衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法與CAD系統(tǒng)關鍵技術.pdf

1、衛(wèi)星艙布局設計是基于衛(wèi)星公用平臺的衛(wèi)星總體設計的重要內(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、設備進行布置，以滿足各種工程技術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)星艙的布局設計對于縮短衛(wèi)星設計周期、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“

2、航天器布局優(yōu)化設計與仿真系統(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863高技術研究發(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CAD開發(fā)關鍵技術。主要工作包括以下兩個方面： (1) 以航天器 (如衛(wèi)星) 的布局設計為應用背景，根據(jù)協(xié)同設計思想，提出解決一類復雜工程布局問題求解的算法——變粒度雙系統(tǒng)協(xié)同進化算法 (Bi-system Co-evolutionary Algorithm with

3、 Variable-grain Model，簡稱BCCEA)。該算法借鑒合作式協(xié)同進化算法 (Cooperative Co-evolutionary Algorithm，CCEA)、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)(二級)，A、B系統(tǒng)中均包含上面提到的若干并行子系統(tǒng) (三級)，構成雙系統(tǒng)協(xié)同進化框架。該雙系統(tǒng)具有互補關系，變

4、粒度策略體現(xiàn)在適應度函數(shù)的繁簡和設計變量數(shù)量的多寡上。A、B 系統(tǒng)共享原問題的設計變量，A與B系統(tǒng)、B系統(tǒng)的子系統(tǒng)BB間采用并行優(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)化設計與仿真系統(tǒng)平臺的若干關鍵開發(fā)技術，包括該系統(tǒng) CA

5、D 平臺總體設計、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、嵌入 Pro/E 的粗精兩種三維干涉碰撞檢測等技術。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 (GAlib 遺傳算法庫、RAPID三維碰撞檢測包)、工程軟件 (Pro/Engineer) 等相結(jié)合，開發(fā)出一套針對三維復雜實體CAD 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，構成上述系統(tǒng)平臺的重要組成子

6、系統(tǒng)。上述關鍵開發(fā)技術和布局優(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 CAD 系統(tǒng)二次開發(fā)過程的研究與應用。 通過衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設計的實例驗證，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)儀器和設備采用了逼近實際的3D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，構成了“航天器布局優(yōu)化設計與仿真系統(tǒng)平臺”。