機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)總體布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏強(qiáng)+李雨

摘 要： 在機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中應(yīng)用系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要包括艙外天線布局優(yōu)化和艙室系統(tǒng)布局優(yōu)化兩方面內(nèi)容，優(yōu)化方法涉及到多學(xué)科優(yōu)化算法、改進(jìn)的遺傳算法等。該方法對(duì)于任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)能夠起到系統(tǒng)理論指導(dǎo)作用，通過該方法能夠有效提升任務(wù)電子系統(tǒng)綜合性能。

關(guān)鍵詞： 機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)； 布局優(yōu)化； 多學(xué)科優(yōu)化； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN971+.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）21?0124?03

Optimization design of overall layout for airborne mission electronic system

WEI Qiang， LI Yu

（China Academy of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）

Abstract： An optimization design of overall layout is applied to the structure project of airborne mission electronic system， which includs antenna layout optimization outside of cabin and system layout optimization in the cabin. The optimization methods involve MDO algorithm and improved genetic algorithm mainly. The methods can play a theoretical direction role in the overall structure design of airborne mission electronic system， by which the comprehensive property of the mission electronic system can be promoted effectively.

Keywords： airborne mission electronic system； layout optimization； MDO； optimization design

0 引 言

機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)是安裝在飛機(jī)平臺(tái)上執(zhí)行某種任務(wù)的綜合電子信息系統(tǒng)，涵蓋預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)、巡邏機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等特種飛機(jī)，任務(wù)電子系統(tǒng)在飛機(jī)上的安裝設(shè)計(jì)的好壞直接影響著任務(wù)電子系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用效率。任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的主要工作包括系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計(jì)以及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)等方面。大系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的方法主要包括系統(tǒng)遺傳?進(jìn)化法、系統(tǒng)工程程序法、系統(tǒng)分析法、系統(tǒng)分解?集成法、黑箱辨識(shí)法、經(jīng)驗(yàn)法、反饋協(xié)調(diào)法、系統(tǒng)優(yōu)化法、模型驗(yàn)證法等[1]。本文重點(diǎn)論證系統(tǒng)優(yōu)化法在機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

特種飛機(jī)主要由載機(jī)和任務(wù)電子系統(tǒng)兩部分組成，任務(wù)電子系統(tǒng)根據(jù)需求可包括雷達(dá)、敵我識(shí)別、通信、電子偵察、通信偵察、指控、信息綜合顯示和監(jiān)控等組成。

任務(wù)電子系統(tǒng)在飛機(jī)上的安裝設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要解決在飛機(jī)上安裝任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備所引起的一系列問題：一是任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備在飛機(jī)上的安裝問題，即“機(jī)械接口”的問題。這些設(shè)備的安裝涉及飛機(jī)的氣動(dòng)外形（天線）、內(nèi)部布置、安裝部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。二是電學(xué)方面的問題。一方面是供電問題，任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備既需要增加更大的電源供應(yīng)，又需要新的電源品種；另一方面是復(fù)雜的電磁兼容問題，即“電接口”。三是熱力學(xué)方面的問題。新增的設(shè)備用電帶來發(fā)熱量增加以及傳熱、散熱問題，需要采取多種散熱冷卻方式。

總之，在一架成熟的基本飛機(jī)上安裝任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備，破壞了基本飛機(jī)原有的設(shè)計(jì)平衡。改裝的目的就是要在安裝任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備、改變飛機(jī)用途的條件下，尋求新的設(shè)計(jì)平衡。任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化設(shè)計(jì)就是采用多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路來滿足新的設(shè)計(jì)平衡。

1 結(jié)構(gòu)總體布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備在載機(jī)上的布置安裝主要分為機(jī)艙內(nèi)和機(jī)艙外兩部分[2]。結(jié)構(gòu)總體布局優(yōu)化內(nèi)容主要針對(duì)艙外天線布局優(yōu)化和艙室系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 艙外天線布局優(yōu)化

任務(wù)電子系統(tǒng)對(duì)載機(jī)氣動(dòng)影響最大的是在機(jī)身外安裝的大型天線以及天線罩，無論哪種天線安裝方式都會(huì)對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響，而不同的天線布局形式會(huì)有不同的天線探測(cè)性能，在艙外天線布局優(yōu)化時(shí)需要同時(shí)考慮氣動(dòng)特性和天線電磁場(chǎng)特性，這是一個(gè)典型的多學(xué)科優(yōu)化問題[3]，場(chǎng)耦合關(guān)系如圖1所示。

圖1 各場(chǎng)耦合關(guān)系

以氣動(dòng)特性和電磁特性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以預(yù)警任務(wù)系統(tǒng)布局參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到艙外天線最佳布局方案。

以雷達(dá)天線布局優(yōu)化為例，設(shè)計(jì)變量[x，][y]為雷達(dá)天線安裝位置坐標(biāo)，[h，][Φ]為雷達(dá)天線尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)目標(biāo)[f1]為氣動(dòng)特性，[f2]為電磁特性，雷達(dá)天線設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖2 雷達(dá)天線設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

[Findx，y，h，Φmaxf1，f2xmin≤x≤xmaxs.t.ymin≤y≤ymaxhmin≤h≤hmaxΦmin≤Φ≤Φmax] （1）

式中：[xmin，][xmax]為雷達(dá)天線前后位置范圍；[ymin，][ymax]為雷達(dá)天線高度范圍；[hmin，][hmax]為雷達(dá)天線罩短軸范圍；[Φmin，][Φmax]為雷達(dá)天線罩直徑范圍。

此方法可擴(kuò)展到全機(jī)天線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

運(yùn)用流體仿真軟件分析雷達(dá)天線罩尺寸、位置、支架形式對(duì)氣動(dòng)的影響，同時(shí)運(yùn)用電磁分析軟件分析全機(jī)電磁特性，經(jīng)過優(yōu)化，提出最佳天線布局方案。

以天線布局位置參數(shù)為優(yōu)化變量，以方向圖的畸變最小和飛機(jī)操穩(wěn)性變化最小兩個(gè)目標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化算法采用多目標(biāo)優(yōu)化算法（MDO）進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 艙室系統(tǒng)布局優(yōu)化

任務(wù)電子系統(tǒng)的艙內(nèi)布局應(yīng)充分考慮載機(jī)平臺(tái)的艙內(nèi)空間特性和全機(jī)重量重心、任務(wù)電子系統(tǒng)使用維護(hù)、人機(jī)工效特性分布等情況，通過先進(jìn)的優(yōu)化算法，優(yōu)化任務(wù)電子系統(tǒng)在艙內(nèi)的布置，提高任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)性，方便戰(zhàn)勤人員的操作，使戰(zhàn)勤人員能在盡可能舒適的環(huán)境中高效地工作。

艙室布局優(yōu)化流程如下：

（1） 系統(tǒng)功能使用布局設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)人機(jī)工效布局設(shè)計(jì)要求

規(guī)劃系統(tǒng)使用功能和系統(tǒng)人機(jī)工效特性設(shè)計(jì)初始布局，作為布局優(yōu)化的起始值和約束范圍。

（2） 進(jìn)行系統(tǒng)艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，全局隨機(jī)最優(yōu)化方法如退火演化算法[4]和改進(jìn)的遺傳算法[5]等得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它們?cè)谇蠼鈧鹘y(tǒng)的基于梯度優(yōu)化方法難以解決的復(fù)雜優(yōu)化問題中顯示了優(yōu)良的求解特性。本文利用改進(jìn)的遺傳算法來求解特種飛機(jī)艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)問題。

圖4為艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。圖5為某特種飛機(jī)艙室布局三維示意圖，根據(jù)系統(tǒng)功能要求將艙室分為三個(gè)區(qū)域，即前設(shè)備區(qū)（分為左前機(jī)柜區(qū)和右前機(jī)柜區(qū)）、中操作員區(qū)（分為左操作員區(qū)和右操作員區(qū)）、后設(shè)備區(qū)（分為左后機(jī)柜區(qū)和右后機(jī)柜區(qū)）。

圖6為人員操作空間要求示意圖，圖7為圖5的簡(jiǎn)化模型示意圖，將各個(gè)設(shè)備區(qū)簡(jiǎn)化為一個(gè)固定的空間區(qū)域，并假設(shè)各個(gè)設(shè)備區(qū)重量重心在形心，對(duì)各個(gè)設(shè)備區(qū)域的相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。左前機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a1，]寬[b1，]重[m1；]右前機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a4，]寬[b4，]重[m4；]左操作員區(qū)長(zhǎng)[a2，]寬[b2，]重[m2；]右操作員區(qū)長(zhǎng)[a5，]寬[b5，]重[m5；]左后機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a3，]寬[b3，]重[m3；]右后機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a6，]寬[b6，]重[m6。]以設(shè)備區(qū)間隔距離[xi]為設(shè)計(jì)變量，以布局重心[xm]與要求重心[xd]之間的距離最小、人員操作空間[xi]之和平均值最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行布局優(yōu)化，公式（2）為該艙室布局優(yōu)化模型。

[Findxi， i=1，2，…，6Minxm-xdMax16xi6s.t.Lmin≤xi≤Lmax， i=1，2，…，6] （2）

圖4 艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

圖5 某特種飛機(jī)艙室布局三維示意圖

圖6 人員操作空間要求示意圖

該多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型采用基于Pareto前沿的改進(jìn)的遺傳算法（NSGA?Ⅱ）來解決。NSGA?Ⅱ算法的基本思想為[6]：首先，隨機(jī)產(chǎn)生規(guī)模為[N]的初始種群，非劣（Pareto）前沿分級(jí)后通過遺傳算法的選擇、交叉、變異3個(gè)基本操作得到第一代子代種群；其次，從第二代開始，將父代種群與子代種群合并，進(jìn)行快速Pareto前沿分級(jí)，同時(shí)對(duì)每個(gè)Pareto前沿分級(jí)層中的個(gè)體進(jìn)行小生境密度計(jì)算，根據(jù)Pareto前沿關(guān)系以及個(gè)體的小生境密度選擇合適的個(gè)體組成新的父代種群；最后，通過遺傳算法的基本操作產(chǎn)生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結(jié)束的條件。

圖7 該種艙室布局優(yōu)化簡(jiǎn)化模型示意圖

圖8為布局優(yōu)化迭代圖，從圖中可得出最優(yōu)結(jié)果集，即人員操作空間優(yōu)化結(jié)果為890～920 mm，重心距離優(yōu)化結(jié)果為0～60 mm。證明該方法可以使得兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)相對(duì)最優(yōu)。

圖8 布局優(yōu)化迭代圖

2 結(jié) 論

本文針對(duì)機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)提出布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，艙外天線布局采用氣動(dòng)電磁多學(xué)科優(yōu)化策略，艙內(nèi)設(shè)備布局采用人機(jī)工效、重量重心等多目標(biāo)優(yōu)化策略，通過這些設(shè)計(jì)能夠得出各方面指標(biāo)相對(duì)最優(yōu)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭成榮.航天器總體設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[2] 王紅.機(jī)載電子設(shè)備總體布局設(shè)計(jì)探討[J].電子機(jī)械工程，2007（4）：6?9.

[3] 段寶巖.電子裝備機(jī)電耦合理論、方法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4] 李俊華，陳賓康，應(yīng)文燁，等.退火演化算法在艦艇艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：360?362.

[5] 李云，龔昌奇.改進(jìn)的遺傳算法在游艇艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船海工程，2010（1）：34?37.

[6] 李莉，潘豐.基于遺傳算法的多目標(biāo)進(jìn)化算法綜述[C]//2007中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì).沈陽(yáng)：《控制與決策》編輯部，2007：89?92.

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

[Findx，y，h，Φmaxf1，f2xmin≤x≤xmaxs.t.ymin≤y≤ymaxhmin≤h≤hmaxΦmin≤Φ≤Φmax] （1）

式中：[xmin，][xmax]為雷達(dá)天線前后位置范圍；[ymin，][ymax]為雷達(dá)天線高度范圍；[hmin，][hmax]為雷達(dá)天線罩短軸范圍；[Φmin，][Φmax]為雷達(dá)天線罩直徑范圍。

此方法可擴(kuò)展到全機(jī)天線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

運(yùn)用流體仿真軟件分析雷達(dá)天線罩尺寸、位置、支架形式對(duì)氣動(dòng)的影響，同時(shí)運(yùn)用電磁分析軟件分析全機(jī)電磁特性，經(jīng)過優(yōu)化，提出最佳天線布局方案。

以天線布局位置參數(shù)為優(yōu)化變量，以方向圖的畸變最小和飛機(jī)操穩(wěn)性變化最小兩個(gè)目標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化算法采用多目標(biāo)優(yōu)化算法（MDO）進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 艙室系統(tǒng)布局優(yōu)化

任務(wù)電子系統(tǒng)的艙內(nèi)布局應(yīng)充分考慮載機(jī)平臺(tái)的艙內(nèi)空間特性和全機(jī)重量重心、任務(wù)電子系統(tǒng)使用維護(hù)、人機(jī)工效特性分布等情況，通過先進(jìn)的優(yōu)化算法，優(yōu)化任務(wù)電子系統(tǒng)在艙內(nèi)的布置，提高任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)性，方便戰(zhàn)勤人員的操作，使戰(zhàn)勤人員能在盡可能舒適的環(huán)境中高效地工作。

艙室布局優(yōu)化流程如下：

（1） 系統(tǒng)功能使用布局設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)人機(jī)工效布局設(shè)計(jì)要求

規(guī)劃系統(tǒng)使用功能和系統(tǒng)人機(jī)工效特性設(shè)計(jì)初始布局，作為布局優(yōu)化的起始值和約束范圍。

（2） 進(jìn)行系統(tǒng)艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，全局隨機(jī)最優(yōu)化方法如退火演化算法[4]和改進(jìn)的遺傳算法[5]等得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它們?cè)谇蠼鈧鹘y(tǒng)的基于梯度優(yōu)化方法難以解決的復(fù)雜優(yōu)化問題中顯示了優(yōu)良的求解特性。本文利用改進(jìn)的遺傳算法來求解特種飛機(jī)艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)問題。

圖4為艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。圖5為某特種飛機(jī)艙室布局三維示意圖，根據(jù)系統(tǒng)功能要求將艙室分為三個(gè)區(qū)域，即前設(shè)備區(qū)（分為左前機(jī)柜區(qū)和右前機(jī)柜區(qū)）、中操作員區(qū)（分為左操作員區(qū)和右操作員區(qū)）、后設(shè)備區(qū)（分為左后機(jī)柜區(qū)和右后機(jī)柜區(qū)）。

圖6為人員操作空間要求示意圖，圖7為圖5的簡(jiǎn)化模型示意圖，將各個(gè)設(shè)備區(qū)簡(jiǎn)化為一個(gè)固定的空間區(qū)域，并假設(shè)各個(gè)設(shè)備區(qū)重量重心在形心，對(duì)各個(gè)設(shè)備區(qū)域的相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。左前機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a1，]寬[b1，]重[m1；]右前機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a4，]寬[b4，]重[m4；]左操作員區(qū)長(zhǎng)[a2，]寬[b2，]重[m2；]右操作員區(qū)長(zhǎng)[a5，]寬[b5，]重[m5；]左后機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a3，]寬[b3，]重[m3；]右后機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a6，]寬[b6，]重[m6。]以設(shè)備區(qū)間隔距離[xi]為設(shè)計(jì)變量，以布局重心[xm]與要求重心[xd]之間的距離最小、人員操作空間[xi]之和平均值最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行布局優(yōu)化，公式（2）為該艙室布局優(yōu)化模型。

[Findxi， i=1，2，…，6Minxm-xdMax16xi6s.t.Lmin≤xi≤Lmax， i=1，2，…，6] （2）

圖4 艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

圖5 某特種飛機(jī)艙室布局三維示意圖

圖6 人員操作空間要求示意圖

該多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型采用基于Pareto前沿的改進(jìn)的遺傳算法（NSGA?Ⅱ）來解決。NSGA?Ⅱ算法的基本思想為[6]：首先，隨機(jī)產(chǎn)生規(guī)模為[N]的初始種群，非劣（Pareto）前沿分級(jí)后通過遺傳算法的選擇、交叉、變異3個(gè)基本操作得到第一代子代種群；其次，從第二代開始，將父代種群與子代種群合并，進(jìn)行快速Pareto前沿分級(jí)，同時(shí)對(duì)每個(gè)Pareto前沿分級(jí)層中的個(gè)體進(jìn)行小生境密度計(jì)算，根據(jù)Pareto前沿關(guān)系以及個(gè)體的小生境密度選擇合適的個(gè)體組成新的父代種群；最后，通過遺傳算法的基本操作產(chǎn)生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結(jié)束的條件。

圖7 該種艙室布局優(yōu)化簡(jiǎn)化模型示意圖

圖8為布局優(yōu)化迭代圖，從圖中可得出最優(yōu)結(jié)果集，即人員操作空間優(yōu)化結(jié)果為890～920 mm，重心距離優(yōu)化結(jié)果為0～60 mm。證明該方法可以使得兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)相對(duì)最優(yōu)。

圖8 布局優(yōu)化迭代圖

2 結(jié) 論

本文針對(duì)機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)提出布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，艙外天線布局采用氣動(dòng)電磁多學(xué)科優(yōu)化策略，艙內(nèi)設(shè)備布局采用人機(jī)工效、重量重心等多目標(biāo)優(yōu)化策略，通過這些設(shè)計(jì)能夠得出各方面指標(biāo)相對(duì)最優(yōu)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭成榮.航天器總體設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[2] 王紅.機(jī)載電子設(shè)備總體布局設(shè)計(jì)探討[J].電子機(jī)械工程，2007（4）：6?9.

[3] 段寶巖.電子裝備機(jī)電耦合理論、方法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4] 李俊華，陳賓康，應(yīng)文燁，等.退火演化算法在艦艇艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：360?362.

[5] 李云，龔昌奇.改進(jìn)的遺傳算法在游艇艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船海工程，2010（1）：34?37.

[6] 李莉，潘豐.基于遺傳算法的多目標(biāo)進(jìn)化算法綜述[C]//2007中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì).沈陽(yáng)：《控制與決策》編輯部，2007：89?92.

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

[Findx，y，h，Φmaxf1，f2xmin≤x≤xmaxs.t.ymin≤y≤ymaxhmin≤h≤hmaxΦmin≤Φ≤Φmax] （1）

式中：[xmin，][xmax]為雷達(dá)天線前后位置范圍；[ymin，][ymax]為雷達(dá)天線高度范圍；[hmin，][hmax]為雷達(dá)天線罩短軸范圍；[Φmin，][Φmax]為雷達(dá)天線罩直徑范圍。

此方法可擴(kuò)展到全機(jī)天線布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

運(yùn)用流體仿真軟件分析雷達(dá)天線罩尺寸、位置、支架形式對(duì)氣動(dòng)的影響，同時(shí)運(yùn)用電磁分析軟件分析全機(jī)電磁特性，經(jīng)過優(yōu)化，提出最佳天線布局方案。

以天線布局位置參數(shù)為優(yōu)化變量，以方向圖的畸變最小和飛機(jī)操穩(wěn)性變化最小兩個(gè)目標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化算法采用多目標(biāo)優(yōu)化算法（MDO）進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 艙室系統(tǒng)布局優(yōu)化

任務(wù)電子系統(tǒng)的艙內(nèi)布局應(yīng)充分考慮載機(jī)平臺(tái)的艙內(nèi)空間特性和全機(jī)重量重心、任務(wù)電子系統(tǒng)使用維護(hù)、人機(jī)工效特性分布等情況，通過先進(jìn)的優(yōu)化算法，優(yōu)化任務(wù)電子系統(tǒng)在艙內(nèi)的布置，提高任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)性，方便戰(zhàn)勤人員的操作，使戰(zhàn)勤人員能在盡可能舒適的環(huán)境中高效地工作。

艙室布局優(yōu)化流程如下：

（1） 系統(tǒng)功能使用布局設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)人機(jī)工效布局設(shè)計(jì)要求

規(guī)劃系統(tǒng)使用功能和系統(tǒng)人機(jī)工效特性設(shè)計(jì)初始布局，作為布局優(yōu)化的起始值和約束范圍。

（2） 進(jìn)行系統(tǒng)艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，全局隨機(jī)最優(yōu)化方法如退火演化算法[4]和改進(jìn)的遺傳算法[5]等得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它們?cè)谇蠼鈧鹘y(tǒng)的基于梯度優(yōu)化方法難以解決的復(fù)雜優(yōu)化問題中顯示了優(yōu)良的求解特性。本文利用改進(jìn)的遺傳算法來求解特種飛機(jī)艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)問題。

圖4為艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。圖5為某特種飛機(jī)艙室布局三維示意圖，根據(jù)系統(tǒng)功能要求將艙室分為三個(gè)區(qū)域，即前設(shè)備區(qū)（分為左前機(jī)柜區(qū)和右前機(jī)柜區(qū)）、中操作員區(qū)（分為左操作員區(qū)和右操作員區(qū)）、后設(shè)備區(qū)（分為左后機(jī)柜區(qū)和右后機(jī)柜區(qū)）。

圖6為人員操作空間要求示意圖，圖7為圖5的簡(jiǎn)化模型示意圖，將各個(gè)設(shè)備區(qū)簡(jiǎn)化為一個(gè)固定的空間區(qū)域，并假設(shè)各個(gè)設(shè)備區(qū)重量重心在形心，對(duì)各個(gè)設(shè)備區(qū)域的相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。左前機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a1，]寬[b1，]重[m1；]右前機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a4，]寬[b4，]重[m4；]左操作員區(qū)長(zhǎng)[a2，]寬[b2，]重[m2；]右操作員區(qū)長(zhǎng)[a5，]寬[b5，]重[m5；]左后機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a3，]寬[b3，]重[m3；]右后機(jī)柜區(qū)長(zhǎng)[a6，]寬[b6，]重[m6。]以設(shè)備區(qū)間隔距離[xi]為設(shè)計(jì)變量，以布局重心[xm]與要求重心[xd]之間的距離最小、人員操作空間[xi]之和平均值最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行布局優(yōu)化，公式（2）為該艙室布局優(yōu)化模型。

[Findxi， i=1，2，…，6Minxm-xdMax16xi6s.t.Lmin≤xi≤Lmax， i=1，2，…，6] （2）

圖4 艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

圖5 某特種飛機(jī)艙室布局三維示意圖

圖6 人員操作空間要求示意圖

該多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型采用基于Pareto前沿的改進(jìn)的遺傳算法（NSGA?Ⅱ）來解決。NSGA?Ⅱ算法的基本思想為[6]：首先，隨機(jī)產(chǎn)生規(guī)模為[N]的初始種群，非劣（Pareto）前沿分級(jí)后通過遺傳算法的選擇、交叉、變異3個(gè)基本操作得到第一代子代種群；其次，從第二代開始，將父代種群與子代種群合并，進(jìn)行快速Pareto前沿分級(jí)，同時(shí)對(duì)每個(gè)Pareto前沿分級(jí)層中的個(gè)體進(jìn)行小生境密度計(jì)算，根據(jù)Pareto前沿關(guān)系以及個(gè)體的小生境密度選擇合適的個(gè)體組成新的父代種群；最后，通過遺傳算法的基本操作產(chǎn)生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結(jié)束的條件。

圖7 該種艙室布局優(yōu)化簡(jiǎn)化模型示意圖

圖8為布局優(yōu)化迭代圖，從圖中可得出最優(yōu)結(jié)果集，即人員操作空間優(yōu)化結(jié)果為890～920 mm，重心距離優(yōu)化結(jié)果為0～60 mm。證明該方法可以使得兩個(gè)目標(biāo)同時(shí)相對(duì)最優(yōu)。

圖8 布局優(yōu)化迭代圖

2 結(jié) 論

本文針對(duì)機(jī)載任務(wù)電子系統(tǒng)提出布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法作為總體設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，艙外天線布局采用氣動(dòng)電磁多學(xué)科優(yōu)化策略，艙內(nèi)設(shè)備布局采用人機(jī)工效、重量重心等多目標(biāo)優(yōu)化策略，通過這些設(shè)計(jì)能夠得出各方面指標(biāo)相對(duì)最優(yōu)的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭成榮.航天器總體設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

[2] 王紅.機(jī)載電子設(shè)備總體布局設(shè)計(jì)探討[J].電子機(jī)械工程，2007（4）：6?9.

[3] 段寶巖.電子裝備機(jī)電耦合理論、方法及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[4] 李俊華，陳賓康，應(yīng)文燁，等.退火演化算法在艦艇艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（4）：360?362.

[5] 李云，龔昌奇.改進(jìn)的遺傳算法在游艇艙室布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船海工程，2010（1）：34?37.

[6] 李莉，潘豐.基于遺傳算法的多目標(biāo)進(jìn)化算法綜述[C]//2007中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì).沈陽(yáng)：《控制與決策》編輯部，2007：89?92.