衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化算法與CAD系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù).pdf

1、衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)是基于衛(wèi)星公用平臺(tái)的衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。通常，它是指在衛(wèi)星艙內(nèi)外如何對(duì)衛(wèi)星的各種儀器、設(shè)備進(jìn)行布置，以滿足各種工程技術(shù)約束條件并盡可能對(duì)布局方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。衛(wèi)星艙的布局設(shè)計(jì)對(duì)于縮短衛(wèi)星設(shè)計(jì)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(xué)上，它屬于組合最優(yōu)化問題；在工程上，屬于復(fù)雜工程系統(tǒng)問題。面臨的主要困難是既存在數(shù)學(xué)上的組合爆炸問題，又要達(dá)到工程實(shí)用。 本文以中國(guó)航天科技集團(tuán)某部委托項(xiàng)目“

2、航天器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)平臺(tái)研究與開發(fā)”為工程背景，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，研究高效、實(shí)用的衛(wèi)星艙布局優(yōu)化求解算法及其CAD開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。主要工作包括以下兩個(gè)方面： (1) 以航天器 (如衛(wèi)星) 的布局設(shè)計(jì)為應(yīng)用背景，根據(jù)協(xié)同設(shè)計(jì)思想，提出解決一類復(fù)雜工程布局問題求解的算法——變粒度雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化算法 (Bi-system Co-evolutionary Algorithm with

3、 Variable-grain Model，簡(jiǎn)稱BCCEA)。該算法借鑒合作式協(xié)同進(jìn)化算法 (Cooperative Co-evolutionary Algorithm，CCEA)、變粒度以及雙系統(tǒng)互補(bǔ)的思想，首先將原問題P系統(tǒng) (一級(jí)) 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(fù)制為兩個(gè)獨(dú)立的A、B系統(tǒng)(二級(jí))，A、B系統(tǒng)中均包含上面提到的若干并行子系統(tǒng) (三級(jí))，構(gòu)成雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化框架。該雙系統(tǒng)具有互補(bǔ)關(guān)系，變

4、粒度策略體現(xiàn)在適應(yīng)度函數(shù)的繁簡(jiǎn)和設(shè)計(jì)變量數(shù)量的多寡上。A、B 系統(tǒng)共享原問題的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)A、B系統(tǒng)之間(即 A、B 系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)之間)的個(gè)體遷移。目的是增加群體多樣性，又盡量減少計(jì)算復(fù)雜度。用于求解一類工程系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真，以提高其計(jì)算效率、計(jì)算精度和計(jì)算成功率。 (2) 針對(duì)上述委托項(xiàng)目，提出了衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)平臺(tái)的若干關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)，包括該系統(tǒng) CA

5、D 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)、待布物和布局空間的三種描述模型、布局方案的自動(dòng)裝配定位技術(shù)、嵌入 Pro/E 的粗精兩種三維干涉碰撞檢測(cè)等技術(shù)。從工程實(shí)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(kù) (GAlib 遺傳算法庫(kù)、RAPID三維碰撞檢測(cè)包)、工程軟件 (Pro/Engineer) 等相結(jié)合，開發(fā)出一套針對(duì)三維復(fù)雜實(shí)體CAD 模型的、具有穩(wěn)定算法內(nèi)核并能實(shí)現(xiàn)三維干涉碰撞檢測(cè)和自動(dòng)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(tái)的重要組成子

6、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(shí)例驗(yàn)證，證明有助于 CAD 系統(tǒng)二次開發(fā)過程的研究與應(yīng)用。 通過衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)例驗(yàn)證，與過去的不同之處在于格外考慮了衛(wèi)星艙外的測(cè)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(shí)際的3D外形，驗(yàn)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(jìn)化算法的實(shí)現(xiàn)，納入工程軟件集成的系統(tǒng)平臺(tái)中，構(gòu)成了“航天器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)平臺(tái)”。