《2016中國的航天》白皮書指出,“十三五”及未來一段時(shí)期,載人航天、月球探測、空間站、火星探測等多艙段航天器總體布局方案設(shè)計(jì)中,如何盡量改善航天器總體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量特性(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性夾角、質(zhì)心距、慣性積),至關(guān)重要。因?yàn)樗苯佑绊懞教炱鞯男阅�、成本、安裝、壽命乃至運(yùn)行成敗,是一個(gè)重要而又難解的問題。多艙段(或多支撐面)航天器設(shè)備布局優(yōu)化設(shè)計(jì)問題(簡稱MSELOP),屬于NP-Hard問題和工程系統(tǒng)優(yōu)化問題,它既具有計(jì)算復(fù)雜性,又具有工程復(fù)雜性。對于這類工程系統(tǒng)優(yōu)化問題可以采用分而治之、系統(tǒng)分解方式求解,例如合作式協(xié)同進(jìn)化算法(Cooperative Co-evolutionary algorithms,CCEA)求解。目前存在的問題是,如何提高CCEA求解MSELOP的計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),并盡量改善航天器總體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量特性,對于當(dāng)前或未來創(chuàng)新航天器研發(fā)具有重大理論和工程意義。因此,本文以航天器(含衛(wèi)星)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目為工程背景,在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下,研究一類帶動(dòng)力學(xué)質(zhì)量特性等約束多艙段(或多支撐面)航天器艙內(nèi)外儀器(設(shè)備)分配和布局方案設(shè)計(jì)問題,以及二者集成的總體布局優(yōu)化方法,包括設(shè)備(組件)分配和布局優(yōu)化兩部分的協(xié)同設(shè)計(jì),涉及處理二者之間,相互依存耦合關(guān)系及其協(xié)同。目的是提高CCEA的計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),改善一類多艙段(或多支撐面)航天器艙總體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量特性(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性夾角、質(zhì)心距、慣性積),并提供技術(shù)支持。論文的主要工作如下:(1)針對目前如何提高CCEA求解大規(guī)模(D=1000)不可分解函數(shù)優(yōu)化問題的計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),給出一類雙系統(tǒng)(A,B)合作式協(xié)同進(jìn)化算法(DCCDE,DCCDE/PSO)。DCCDE 通過一種改進(jìn)的 DE(Differential Evolution)算法,在優(yōu)化過程中每隔若干代進(jìn)行一次SPX的局部搜索,提高了算法探索能力。然后,DCCDE采用改進(jìn)的雙系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)制以及A,B系統(tǒng)之間的信息交流,增加了種群的多樣性。DCCDE/PSO從雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,系統(tǒng)分解,雙系統(tǒng)的協(xié)調(diào)機(jī)制以及CC框架中混合算法的選擇和匹配四個(gè)方面進(jìn)行了研究,通過Benchmark 25個(gè)不可分解函數(shù)測試表明,與單系統(tǒng)的CCEA算法相比,驗(yàn)證了本文雙系統(tǒng)算法的有效性,并且提高了協(xié)同進(jìn)化算法的計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),為進(jìn)一步研究MSELOP奠定了基礎(chǔ)。(2)針對MSELOP,為了進(jìn)一步提高CCEA計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),給出一種新的雙系統(tǒng)(A,B)合作式混合協(xié)同進(jìn)化算法(NDCCDE/DPSO)。首先,構(gòu)造新的雙系統(tǒng)Potter's CC架構(gòu)形式,然后給出相應(yīng)的系統(tǒng)分解規(guī)則,矩陣分析方法和改進(jìn)的雙系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)制,最后,給出在A,B系統(tǒng)各自求解算法(進(jìn)化或群智算法)選擇和匹配。雙系統(tǒng)NDCCDE/DPSO,求解了兩個(gè)航天器艙設(shè)備布局優(yōu)化案例,與經(jīng)典的單系統(tǒng)CCEA算法和雙系統(tǒng)Potter's CC算法相比,提高了 CCEA的計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),改善了航天器艙總體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量特性(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性夾角、質(zhì)心距、慣性積)。(3)過去MSELOP一般只考慮固定組件分配方案下的組件布局優(yōu)化,討論組件分配的少見,其分配方案在初始化時(shí)一次性地給出(含初始化組件分配),并且在組件布局過程中不再改變。如果采用固定組件分配,初始化組件分配不合理,體現(xiàn)在各艙段的組件質(zhì)量、體積等分配不合理,將嚴(yán)重妨礙組件布局優(yōu)化設(shè)計(jì)水平的進(jìn)一步提高,甚至無法達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)(航天器的質(zhì)量特性)的要求。因此為了解決上述問題,并進(jìn)一步改善航天器總體質(zhì)量分布特性,將多Agent系統(tǒng)與協(xié)同進(jìn)化算法相結(jié)合,通過Agent之間的合作和交互,提出一種基于多Agent的雙系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)方法,共同求解組件分配和布局優(yōu)化的新問題。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)表明,與其它幾種組件分配方法相比,提高了計(jì)算精度和魯棒性,驗(yàn)證了本文基于多Agent系統(tǒng)的總體布局優(yōu)化方法的有效性,提高了 CCEA的計(jì)算性能(計(jì)算精度和魯棒性),并進(jìn)一步改善了航天器艙總體動(dòng)力學(xué)質(zhì)量特性(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、慣性夾角、質(zhì)心距、慣性積等)。在上述雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化方法研究和本課題組前期工作基礎(chǔ)上,基于Pro/Engineer二次開發(fā)技術(shù),給出航天器艙設(shè)備布局優(yōu)化系統(tǒng),建立航天器艙設(shè)備布局的Pro/E三維模型,并進(jìn)行自動(dòng)虛擬裝配設(shè)計(jì),并為設(shè)計(jì)師提供參考和技術(shù)支持。本文研究具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值,期望能推廣應(yīng)用于一類耦合工程系統(tǒng)設(shè)備分配和布局,諸如特種車輛動(dòng)力艙、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙和船舶動(dòng)力艙等設(shè)備布局研究,并提供技術(shù)支持。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V423
【部分圖文】：

與ＣＥＧＡ，ＧＡ算法相比，取得了較好的計(jì)算結(jié)果。逡逑�。镀〉龋呋冢校铮簦簦澹颉箦澹茫媒o出一種雙系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化算法（Ｏｂｏｅ－ＣＣＥＡ）用于求解逡逑衛(wèi)星艙設(shè)備布局優(yōu)化問題（圖１．３（ｂ）［３（）］），組件數(shù)目Ｎ＝６０，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，逡逑質(zhì)心距，慣性夾角，并且需要滿足組件之間，以及組件與艙壁之間的不干涉約束。逡逑Ｏｂｏｅ－ＣＣＥＡ算法將原系統(tǒng)Ｐ分解為／個(gè)子系統(tǒng)，然后將分解后的Ｐ系統(tǒng)復(fù)制為Ａ、Ｂ兩逡逑個(gè)系統(tǒng)以及相應(yīng)的子系統(tǒng)Ａｊ，邋Ｂｐ邋Ａ，邋Ｂ系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)化，Ａ系統(tǒng)采用整體優(yōu)化。Ｂ系統(tǒng)逡逑基于一個(gè)Ｐｏｔｔｅｒ’ｓＣＣ，其進(jìn)化是由其子系統(tǒng)場的協(xié)同進(jìn)化實(shí)現(xiàn)。為了降低系統(tǒng)整體優(yōu)化逡逑的困難，減少由于增加雙系統(tǒng)而增加計(jì)算耗時(shí)，采用了由粗至細(xì)變粒度策略。進(jìn)化過程逡逑中，精英個(gè)體遷移是通過子系統(tǒng)Ａｊ和場之間的精英個(gè)體遷移實(shí)現(xiàn)，并且構(gòu)成雙系統(tǒng)之逡逑間協(xié)作進(jìn)化。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)表明，與ＧＡ和ＣＣＧＡ相比，取得較好的計(jì)算結(jié)果。逡逑Ｃｕｃｏ等［３１］研究一類多任務(wù)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備布局問題

⑧邋ｘｅ［－３２，３２ｆ逡逑（９）邋Ｇｌｏｂａｌ邋ｏｐｔｉｍｕｍ：邋ｘ＊＝ｏ，邋Ｆ６（ｘ＊）邋＝邋／＿ｂｉａｓ６邋＝邋－１４０逡逑⑩其二維函數(shù)的三維映射如圖２．〗（ｅ）所示［９］。逡逑＊玲0邋＜ｔ0ｅ邐－１？邋－＜00逡逑（ａ）二維邋Ｓｃｈｗｅｆｅｌ’ｓ邋Ｐｒｏｂ丨ｅｍ邋２．２１邋（Ｆｊ）邐（ｂ）二維邋Ｓｈｉｆｔｅｄ邋Ｒｏｓｅｎｂｒｏｃｋ’ｓ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋（Ｆ＿？）逡逑－＂＇？邐ｊ邐＂邋：？？．邐？０、？．’：逡逑－２00｜邐．．．Ｊａ邐Ｊ逡逑－５邐－５邐＾０９邐．？？逡逑（Ｃ）二維邋Ｓｈｉｆｔｅｄ邋Ｒａｓｔｒｉｇｉｎ’ｓ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋（Ｆｖ）邐（ｄ）二維邋Ｓｈｉｆｔｅｄ邋Ｇｒｉｅｗａｎｋ’ｓ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋（巧－）逡逑ｔｆ邋＞■？？＞邋？ｔｕｕｍｔＯｍ－邋ｔｒｎｍｍＯ＾ｒｎ邋ａ邋Ｏｍｘｔｔｒ邋＾邋ｔｍ．邋ｉ）逡逑５邐ｙｉ＾＼逡逑？邐ｙ邋？邐？？ｖ、＼邐，一邐’逡逑0＇、＇．邐ｚ、Ｔ’邋３６邐０卜、、０＊逡逑ｚ邋＜邐，邋？邋Ｘ、逡逑－ｗ名邐ｘ逡逑（ｅ）二維邋Ｓｈｉｆｔｅｄ邋Ａｃｋｌｅｙ’ｓ邋Ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋（巧）邐（ｆ）二維邋ＦａｓｔＦｒａｃｔａｌ邋“Ｄｏｕｂ

圖２．４邋ＤＣＣＤＥ／ＰＳＯ框架圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｔｈｅ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋ邋ｏｆ邋ＤＣＣＤＥ／ＰＳＯ逡逑解逡逑測試函數(shù)乃采用橫向分解方式，將它截成￡個(gè)子函數(shù)表達(dá)則該函數(shù)乃可以表示為其中Ｘ邋＝／邋＾邋｜邋／邋ｅ邋Ｊ邋＝丨／邋ｅ邋邋￡邋＝邋１，２，．．．，￡邋ｙ，即將Ｉ分解為￡＇個(gè)子系統(tǒng)。逡逑于ＣＣ框架的系統(tǒng)分解如上所述。將Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ中測試函體，也即相當(dāng)于從系統(tǒng)角度實(shí)現(xiàn)變量分組。變量分組分兩分組，分組后不再改變，另一種是動(dòng)態(tài)（可變）變量分組［１５］效，當(dāng)然也需付出代價(jià)。本文采用前者方式，意在探討在高本文算法求解不可分解函數(shù)的計(jì)算性能［１１９］。逡逑ＣＣＤＥ／ＰＳＯ雙系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)機(jī)制逡逑ＣＤＥ／ＰＳＯ雙系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)機(jī)制是基于ＣＣＥＡ的隱式協(xié)調(diào)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2821159