（机械设计及理论专业论文）卫星舱布局的双系统协同进化算法与cad系统关键技术.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 卫星舱布局设计是基于卫星公用平台的卫星总体设计的重要内容。通常，它是指在 卫星舱内外如何对卫星的各种仪器、设备进行布置，以满足各种工程技术约束条件并尽 可能对布局方案的各项性能指标进行优化。卫星舱的布局设计对于缩短卫星设计周期、 节约成本、提高卫星的性能等方面有着重要作用。在数学上，它属于组合最优化问题； 在工程上，属于复杂工程系统问题。面临的主要困难是既存在数学上的组合爆炸问题， 又要达到工程实用。 本文以中国航天科技集团某部委托项目“航天器布局优化设计与仿真系统平台研究 与开发”为工程背景，在国家自然科学基金项目和国家8 6 3 高技术研究发展计划项目的 资助下，研究高效、实用的卫星舱布局优化求解算法及其c a d 开发关键技术。主要工 作包括以下两个方面： ( 1 ) 以航天器( 如卫星) 的布局设计为应用背景，根据协同设计思想，提出解决一 类复杂工程布局问题求解的算法一一交粒度双系统协同进化算法( 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 ，简称b c c e a ) 。该算法借鉴合作 式协同进化算法( 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 ) 、变粒度以及双系统 互补的思想，首先将原问题p 系统( 一级) 按物理( 结构或学科) 单元分解为若干并行 子系统，然后将p 系统复制为两个独立的a 、b 系统( - - 级) ，a 、b 系统中均包含上 面提到的若干并行子系统( 三级) ，构成双系统协同进化框架。该双系统具有互补关系， 变粒度策略体现在适应度函数的繁简和设计变量数量的多寡上。a 、b 系统共享原问题 的设计变量，a 与b 系统、b 系统的子系统b b 问采用并行优化策略，并实现a 、b 系 统之间( 即a 、b 系统对应的子系统之间) 的个体迁移。目的是增加群体多样性，又尽 量减少计算复杂度。用于求解一类工程系统布局优化设计与仿真，以提高其计算效率、 计算精度和计算成功率。 ( 2 ) 针对上述委托项目，提出了卫星舱布局优化设计与仿真系统平台的若干关键开 发技术，包括该系统c a d 平台总体设计、待布物和布局空间的三种描述模型、布局方 案的自动装配定位技术、嵌入p r o e 的粗精两种三维干涉碰撞检测等技术。从工程实用 角度出发，将本文所提出的算法与目前常用的各种算法库( g a l i b 遗传算法库、r a p i d 三维碰撞检测包) 、工程软件( p r o e n g i n e e r ) 等相结合，开发出一套针对三维复杂实体 c a d 模型的、具有稳定算法内核并能实现三维干涉碰撞检测和自动装配定位的布局优 化系统软件，构成上述系统平台的重要组成子系统。上述关键开发技术和布局优化系统 软件经卫星舱布局优化实例验证，证明有助于c a d 系统二次开发过程的研究与应用。 卫星舱布局的双系统协同进化算法与c a d 系统关键技术 通过卫星舱布局优化设计的实例验证，与过去的不同之处在于格外考虑了卫星舱外 的测控天线和太阳能帆板，以及发射和在轨飞行两种状态，并且舱内仪器和设备采用了 逼近实际的3 d 外形，验证了本文方法的可行性和有效性。将本文所提出的双系统协同 进化算法的实现，纳入工程软件集成的系统平台中，构成了“航天器布局优化设计与仿 真系统平台”。经用户鉴定验收，并已用于某型号卫星布局设计与仿真的研发。 本文在理论上，给出了新的变粒度双系统协同进化算法，有助于协同进化算法的理 论研究进展；在工程上，探讨了本文算法在卫星舱布局方案设计中的应用，提出了若干 c a d 布局优化设计与仿真系统平台开发的关键技术，该系统平台可望推广应用于其它 类型的航天器布局相关设计。 关键词：卫星；布局设计；协同进化算法；变粒度；双系统；c 加系统 大连理工大学博士学位论文 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 嚣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 国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 卫星舱布局的双系统协同进化算法与c a d 系统关键技术 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 大连理工大学博士学位论文 缩略语表 c a e c o m p u t e - a i d e de n g i n e e r 计算机辅助工程 一i x 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：辫日期：二翌幽 大连理工大学博士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 道趑 聪乙z 三 一 瑚年旦月丑目 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 本章介绍了课题研究的工程背景与问题的提出，研究问题性质和范围，综述了卫星 舱布局设计与协同进化算法的研究进展，讨论了前人贡献、存在的待解决问题以及与本 论文的关系，介绍了本课题组前期相关工作基础以及与本文的衔接关系，最后介绍了本 文的研究目的、意义以及研究方法和研究内容概要。 1 1 工程背景和问题的提出 在当代科技高速发展的前提下，航天技术已经成为衡量一个国家科学技术和国防现 代化水平的重要标志之一。通常，航天器主要包括卫星，宇宙飞船、航天飞机以及空间 站等。其中卫星是发展较早、应用广泛的一类航天器。它是进入地球大气层以外的太空， 并在此环境中运行和工作，执行探索、开发或利用太空等以服务于地上特定需求的一种 特殊的人造物【1 】。卫星的应用具有重要的经济效益和社会价值。“十五”期间我国卫星 发射总数超过3 0 颗，占前3 0 年发射卫星总数的一半以上；到2 0 2 0 年，国内各类卫星 需求量将达2 0 0 颗左右同期国际市场上将有1 8 0 0 多颗卫星要发射1 2 】。在2 0 0 3 年l o 月“神舟五号”载人飞船发射及回收成功后，我国已宣布启动空间站研发和探月工程计 划，将在2 0 1 0 2 0 2 0 年前发射1 0 0 2 0 0 颗卫星并启动嫦娥探月工程( 属卫星) 。 空问技术及其产业化的迅速发展对航天器设计提出了缩短设计周期、降低研制成 本、保证设计可靠性以及标准化、系列化、通用化等更高的要求f 3 4 】。通常，卫星由有 效载荷和平台两部分组成。所谓“有效载荷”是指空间航天系统中能直接满足用户输出 需求的仪器、设备或装置等物质性的有效载荷和执行航天任务的人及其装备组成的航天 员系统【3 】。它是卫星的核心部分，随卫星不同用途而异，功能不一。卫星平台是由星载 服务系统组合而成的一个舱段或几个舱段，例如服务舱、推进舱等。卫星“公用平台” 是指不仅能使用于同型号的不同批次卫星，而且能适应其它型号卫星，甚至不同系歹蛩 的卫星平台1 3 1 。经过多年的努力，我国已初步建成通信卫星、返回式卫星、遥感卫星和 小卫星四种卫星系歹u 研铋公用平台，并为其它类型航天器公用平台建设在技术上积累了 宝贵经验【4 】。本文卫星舱布局优化设计是基于公用平台的卫星总体方案设计的重要内容， 是指将卫星舱内、外装载的大量仪器、设备( 有效载荷) 布置在卫星舱内、外有限的空间， 并满足其内部和周围环境的各种约束要求且尽可能对布局方案的各项性能指标进行优 化，它属于带性能约束的三维布局优化问题。本文研究该类问题。 本课题是以中国航天科技集团某部委托项目“航天器布局优化设计仿真系统平台研 究与开发”为工程背景，并在国家自然科学基金项目和国家8 6 3 高技术研究发展计划项 卫星舱布局的双系统协同进化算法与c a d 系统关键技术 目的资助下，研究一类以改善卫星总体质量分布特性为目标的卫星舱内外仪器、设备的 空间布局方案设计问题。其设计目标是尽可能改善卫星的质量分布特性，如整星的质心 位置偏差、转动惯量、动平衡度等，同时要求满足待布物之间不干涉，待布物与舱体不 干涉等约束条件。在此背景下，本文主要目的是研究航天器( 如卫星) 布局的设计方法、 c a d 系统以及工程应用。重点研究一种新的变粒度双系统的协同进化算法以及其设计 与仿真c a d 系统平台关键技术。与国际上的卫星舱布局问题文献相比该设计变量数目 较多、问题较复杂，还格外考虑了卫星舱外的测控天线和太阳能帆板的发射和在轨飞行 状态，且舱内仪器和设备采用了逼近实际的3 d 外形，研究了“航天器布局优化设计仿 真系统平台”的相关计算机应用技术及其实现。 以下综述了与本文有关的研究进展，包括卫星舱布局设计、协同进化算法等的研究 现状和进展，分述如下。 1 2 卫星舱布局设计研究进展 卫星舱这种复杂工程系统的布局设计问题具有难以解决的三重难度：计算复杂性、 工程复杂性、工程实用化。而本文也正是针对这三重难度，提出了相应的解决措施与方 法。为了更好地解决这些问题，需要对本文所研究的卫星舱布局问题有所了解。本节首 先概述布局问题，其次介绍常用的布局建模与求解方法。 1 2 1 布局问题概述 d o w s l a n d 5 j 、c a g a n l 6 j 等人认为：布局问题( l a y o u tp r o b l e m ) 是指将一组给定待布 物合理地布置在一有限布局空间( l a y o u ts p a c e ) 中，使设计目标集尽可能的优化，并 满足给定的空间或性能约束条件。本文的卫星舱布局设计问题符合该定义描述，属于空 间布局( s p a c el a y o u tp l a n n i n g ) p 域三维布局( t h r e e d i m e n s i o n a ll a y o u t ) 【6 】问题。 布局问题的起源与c u t t i n g ( 切段) 和p a c k i n g ( 装填) 问题密不可分，学术界和工 程界认可的对c u t t i n g 和p a c k i n g 问题的研究始于1 9 6 4 年d y c k h o 彤剐对c u t t i n g 和p a c k i n g 问题基本逻辑结构的分析，认为空间布局问题也属于c u t t i n g 和p a c k i n g 问题，并在广义 上同背包问题、调度问题、分配问题等具有相同的逻辑结构和理论本质，同属于一类 n - p - h a r d 或n p c 问题。 布局设计问题广泛存在于日常生产、生活和科研实践的各个方面，例如建筑平面布 局设计【9 l 、报纸和网页版面设计、车间设备布局设计f l l 】、集成电路和芯片布局设计【1 2 1 、 复杂机械产品布局设计【1 3 1 4 1 、航空航天器布局设计f 1 5 - 1 7 】等，其研究具有广阔的工程背景 和重大的经济、社会效益。其中卫星等这些主要应用背景为国家目标的高技术复杂工程 系统的舱内布局设计，更是直接关系到这些产品和装备的性能、可靠性、寿命，成本乃 大连理工大学博士学位论文 至成败的大问题。同时，由于这些复杂工程系统设计涉及到机械、计算机、电子、自动 化、力学和数学等多种学科交叉，在工程上属于复杂系统和方案设计问题，理论描述复 杂，建模和求解困难，达到工程实用更难，具有计算复杂性、工程复杂性和工程实用化 三重难度。因此，对这些复杂工程系统的布局优化方法及其工程实用化途径和技术的研 究已经成为目前一个亟待解决的问题。2 0 0 2 年，美国c a r n e g i em e l l o n 大学的c a g a n 教 授研究了一类带性能约束的发动机舱、熟力泵的布局设计问题( 如图1 1 、图1 2 所示) 1 9 l 。2 0 0 4 年，美国c l e m s o n 大学f a d e l 教授研究了一类与本文卫星舱布局设计相类似的 带性能约束的配置设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 问题，其实质是小卫星舱内组件的布局 设计问题( 如图1 3 所示) m 9 1 。他们的工作代表了当前复杂布局问题研究的国际水平。 由于他们所研究的布局问题其目标函数和约束条件的耦合关系比较复杂、很难求解，因 此他们所研究的闯题规模较小( 只有l o 余个待布置物体) ，待布置物体的形体比较简 单，且所涉及的性能约束条件较少，与实际有差距。 目圆啊扎 一；暑 囱1 1 汽车发动机舱布局【1 8 l 圈1 2 热力泵布局，布线设计响 图1 3 小卫星舱内组件布局 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 从空间维数分，布局问题可分为一、二和三维布局问题。一维布局问题包括切段问 题等，其典型例子是在给定长度的棒料上切割长度不等的若干短棒。二维布局问题包括 一刀切问题、底盘装载问题、平面图形装填问题等，其特点是在二维平面范围内考虑物 体的布局问题。三维布局问题是指将三维物体摆放在一个任意形状、大小的三维容器中。 它包括航天器舱布局、汽车发动机舱布局等，其特点是从三维空间角度考虑物体的布局 问题。这类布局问题较为复杂、约束和目标要求也很多，因此较难求解。 从所要满足的约束条件分，布局问题又可分为无性能约束和带性能约束布局问题。 无性能约束布局问题仅要求待布物之间以及待布物与容器之间不干涉，并只以提高空间 利用率为设计目标，较为简单，如集装箱装填、板材下料、服装裁剪等。带性能约束布 局问题是指在上述无性能约束布局问题基础上还要额外考虑各种性能约束条件的影响， 如航天器布局问题中有时需要对舱体的质心偏差、惯性夹角、转动惯量等性能做出要求 卫星舱布局的双系统协同进化算法与c a d 系统关键技术 等。相比无性能约束的布局问题而言，带性能约束的布局问题由于其增加了布局约束的 要求而求解更加困难。 本文卫星舱布局问题属于带性能约束的三维布局问题。由于航天器是一个复杂工程 系统瑚”j ，因此本文卫星舱布局实质是以复杂布局问题为对象，研究大型、高维、动态 的复杂工程系统方案设计的建模、求解和自动化设计的理论方法，这就决定了卫星舱布 局求解的困难性和复杂性。 同时，在卫星工程设计中所涉及的布局问题表现形式多样，目前常见的研究内容主 要有卫星气动外形布局【2 2 1 、热力布局1 2 3 ，州、结构布局【2 5 2 6 、载荷布局【1 5 ，16 】及卫星星座 和地面管控系统总体布局【27 】等。其中，气动外形布局设计通常是指优化卫星等航天器的 气动外形，使之满足航天器的升阻比、静稳定度、配平攻角等性能方面的要求。热力布 局主要是根据航天器热分析的结果，对舱内外的仪器设备等进行合理布置，而航天器热 分析的主要目的就是根据航天器内外热状况及热控制措施来确定航天器各部分的温度 变化规律，以便检验热设计是否己将各部分的温度控制在所要求的温度范围之内。这几 类卫星布局设计问题分别从不同的研究对象和学科领域出发，研究内容各有侧重且相互 交叉，所涉及的设计目标和技术要求不尽相同，但却在一定程度上存在着内在本质联系。 本文卫星舱布局设计问题主要属空间载荷布局。另外，本文的卫星舱布局设计问题与 f a d e l 所研究的小卫星布局实例1 1 9 】相比，在待布物数量和性能约束条件上较为复杂。 1 2 2 卫星舱布局建模与求解方法 该布局设计问题的求解存在三个关键问题【凋：一是建立何种布局模型；二是对此布 局模型采用何种算法或方法进行求解；三是构建布局设计、仿真与评价系统平台问题。 本文研究涉及这三个方面的问题。 1 2 2 1 卫星舱布局问题建模 布局模型是布局问题求解的基础，模型的建立不仅关系到求解算法或方法的选取， 而且其质量的好坏亦影响到布局问题的最终求解质量。常用的布局模型有数学模型、复 合知识模型等l 捌。其中，数学模型应用最为广泛。 ( 1 ) 数学模型 通常，所谓数学模型【3 0 】就是根据研究目的，将所研究的客观事物的过程和现象的主 要特征、主要关系，采用形式化的数学语言概括地或近似地表达出来。具体来说，数学 模型就是为了某种目的，用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式，以及 大连理工大学博士学位论文 图表、框图、程序等，用以描述客观事物的特征及其关系。由于布局问题的复杂性、应 用领域的广泛性，其数学模型的表现形式也丰富多样。 1 9 9 8 年c a g a n 等i is 】采用线性加权法和惩罚函数法建立了发动机舱和热力泵的布局 数学模型，并采用模拟退火算法进行求解。2 0 0 1 年肖人彬【3 l j 提出复杂系统结构建模的 新方法。2 0 0 2 年谭建荣等p z 】针对工程领域的管线布局问题，提出了约束元、约束集、 约束方法、约束链和关联约束子集等概念，对影响管线布局的约束因素进行了分析，进 而给出了基于目标分解的管线布局建模方法。2 0 0 5 年钟毅芳等【3 咒研究了系统近似建模 技术。文献 3 4 ，3 5 分别以返回式人造卫星舱和国际商业通信卫星舱的布局为背景，建立 了布局数学模型，并提出了卫星舱布局求解的演化计算和入杌结合方法。 ( 2 ) 图论模型 在布局问题中，通常以图中的结点代表待布物，弧线代表待布物之间的关联关系， 由此将布局问题转化为在一个已知的连接图中寻找最大独立集或最大权平面子图问题 进行求解【凹】。国内外学者相继开展了图论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 研究了一种基于图论的序列规划问题。同年冯恩民等 3 r j 应用图论、群论等研究了具有性 能约束布局问题的优化算法及收敛性。 ( 3 ) 复合知识模型或广义模型 目前，布局问题中多采用数学模型方法进行求解，但在实践中有些实际工程问题是 无法或难以用单一的数学模型来表达的。为提高布局模型的工程实用性、准确性，有文 献提出复合知识建模、面向人机工程建模以及问题广义建模的方法。 l e n a t 和f e i g e n b a u m 指出【3 8 】，“在知识系统的第二个纪元中，系统将使智能计 算机与人之间形成一种同事关系，人与计算机各自完成自己最擅长的工作，系统的智能 是这种合作的产物”。灿b a p 9 1 利用复合知识模型在人机交互式布局方面进行了初步探 索。2 0 0 0 年孙守迁等【舯】提出一种面向人机工程建模的方法，并将其用于摩托车协同布 局设计系统。同年，檀润华【4 l 】研究了自底向上的适应性设计过程模型。2 0 0 3 年唐晓君 等1 4 2 】提出了建立复合知识模型的思想。在计算机中将问题的几何、数学、符号等模型的 各种表达方式集成为复合知识模型，并可以通过多通道用户界面使布局专家的认知活动 嵌入并与之交互，充分利用各种知识、更加完善地描述布局问题。2 0 0 5 年殷国富等嘲 研究了产品设计的知识模型建模技术。同年，本课题组 4 4 1 根据大系统控制论给出一种基 于人智知识计算三者综合的问题描述广义模型建模方法，主要包括先验知识( 用图形 符号、数值符号描述) 、在线人智知识( 用自然语言符号、数值符号、图形符号描述) 、 在线计算知识( 用数值符号描述) ，通过融合前处理，再将其转化为统一形式的数值编 卫星舱布局的双系统协同进化算法与c a d 系统关键技术 码串，作为算法种群的个体，进而通过进化操作实现上述知识或信息在进化算法这一熔 炉中的融合，共同致力于问题的求解。并针对航天器布局设计问题给出其广义模型。 “) 各种模型分析比较 综上所述，目前布局数学模型应用十分广泛，是一种简便、有效的布局建模方法。 但当布局问题较为复杂，特别是当布局问题涉及一些不易用数学模型表达的约束条件、 目标要求时，根据数学模型得到的布局方案往往还不能满足工程实用要求，且求解也较 为困难。而另外一种布局图论模型只限于小规模规则物体布局问题的求解。这是因为； 一是在图论模型中，一般只能利用“相邻”、“距离”等限制关系来剪切搜索分支，因 而计算机在将一个相邻拓扑关系转化为无尺寸布局图时，无法避免组合爆炸；二是图论 法对布局空间的描述显得较繁琐，一旦某待布物及其相对位置发生变化，则必须重新 扫描整个解空间，这将浪费大量的计算时间。因此，目前许多学者意识到了布局复合知 识模型的重要性，但由于建立一个有效的复合知识模型非常复杂且与问题研究领域相 关，所以目前布局复合知识模型研究的