（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）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

大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文 摘要 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“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8 6 3 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c a d 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一一交粒度雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)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(jiǎn)稱b c c e a ) 。該算法借鑒合作 式協(xié)同進(jìn)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(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)( - - 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)b b 問采用并行優(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)c a 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p r o 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)( g a l i b 遺傳算法庫(kù)、r a p i d 三維碰撞檢測(cè)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(duì)三維復(fù)雜實(shí)體 c a d 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(jìn)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(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(yáng)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3 d 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)”。經(jīng)用戶鑒定驗(yàn)收，并已用于某型號(hào)衛(wèi)星布局設(shè)計(jì)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(jìn)化算法，有助于協(xié)同進(jìn)化算法的理 論研究進(jìn)展；在工程上，探討了本文算法在衛(wèi)星艙布局方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提出了若干 c a d 布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，該系統(tǒng)平臺(tái)可望推廣應(yīng)用于其它 類型的航天器布局相關(guān)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；布局設(shè)計(jì)；協(xié)同進(jìn)化算法；變粒度；雙系統(tǒng)；c 加系統(tǒng) 大連理工大學(xué)博士學(xué)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(guó)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(jìn)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(xué)博士學(xué)位論文 縮略語(yǔ)表 c a e c o m p u t e - a i d e de n g i n e e r 計(jì)算機(jī)輔助工程 一i x 獨(dú)創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本博士學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)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(biāo)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(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志 對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)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(xué)博士學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版權(quán)使用 規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)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(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論 文。 作者簽名 導(dǎo)師簽名 道趑 聰乙z 三 一 瑚年旦月丑目 大連理工大學(xué)博士學(xué)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(jì)與協(xié)同進(jìn)化算法的研究進(jìn)展，討論了前人貢獻(xiàn)、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?jī)?nèi)容概要。 1 1 工程背景和問題的提出 在當(dāng)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(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和國(guó)防現(xiàn) 代化水平的重要標(biāo)志之一。通常，航天器主要包括衛(wèi)星，宇宙飛船、航天飛機(jī)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(jìn)入地球大氣層以外的太空， 并在此環(huán)境中運(yùn)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(jì)效益和社會(huì)價(jià)值?！笆濉逼陂g我國(guó)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(guó)內(nèi)各類衛(wèi)星 需求量將達(dá)2 0 0 顆左右同期國(guó)際市場(chǎng)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(hào)”載人飛船發(fā)射及回收成功后，我國(guó)已宣布啟動(dòng)空間站研發(fā)和探月工程計(jì) 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(dòng)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(duì)航天器設(shè)計(jì)提出了縮短設(shè)計(jì)周期、降低研制成 本、保證設(shè)計(jì)可靠性以及標(biāo)準(zhǔn)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(tái)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(tái)是由星載 服務(wù)系統(tǒng)組合而成的一個(gè)艙段或幾個(gè)艙段，例如服務(wù)艙、推進(jìn)艙等。衛(wèi)星“公用平臺(tái)” 是指不僅能使用于同型號(hào)的不同批次衛(wèi)星，而且能適應(yīng)其它型號(hào)衛(wèi)星，甚至不同系歹蛩 的衛(wèi)星平臺(tái)1 3 1 。經(jīng)過多年的努力，我國(guó)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(tái)，并為其它類型航天器公用平臺(tái)建設(shè)在技術(shù)上積累了 寶貴經(jīng)驗(yàn)【4 】。本文衛(wèi)星艙布局優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于公用平臺(tái)的衛(wèi)星總體方案設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容， 是指將衛(wèi)星艙內(nèi)、外裝載的大量?jī)x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(duì)布局方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)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(guó)航天科技集團(tuán)某部委托項(xiàng)目“航天器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)平臺(tái)研 究與開發(fā)”為工程背景，并在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家8 6 3 高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng) 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)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(biāo)的衛(wèi)星艙內(nèi)外儀器、設(shè)備的 空間布局方案設(shè)計(jì)問題。其設(shè)計(jì)目標(biāo)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(dòng)慣量、動(dòng)平衡度等，同時(shí)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(jì)方法、 c a d 系統(tǒng)以及工程應(yīng)用。重點(diǎn)研究一種新的變粒度雙系統(tǒng)的協(xié)同進(jìn)化算法以及其設(shè)計(jì) 與仿真c a d 系統(tǒng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)。與國(guó)際上的衛(wèi)星艙布局問題文獻(xiàn)相比該設(shè)計(jì)變量數(shù)目 較多、問題較復(fù)雜，還格外考慮了衛(wèi)星艙外的測(cè)控天線和太陽(yáng)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(shí)際的3 d 外形，研究了“航天器布局優(yōu)化設(shè)計(jì)仿 真系統(tǒng)平臺(tái)”的相關(guān)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)。 以下綜述了與本文有關(guān)的研究進(jìn)展，包括衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)、協(xié)同進(jìn)化算法等的研究 現(xiàn)狀和進(jìn)展，分述如下。 1 2 衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)研究進(jìn)展 衛(wèi)星艙這種復(fù)雜工程系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)問題具有難以解決的三重難度：計(jì)算復(fù)雜性、 工程復(fù)雜性、工程實(shí)用化。而本文也正是針對(duì)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(duì)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(rèn)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(jì)目標(biāo)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(jì)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(xué)術(shù)界和工 程界認(rèn)可的對(duì)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(duì)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(rèn)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(jì)問題廣泛存在于日常生產(chǎn)、生活和科研實(shí)踐的各個(gè)方面，例如建筑平面布 局設(shè)計(jì)【9 l 、報(bào)紙和網(wǎng)頁(yè)版面設(shè)計(jì)、車間設(shè)備布局設(shè)計(jì)f l l 】、集成電路和芯片布局設(shè)計(jì)【1 2 1 、 復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)【1 3 1 4 1 、航空航天器布局設(shè)計(jì)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(jì)、社會(huì)效益。其中衛(wèi)星等這些主要應(yīng)用背景為國(guó)家目標(biāo)的高技術(shù)復(fù)雜工程 系統(tǒng)的艙內(nèi)布局設(shè)計(jì)，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(xué)博士學(xué)位論文 至成敗的大問題。同時(shí)，由于這些復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械、計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng) 化、力學(xué)和數(shù)學(xué)等多種學(xué)科交叉，在工程上屬于復(fù)雜系統(tǒng)和方案設(shè)計(jì)問題，理論描述復(fù) 雜，建模和求解困難，達(dá)到工程實(shí)用更難，具有計(jì)算復(fù)雜性、工程復(fù)雜性和工程實(shí)用化 三重難度。因此，對(duì)這些復(fù)雜工程系統(tǒng)的布局優(yōu)化方法及其工程實(shí)用化途徑和技術(shù)的研 究已經(jīng)成為目前一個(gè)亟待解決的問題。2 0 0 2 年，美國(guó)c a r n e g i em e l l o n 大學(xué)的c a g a n 教 授研究了一類帶性能約束的發(fā)動(dòng)機(jī)艙、熟力泵的布局設(shè)計(jì)問題( 如圖1 1 、圖1 2 所示) 1 9 l 。2 0 0 4 年，美國(guó)c l e m s o n 大學(xué)f a d e l 教授研究了一類與本文衛(wèi)星艙布局設(shè)計(jì)相類似的 帶性能約束的配置設(shè)計(jì)( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 問題，其實(shí)質(zhì)是小衛(wèi)星艙內(nèi)組件的布局 設(shè)計(jì)問題( 如圖1 3 所示) m 9 1 。他們的工作代表了當(dāng)前復(fù)雜布局問題研究的國(guó)際水平。 由于他們所研究的布局問題其目標(biāo)函數(shù)和約束條件的耦合關(guān)系比較復(fù)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(gè)待布置物體) ，待布置物體的形體比較簡(jiǎn) 單，且所涉及的性能約束條件較少，與實(shí)際有差距。 目圓啊扎 一；暑 囪1 1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局【1 8 l 圈1 2 熱力泵布局，布線設(shè)計(jì)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(zhǎng)度的棒料上切割長(zhǎng)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(diǎn)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(gè)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(dòng)機(jī)艙布局等，其特點(diǎn)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(fù)雜、約束和目標(biāo)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(wú)性能約束和帶性能約束布局問題。 無(wú)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(jì)目標(biāo)，較為簡(jiǎn)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(wú)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(shí)需要對(duì)艙體的質(zhì)心偏差、慣性?shī)A角、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等性能做出要求 衛(wèi)星艙布局的雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化算法與c a d 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 等。相比無(wú)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(gè)復(fù)雜工程 系統(tǒng)瑚”j ，因此本文衛(wèi)星艙布局實(shí)質(zhì)是以復(fù)雜布局問題為對(duì)象，研究大型、高維、動(dòng)態(tài) 的復(fù)雜工程系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的建模、求解和自動(dòng)化設(shè)計(jì)的理論方法，這就決定了衛(wèi)星艙布 局求解的困難性和復(fù)雜性。 同時(shí)，在衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)中所涉及的布局問題表現(xiàn)形式多樣，目前常見的研究?jī)?nèi)容主 要有衛(wèi)星氣動(dòng)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(dòng)外形布局設(shè)計(jì)通常是指優(yōu)化衛(wèi)星等航天器的 氣動(dòng)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(duì)艙內(nèi)外的儀器設(shè)備等進(jìn)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(yàn)熱設(shè)計(jì)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(jì)問題分別從不同的研究對(duì)象和學(xué)科領(lǐng)域出發(fā)，研究?jī)?nèi)容各有側(cè)重且相互 交叉，所涉及的設(shè)計(jì)目標(biāo)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(jì)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(jì)問題與 f a d e l 所研究的小衛(wèi)星布局實(shí)例1 1 9 】相比，在待布物數(shù)量和性能約束條件上較為復(fù)雜。 1 2 2 衛(wèi)星艙布局建模與求解方法 該布局設(shè)計(jì)問題的求解存在三個(gè)關(guān)鍵問題【凋：一是建立何種布局模型；二是對(duì)此布 局模型采用何種算法或方法進(jìn)行求解；三是構(gòu)建布局設(shè)計(jì)、仿真與評(píng)價(jià)系統(tǒng)平臺(tái)問題。 本文研究涉及這三個(gè)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(xué)模型、復(fù) 合知識(shí)模型等l 捌。其中，數(shù)學(xué)模型應(yīng)用最為廣泛。 ( 1 ) 數(shù)學(xué)模型 通常，所謂數(shù)學(xué)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(xué)語(yǔ)言概括地或近似地表達(dá)出來。具體來說，數(shù)學(xué) 模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)字及其它數(shù)學(xué)符號(hào)建立起來的等式或不等式，以及 大連理工大學(xué)博士學(xué)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(fù)雜性、應(yīng) 用領(lǐng)域的廣泛性，其數(shù)學(xué)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(dòng)機(jī)艙和熱力泵的布局 數(shù)學(xué)模型，并采用模擬退火算法進(jìn)行求解。2 0 0 1 年肖人彬【3 l j 提出復(fù)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(duì)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(duì)影響管線布局的約束因素進(jìn)行了分析，進(jìn) 而給出了基于目標(biāo)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(xiàn) 3 4 ，3 5 分別以返回式人造衛(wèi)星艙和國(guó)際商業(yè)通信衛(wèi)星艙的布局為背景，建立 了布局?jǐn)?shù)學(xué)模型，并提出了衛(wèi)星艙布局求解的演化計(jì)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(diǎn)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(gè)已知的連接圖中尋找最大獨(dú)立集或最大權(quán)平面子圖問題 進(jìn)行求解【凹】。國(guó)內(nèi)外學(xué)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(fù)合知識(shí)模型或廣義模型 目前，布局問題中多采用數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行求解，但在實(shí)踐中有些實(shí)際工程問題是 無(wú)法或難以用單一的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)的。為提高布局模型的工程實(shí)用性、準(zhǔn)確性，有文 獻(xiàn)提出復(fù)合知識(shí)建模、面向人機(jī)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(shí)系統(tǒng)的第二個(gè)紀(jì)元中，系統(tǒng)將使智能計(jì) 算機(jī)與人之間形成一種同事關(guān)系，人與計(jì)算機(jī)各自完成自己最擅長(zhǎng)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(fù)合知識(shí)模型在人機(jī)交互式布局方面進(jìn)行了初步探 索。2 0 0 0 年孫守遷等【舯】提出一種面向人機(jī)工程建模的方法，并將其用于摩托車協(xié)同布 局設(shè)計(jì)系統(tǒng)。同年，檀潤(rùn)華【4 l 】研究了自底向上的適應(yīng)性設(shè)計(jì)過程模型。2 0 0 3 年唐曉君 等1 4 2 】提出了建立復(fù)合知識(shí)模型的思想。在計(jì)算機(jī)中將問題的幾何、數(shù)學(xué)、符號(hào)等模型的 各種表達(dá)方式集成為復(fù)合知識(shí)模型，并可以通過多通道用戶界面使布局專家的認(rèn)知活動(dòng) 嵌入并與之交互，充分利用各種知識(shí)、更加完善地描述布局問題。2 0 0 5 年殷國(guó)富等嘲 研究了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的知識(shí)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(shí)計(jì)算三者綜合的問題描述廣義模型建模方法，主要包括先驗(yàn)知識(shí)( 用圖形 符號(hào)、數(shù)值符號(hào)描述) 、在線人智知識(shí)( 用自然語(yǔ)言符號(hào)、數(shù)值符號(hào)、圖形符號(hào)描述) 、 在線計(jì)算知識(shí)( 用數(shù)值符號(hào)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(jìn)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(gè)體，進(jìn)而通過進(jìn)化操作實(shí)現(xiàn)上述知識(shí)或信息在進(jìn)化算法這一熔 爐中的融合，共同致力于問題的求解。并針對(duì)航天器布局設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)學(xué)模型應(yīng)用十分廣泛，是一種簡(jiǎn)便、有效的布局建模方法。 但當(dāng)布局問題較為復(fù)雜，特別是當(dāng)布局問題涉及一些不易用數(shù)學(xué)模型表達(dá)的約束條件、 目標(biāo)要求時(shí)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型得到的布局方案往往還不能滿足工程實(shí)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?yàn)椋?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(jì)算機(jī)在將一個(gè)相鄰?fù)負(fù)潢P(guān)系轉(zhuǎn)化為無(wú)尺寸布局圖時(shí)，無(wú)法避免組合爆炸；二是圖論 法對(duì)布局空間的描述顯得較繁瑣，一旦某待布物及其相對(duì)位置發(fā)生變化，則必須重新 掃描整個(gè)解空間，這將浪費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。因此，目前許多學(xué)者意識(shí)到了布局復(fù)合知 識(shí)模型的重要性，但由于建立一個(gè)有效的復(fù)合知識(shí)模型非常復(fù)雜且與問題研究領(lǐng)域相 關(guān)，所以目前布局復(fù)合知識(shí)模型研究的