m b i n a t o r i a le x p l o s i o n , b u ta l s o t oa c h i e v et h ep r a c t i c a b i l i t yo f e n g i n e e r i n g t h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n di n v o l v e dt h ep r o j e c tt h a tt h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to f s i m u l a t i o np l a t f o r mf o rs a t e l l i t e l a y o u to p t i m i z a t i o n , w h i c hh a sb e e ns u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a t h i sd i s s c r t a t i o np r e s e n t sa ne f t i c i e n ta n d p r a c t i c a ll a y o u to p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o rs a t e l h t em o d u l ea n ds e v e r a lk e yd e v e l o p m e n t t e c h n i q u e so f t h ec a ds y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 eb a c k g r o u n di n v o l v e dt h el a y o u td e s i g no fs p a c e c r a f t ( s u c h 勰s a t e l l i t e ) b a s e do n t h ei d e ao f c o l l a b o r a t i v ed e s i g n , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sah e u r i s t i ca l g o r i t h mf o rt h el a y o u t d e s i g no fc o m p l e xe n g i n e e r i n gs y s t e m , i e t h eb i - s y s t e mc o e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mw i m v a r i a b l e g r a mm o d e l 國c c e af o rs h o r t ) a c c o r d i n gt ot h ec o o p e r a t i v ec o - e v o l u t i o n a r y a l g o r i t h m ( c c e af o rs h o r t ) ，t h es t r a t e g i e so fv a r i a b l e g r a i nm o d e la n db i - s y s t e mc o m p l e m e n t , i n i t i a l l yt h eo r i g i n a ls y s t e mp ( c , r a d e1 ) i sd i v i d e di n t os e v e r a lp a r a l l e ls u b - s y s t e m sb a s e do i l p h y s i c a l ( s m m u r a l0 rd i s c i p l i n e ) u n i t s t h e nt h eo r i g i n a ls y s t e mpi sd u p l i c a t e dt ot w o i n d e p e n d e n ts y s t e maa n db ( g r a d e2 ) r e s p e c t i v e l y b o t hs y s t e ma a n dbi n c l u d et h e a b o v e m e n t i o n e ds e v e r a lp a r a l l e ls u b s y s t e m s ( g r a d e 3 1 n 地h i s y s t e mc o e v o l u t i o n a r y f i a m e w o r ki sc o n s t r u c t e db yt h et w os y s t e m sw i t hc o m p l e m e n t a r ys t r a t e g i e s ，w h i c ha r c d i f f e r e n ti nt h en u m b e ro fd e s i g nv a r i a b l e sa n dt h ec o m p l e x i t yo ff i t n e s sf u n c t i o n t h i s d i s s e r t a t i o na d o p t st h ev a r i a b l e - g r i nm o d e lo fd e s i g nv a r i a n t s aa n dbs y s t e m ss h a r et h e d e s i g nv a r i a n t so fo r i g i n a lp r o b l e m b o t hs y s t e ma ，ba n ds u b s y s t e m so fbc o - s o l v ep r o b l e m u s i n ge v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s y s t e ma a n d b ( a c t u a l l y ，t h e ya l es u b s y s t e m so fs y s t e ma a n d - i i i 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與c a d 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) b 、c o i l a b o r a t ew i t he a c ho t h e rt h r o u g ht h ei n d i v i d u a lm i g r a t i o nb e t w e e nt h et w os y s t e m s ， t l l i ss t u d ya l n l sa ti n c r e a s i n gt h ed i v e r s i t yo fp o p u l a t i o n , a n dr e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo f c o m p u t a t i o n n ep r o p o s e da l g o r i t h mi m p r o v e st h ep r e c i s i o n , e f f i c i e n c ya n ds u c e e s sr a t eo f c o m p u t a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o no f e n g i n e e r i n gs y s t e m ( 2 ) t l i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t ss e v e r a lk e yd e v e l o p m e n tt e c h n i q u e si nt h el a y o u td e s i g n p r o c e s so fs a t e l l i t es y s t e mp l a t f o r m t h e s ek e yt e c h n i q u e si n c l u d et h eo v e r a l ld e s i g no fc a d p l a t f o r m ，t h et h r e ed e s c r i p t i v em o d e l so fo b j e c ta n dl a y o u ts p a c e ，t h et e c h n i q u e so f s e l f - o r i e n t a t i o na s s e m b l i n g t h et w oc o a r s e - f i n ei n t e r f e r e n c ec o l l i s i o nd e t e c t i o ni np m 厄a n d s oo i l f r o mt h ev i e w p o i n to fe n g i n e e r i n g , t h i sd i s s e r t a t i o nc o m b i n e dt h ep r o p o s e da l g o r i t h m f r a m e w o r kw i t hs e v e r a lp o p u l a ra l g o r i t h r a sl i b r a r i e s ( s u c ha sg a l 洳g e n e t i ca l g o r i t h ml i b r a r y ， r a p i dt h r e e d i m e n s i o n a lc o l l i s i o nd e t e c t i o np a c k a g e ) a n dt h ec o m m e r c i a le n g i n e e r i n g s o f t w a r e ( s u c ha sp r o e n g i n e e r ) 1 1 ”l a y o u to p t i m i z a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e df o r t h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p l i c a t e dm o d e le n t i t y t h i ss o t h v a r eh a sas t e a d yk e r n e lo fa l g o r i t h m l i b r a r y ，a n dh a st h ea b i l i t i e so ft h r e e - d i m e n s i o n a li n t e r f e r e n c ed e t e c t i o na n ds e l f - o r i e n t a t i o n a s s e m b l i n g t 1 1 i ss o f l - w a r ei s t h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ea b o v e m e n t i o n e ds y s t e m p l a t f o r m t h e s et e c h n i q u e so fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta n dt h el a y o u ts o f t w a r eh a v eb e e n v a l i d a t e db yt h ec a d s y s t e mo fl a y o u to p t i m i z a t i o n , a n dt h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fc a d s y s t e ms e c o n d a r yd e v e l o p m e n t w i l lb e n e f i tf r o mt h e m ms a t e l l i t em o d u l ei nt h i sd i s s e r t a t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h ep r e v i o u ss t u d y i ta d d st h e a n t e n n a ea n ds o l a ra r r a y s t h es t a t e so fl a u n c h i n ga n df l y i n gf o rt h ea n t e l m a l ：a n ds o l a ra r r a y s h a v e b e e na n a l y z e d ，w h e r et h ef o r mo fa p p a r a t u sa n de q u i p m e n ti st h r e e - d i m e n s i o n a l c o m p l i c a t e dm o d e le n t i t y n 圮r e s u l t so fn u m e r i c a le x p e r i m e n t sf o rt h es a l e u i t em o d u l e s h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dw a sf e a s i b l ea n de f f e c t i v ef o rt h el a y o u td e s i g no fs a t e l l i t e m o d u l e t h es y s t e mp l a t f o r mf o rs a t e l l i t el a y o u to p t i m i z a t i o nd e s i g ni si n t e g r a t e dt h e p r o p o s e dm e t h o d , e n g i n e e r i n gs o f t w a r e a l g o r i t h ml i b r a r ya n ds oo n t h es y s t e mp l a t f o r mh a s b e e nc h e c k e da n da c c e p t e db yu s e r , a n dh a sb e e na p p l i e di nt h el a y o u td e s i g na n ds i m u l a f i o n o f ac e r t a i ns a t e l l i t e i n t h e o r y ，t h i s d i s s e r t a t i o np r e s e n t sab i s y s t e mc o - e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mw i t h v a r i a b l e - g r a i nm o d e l n l cr e s e a r c hw i l la d v a n c et h ef u r t h e rs t u d yo fc o - e v o l u t i o n a r y a l g o r i t h m i np r a c t i c e ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ea p p l i c a t i o no f t h ep r o p o s e da l g o r i t h m i nt h e l a y o u td e s i g no ft h es a t e l l i t e a d d i t i o n a l l y , s e v e r a lk e yd e v e l o p m e n tt e c h n i q u e s a l ea l s o p r e s e n t e d t h ed e v e l o p e ds y s t e mp l a t f o r mc a nb ea p p l i e dt ot h el a y o u td e s i g no ft h eo t h e r s p a c e c r a f r sa n ds a t e l l i t e s k e yw o r d s ：s a t e l l i t e ；l a y o u td e s i g n ；c o - e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ；v a r i a b l e - g r a i n ； b i - s y s t e m ：c a ds y s t e m i v 大連理工大學博士學位論文 縮略語表 c a e c o m p u t e - a i d e de n g i n e e r 計算機輔助工程 一i x 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本博士學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學或者其他單位的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名：辮日期：二翌幽 大連理工大學博士學位論文 大連理工大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者及指導教師完全了解“大連理工大學碩士、博士學位論文版權(quán)使用 規(guī)定”，同意大連理工大學保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學位論文的復印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論 文。 作者簽名 導師簽名 道趑 聰乙z 三 一 瑚年旦月丑目 大連理工大學博士學位論文 1 緒論 本章介紹了課題研究的工程背景與問題的提出，研究問題性質(zhì)和范圍，綜述了衛(wèi)星 艙布局設(shè)計與協(xié)同進化算法的研究進展，討論了前人貢獻、存在的待解決問題以及與本 論文的關(guān)系，介紹了本課題組前期相關(guān)工作基礎(chǔ)以及與本文的銜接關(guān)系，最后介紹了本 文的研究目的、意義以及研究方法和研究內(nèi)容概要。 1 1 工程背景和問題的提出 在當代科技高速發(fā)展的前提下，航天技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個國家科學技術(shù)和國防現(xiàn) 代化水平的重要標志之一。通常，航天器主要包括衛(wèi)星，宇宙飛船、航天飛機以及空間 站等。其中衛(wèi)星是發(fā)展較早、應(yīng)用廣泛的一類航天器。它是進入地球大氣層以外的太空， 并在此環(huán)境中運行和工作，執(zhí)行探索、開發(fā)或利用太空等以服務(wù)于地上特定需求的一種 特殊的人造物【1 】。衛(wèi)星的應(yīng)用具有重要的經(jīng)濟效益和社會價值?！笆濉逼陂g我國衛(wèi)星 發(fā)射總數(shù)超過3 0 顆，占前3 0 年發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的一半以上；到2 0 2 0 年，國內(nèi)各類衛(wèi)星 需求量將達2 0 0 顆左右同期國際市場上將有1 8 0 0 多顆衛(wèi)星要發(fā)射1 2 】。在2 0 0 3 年l o 月“神舟五號”載人飛船發(fā)射及回收成功后，我國已宣布啟動空間站研發(fā)和探月工程計 劃，將在2 0 1 0 2 0 2 0 年前發(fā)射1 0 0 2 0 0 顆衛(wèi)星并啟動嫦娥探月工程( 屬衛(wèi)星) 。 空問技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化的迅速發(fā)展對航天器設(shè)計提出了縮短設(shè)計周期、降低研制成 本、保證設(shè)計可靠性以及標準化、系列化、通用化等更高的要求f 3 4 】。通常，衛(wèi)星由有 效載荷和平臺兩部分組成。所謂“有效載荷”是指空間航天系統(tǒng)中能直接滿足用戶輸出 需求的儀器、設(shè)備或裝置等物質(zhì)性的有效載荷和執(zhí)行航天任務(wù)的人及其裝備組成的航天 員系統(tǒng)【3 】。它是衛(wèi)星的核心部分，隨衛(wèi)星不同用途而異，功能不一。衛(wèi)星平臺是由星載 服務(wù)系統(tǒng)組合而成的一個艙段或幾個艙段，例如服務(wù)艙、推進艙等。衛(wèi)星“公用平臺” 是指不僅能使用于同型號的不同批次衛(wèi)星，而且能適應(yīng)其它型號衛(wèi)星，甚至不同系歹蛩 的衛(wèi)星平臺1 3 1 。經(jīng)過多年的努力，我國已初步建成通信衛(wèi)星、返回式衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星和 小衛(wèi)星四種衛(wèi)星系歹u 研鉍公用平臺，并為其它類型航天器公用平臺建設(shè)在技術(shù)上積累了 寶貴經(jīng)驗【4 】。本文衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設(shè)計是基于公用平臺的衛(wèi)星總體方案設(shè)計的重要內(nèi)容， 是指將衛(wèi)星艙內(nèi)、外裝載的大量儀器、設(shè)備( 有效載荷) 布置在衛(wèi)星艙內(nèi)、外有限的空間， 并滿足其內(nèi)部和周圍環(huán)境的各種約束要求且盡可能對布局方案的各項性能指標進行優(yōu) 化，它屬于帶性能約束的三維布局優(yōu)化問題。本文研究該類問題。 本課題是以中國航天科技集團某部委托項目“航天器布局優(yōu)化設(shè)計仿真系統(tǒng)平臺研 究與開發(fā)”為工程背景，并在國家自然科學基金項目和國家8 6 3 高技術(shù)研究發(fā)展計劃項 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與c a d 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 目的資助下，研究一類以改善衛(wèi)星總體質(zhì)量分布特性為目標的衛(wèi)星艙內(nèi)外儀器、設(shè)備的 空間布局方案設(shè)計問題。其設(shè)計目標是盡可能改善衛(wèi)星的質(zhì)量分布特性，如整星的質(zhì)心 位置偏差、轉(zhuǎn)動慣量、動平衡度等，同時要求滿足待布物之間不干涉，待布物與艙體不 干涉等約束條件。在此背景下，本文主要目的是研究航天器( 如衛(wèi)星) 布局的設(shè)計方法、 c a d 系統(tǒng)以及工程應(yīng)用。重點研究一種新的變粒度雙系統(tǒng)的協(xié)同進化算法以及其設(shè)計 與仿真c a d 系統(tǒng)平臺關(guān)鍵技術(shù)。與國際上的衛(wèi)星艙布局問題文獻相比該設(shè)計變量數(shù)目 較多、問題較復雜，還格外考慮了衛(wèi)星艙外的測控天線和太陽能帆板的發(fā)射和在軌飛行 狀態(tài)，且艙內(nèi)儀器和設(shè)備采用了逼近實際的3 d 外形，研究了“航天器布局優(yōu)化設(shè)計仿 真系統(tǒng)平臺”的相關(guān)計算機應(yīng)用技術(shù)及其實現(xiàn)。 以下綜述了與本文有關(guān)的研究進展，包括衛(wèi)星艙布局設(shè)計、協(xié)同進化算法等的研究 現(xiàn)狀和進展，分述如下。 1 2 衛(wèi)星艙布局設(shè)計研究進展 衛(wèi)星艙這種復雜工程系統(tǒng)的布局設(shè)計問題具有難以解決的三重難度：計算復雜性、 工程復雜性、工程實用化。而本文也正是針對這三重難度，提出了相應(yīng)的解決措施與方 法。為了更好地解決這些問題，需要對本文所研究的衛(wèi)星艙布局問題有所了解。本節(jié)首 先概述布局問題，其次介紹常用的布局建模與求解方法。 1 2 1 布局問題概述 d o w s l a n d 5 j 、c a g a n l 6 j 等人認為：布局問題( l a y o u tp r o b l e m ) 是指將一組給定待布 物合理地布置在一有限布局空間( l a y o u ts p a c e ) 中，使設(shè)計目標集盡可能的優(yōu)化，并 滿足給定的空間或性能約束條件。本文的衛(wèi)星艙布局設(shè)計問題符合該定義描述，屬于空 間布局( s p a c el a y o u tp l a n n i n g ) p 域三維布局( t h r e e d i m e n s i o n a ll a y o u t ) 【6 】問題。 布局問題的起源與c u t t i n g ( 切段) 和p a c k i n g ( 裝填) 問題密不可分，學術(shù)界和工 程界認可的對c u t t i n g 和p a c k i n g 問題的研究始于1 9 6 4 年d y c k h o 彤剮對c u t t i n g 和p a c k i n g 問題基本邏輯結(jié)構(gòu)的分析，認為空間布局問題也屬于c u t t i n g 和p a c k i n g 問題，并在廣義 上同背包問題、調(diào)度問題、分配問題等具有相同的邏輯結(jié)構(gòu)和理論本質(zhì)，同屬于一類 n - p - h a r d 或n p c 問題。 布局設(shè)計問題廣泛存在于日常生產(chǎn)、生活和科研實踐的各個方面，例如建筑平面布 局設(shè)計【9 l 、報紙和網(wǎng)頁版面設(shè)計、車間設(shè)備布局設(shè)計f l l 】、集成電路和芯片布局設(shè)計【1 2 1 、 復雜機械產(chǎn)品布局設(shè)計【1 3 1 4 1 、航空航天器布局設(shè)計f 1 5 - 1 7 】等，其研究具有廣闊的工程背景 和重大的經(jīng)濟、社會效益。其中衛(wèi)星等這些主要應(yīng)用背景為國家目標的高技術(shù)復雜工程 系統(tǒng)的艙內(nèi)布局設(shè)計，更是直接關(guān)系到這些產(chǎn)品和裝備的性能、可靠性、壽命，成本乃 大連理工大學博士學位論文 至成敗的大問題。同時，由于這些復雜工程系統(tǒng)設(shè)計涉及到機械、計算機、電子、自動 化、力學和數(shù)學等多種學科交叉，在工程上屬于復雜系統(tǒng)和方案設(shè)計問題，理論描述復 雜，建模和求解困難，達到工程實用更難，具有計算復雜性、工程復雜性和工程實用化 三重難度。因此，對這些復雜工程系統(tǒng)的布局優(yōu)化方法及其工程實用化途徑和技術(shù)的研 究已經(jīng)成為目前一個亟待解決的問題。2 0 0 2 年，美國c a r n e g i em e l l o n 大學的c a g a n 教 授研究了一類帶性能約束的發(fā)動機艙、熟力泵的布局設(shè)計問題( 如圖1 1 、圖1 2 所示) 1 9 l 。2 0 0 4 年，美國c l e m s o n 大學f a d e l 教授研究了一類與本文衛(wèi)星艙布局設(shè)計相類似的 帶性能約束的配置設(shè)計( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 問題，其實質(zhì)是小衛(wèi)星艙內(nèi)組件的布局 設(shè)計問題( 如圖1 3 所示) m 9 1 。他們的工作代表了當前復雜布局問題研究的國際水平。 由于他們所研究的布局問題其目標函數(shù)和約束條件的耦合關(guān)系比較復雜、很難求解，因 此他們所研究的闖題規(guī)模較小( 只有l(wèi) o 余個待布置物體) ，待布置物體的形體比較簡 單，且所涉及的性能約束條件較少，與實際有差距。 目圓啊扎 一；暑 囪1 1 汽車發(fā)動機艙布局【1 8 l 圈1 2 熱力泵布局，布線設(shè)計響 圖1 3 小衛(wèi)星艙內(nèi)組件布局 f i g1 1c a r 哪乒n e 。c o m p a r t m e n t f i g1 2h e a t p u m p 1 9 1 “o 拇y o u t a n d f i g 1 3l a y o u t o f ? o m 豫7 , n e n t si nlayoutt r o u t i n g s a t e l l i t em o d u l e 從空間維數(shù)分，布局問題可分為一、二和三維布局問題。一維布局問題包括切段問 題等，其典型例子是在給定長度的棒料上切割長度不等的若干短棒。二維布局問題包括 一刀切問題、底盤裝載問題、平面圖形裝填問題等，其特點是在二維平面范圍內(nèi)考慮物 體的布局問題。三維布局問題是指將三維物體擺放在一個任意形狀、大小的三維容器中。 它包括航天器艙布局、汽車發(fā)動機艙布局等，其特點是從三維空間角度考慮物體的布局 問題。這類布局問題較為復雜、約束和目標要求也很多，因此較難求解。 從所要滿足的約束條件分，布局問題又可分為無性能約束和帶性能約束布局問題。 無性能約束布局問題僅要求待布物之間以及待布物與容器之間不干涉，并只以提高空間 利用率為設(shè)計目標，較為簡單，如集裝箱裝填、板材下料、服裝裁剪等。帶性能約束布 局問題是指在上述無性能約束布局問題基礎(chǔ)上還要額外考慮各種性能約束條件的影響， 如航天器布局問題中有時需要對艙體的質(zhì)心偏差、慣性夾角、轉(zhuǎn)動慣量等性能做出要求 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與c a d 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 等。相比無性能約束的布局問題而言，帶性能約束的布局問題由于其增加了布局約束的 要求而求解更加困難。 本文衛(wèi)星艙布局問題屬于帶性能約束的三維布局問題。由于航天器是一個復雜工程 系統(tǒng)瑚”j ，因此本文衛(wèi)星艙布局實質(zhì)是以復雜布局問題為對象，研究大型、高維、動態(tài) 的復雜工程系統(tǒng)方案設(shè)計的建模、求解和自動化設(shè)計的理論方法，這就決定了衛(wèi)星艙布 局求解的困難性和復雜性。 同時，在衛(wèi)星工程設(shè)計中所涉及的布局問題表現(xiàn)形式多樣，目前常見的研究內(nèi)容主 要有衛(wèi)星氣動外形布局【2 2 1 、熱力布局1 2 3 ，州、結(jié)構(gòu)布局【2 5 2 6 、載荷布局【1 5 ，16 】及衛(wèi)星星座 和地面管控系統(tǒng)總體布局【27 】等。其中，氣動外形布局設(shè)計通常是指優(yōu)化衛(wèi)星等航天器的 氣動外形，使之滿足航天器的升阻比、靜穩(wěn)定度、配平攻角等性能方面的要求。熱力布 局主要是根據(jù)航天器熱分析的結(jié)果，對艙內(nèi)外的儀器設(shè)備等進行合理布置，而航天器熱 分析的主要目的就是根據(jù)航天器內(nèi)外熱狀況及熱控制措施來確定航天器各部分的溫度 變化規(guī)律，以便檢驗熱設(shè)計是否己將各部分的溫度控制在所要求的溫度范圍之內(nèi)。這幾 類衛(wèi)星布局設(shè)計問題分別從不同的研究對象和學科領(lǐng)域出發(fā)，研究內(nèi)容各有側(cè)重且相互 交叉，所涉及的設(shè)計目標和技術(shù)要求不盡相同，但卻在一定程度上存在著內(nèi)在本質(zhì)聯(lián)系。 本文衛(wèi)星艙布局設(shè)計問題主要屬空間載荷布局。另外，本文的衛(wèi)星艙布局設(shè)計問題與 f a d e l 所研究的小衛(wèi)星布局實例1 1 9 】相比，在待布物數(shù)量和性能約束條件上較為復雜。 1 2 2 衛(wèi)星艙布局建模與求解方法 該布局設(shè)計問題的求解存在三個關(guān)鍵問題【凋：一是建立何種布局模型；二是對此布 局模型采用何種算法或方法進行求解；三是構(gòu)建布局設(shè)計、仿真與評價系統(tǒng)平臺問題。 本文研究涉及這三個方面的問題。 1 2 2 1 衛(wèi)星艙布局問題建模 布局模型是布局問題求解的基礎(chǔ)，模型的建立不僅關(guān)系到求解算法或方法的選取， 而且其質(zhì)量的好壞亦影響到布局問題的最終求解質(zhì)量。常用的布局模型有數(shù)學模型、復 合知識模型等l 捌。其中，數(shù)學模型應(yīng)用最為廣泛。 ( 1 ) 數(shù)學模型 通常，所謂數(shù)學模型【3 0 】就是根據(jù)研究目的，將所研究的客觀事物的過程和現(xiàn)象的主 要特征、主要關(guān)系，采用形式化的數(shù)學語言概括地或近似地表達出來。具體來說，數(shù)學 模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)字及其它數(shù)學符號建立起來的等式或不等式，以及 大連理工大學博士學位論文 圖表、框圖、程序等，用以描述客觀事物的特征及其關(guān)系。由于布局問題的復雜性、應(yīng) 用領(lǐng)域的廣泛性，其數(shù)學模型的表現(xiàn)形式也豐富多樣。 1 9 9 8 年c a g a n 等i is 】采用線性加權(quán)法和懲罰函數(shù)法建立了發(fā)動機艙和熱力泵的布局 數(shù)學模型，并采用模擬退火算法進行求解。2 0 0 1 年肖人彬【3 l j 提出復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模的 新方法。2 0 0 2 年譚建榮等p z 】針對工程領(lǐng)域的管線布局問題，提出了約束元、約束集、 約束方法、約束鏈和關(guān)聯(lián)約束子集等概念，對影響管線布局的約束因素進行了分析，進 而給出了基于目標分解的管線布局建模方法。2 0 0 5 年鐘毅芳等【3 咒研究了系統(tǒng)近似建模 技術(shù)。文獻 3 4 ，3 5 分別以返回式人造衛(wèi)星艙和國際商業(yè)通信衛(wèi)星艙的布局為背景，建立 了布局數(shù)學模型，并提出了衛(wèi)星艙布局求解的演化計算和入杌結(jié)合方法。 ( 2 ) 圖論模型 在布局問題中，通常以圖中的結(jié)點代表待布物，弧線代表待布物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系， 由此將布局問題轉(zhuǎn)化為在一個已知的連接圖中尋找最大獨立集或最大權(quán)平面子圖問題 進行求解【凹】。國內(nèi)外學者相繼開展了圖論模型方面的研究工作。2 0 0 5 年d u j m o v i c 等0 6 研究了一種基于圖論的序列規(guī)劃問題。同年馮恩民等 3 r j 應(yīng)用圖論、群論等研究了具有性 能約束布局問題的優(yōu)化算法及收斂性。 ( 3 ) 復合知識模型或廣義模型 目前，布局問題中多采用數(shù)學模型方法進行求解，但在實踐中有些實際工程問題是 無法或難以用單一的數(shù)學模型來表達的。為提高布局模型的工程實用性、準確性，有文 獻提出復合知識建模、面向人機工程建模以及問題廣義建模的方法。 l e n a t 和f e i g e n b a u m 指出【3 8 】，“在知識系統(tǒng)的第二個紀元中，系統(tǒng)將使智能計 算機與人之間形成一種同事關(guān)系，人與計算機各自完成自己最擅長的工作，系統(tǒng)的智能 是這種合作的產(chǎn)物”。燦b a p 9 1 利用復合知識模型在人機交互式布局方面進行了初步探 索。2 0 0 0 年孫守遷等【舯】提出一種面向人機工程建模的方法，并將其用于摩托車協(xié)同布 局設(shè)計系統(tǒng)。同年，檀潤華【4 l 】研究了自底向上的適應(yīng)性設(shè)計過程模型。2 0 0 3 年唐曉君 等1 4 2 】提出了建立復合知識模型的思想。在計算機中將問題的幾何、數(shù)學、符號等模型的 各種表達方式集成為復合知識模型，并可以通過多通道用戶界面使布局專家的認知活動 嵌入并與之交互，充分利用各種知識、更加完善地描述布局問題。2 0 0 5 年殷國富等嘲 研究了產(chǎn)品設(shè)計的知識模型建模技術(shù)。同年，本課題組 4 4 1 根據(jù)大系統(tǒng)控制論給出一種基 于人智知識計算三者綜合的問題描述廣義模型建模方法，主要包括先驗知識( 用圖形 符號、數(shù)值符號描述) 、在線人智知識( 用自然語言符號、數(shù)值符號、圖形符號描述) 、 在線計算知識( 用數(shù)值符號描述) ，通過融合前處理，再將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一形式的數(shù)值編 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與c a d 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 碼串，作為算法種群的個體，進而通過進化操作實現(xiàn)上述知識或信息在進化算法這一熔 爐中的融合，共同致力于問題的求解。并針對航天器布局設(shè)計問題給出其廣義模型。 “) 各種模型分析比較 綜上所述，目前布局數(shù)學模型應(yīng)用十分廣泛，是一種簡便、有效的布局建模方法。 但當布局問題較為復雜，特別是當布局問題涉及一些不易用數(shù)學模型表達的約束條件、 目標要求時，根據(jù)數(shù)學模型得到的布局方案往往還不能滿足工程實用要求，且求解也較 為困難。而另外一種布局圖論模型只限于小規(guī)模規(guī)則物體布局問題的求解。這是因為； 一是在圖論模型中，一般只能利用“相鄰”、“距離”等限制關(guān)系來剪切搜索分支，因 而計算機在將一個相鄰拓撲關(guān)系轉(zhuǎn)化為無尺寸布局圖時，無法避免組合爆炸；二是圖論 法對布局空間的描述顯得較繁瑣，一旦某待布物及其相對位置發(fā)生變化，則必須重新 掃描整個解空間，這將浪費大量的計算時間。因此，目前許多學者意識到了布局復合知 識模型的重要性，但由于建立一個有效的復合知識模型非常復雜且與問題研究領(lǐng)域相 關(guān)，所以目前布局復合知識模型研究的