CN112052516B - 基于序列摆放的组件布局随机采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于序列摆放的组件布局随机采样方法，该方法包括：确定布局区域，组件的形状、尺寸和数量以及组件的摆放顺序；确定第1布局可行域，在第1布局可行域内随机摆放第1个组件，第1布局可行域满足第1个组件不与布局区域的边界发生干涉；确定第i布局可行域，并在第i布局可行域内随机摆放第i个组件，第i布局可行域满足第i个组件不与第1个到第i‑1个组件发生干涉且不与布局区域的边界发生干涉；依次确定第1至第S布局可行域，并依次摆放第1个至第S个组件，得到一组完全随机且不干涉的布局方案样本。本发明的方法，考虑到了组件形状尺寸对组件布局的影响，且保证每次随机生成的组件位置均符合不干涉条件。

Description

基于序列摆放的组件布局随机采样方法

技术领域

本发明涉及组件布局优化设计技术领域，尤其涉及一种基于序列摆放的组件布局随机采样方法。

背景技术

航天器内包含许多分系统，而每个分系统中包含各类部件，是复杂的工程系统。综合运用数学、力学、计算机等各学科的知识，在充分考虑各类约束要求的基础上，将各类部件等进行合理布局，尽量达到功能合理、部件之间结构紧凑、比例协调等要求，是目前带性能约束的三维布局优化问题所需考虑的内容。

卫星布局方案设计是卫星总体方案设计的重要内容，研究卫星布局方案的优化设计对于卫星研制周期的缩短和整体性能的提升有着重要的促进作用。卫星布局方案设计时，性能约束通常包含组件之间的不干涉约束等，目前布局方案设计主要依赖于工程经验，目前无法通过理论的方法找到最优方案。开展布局采样工作意在随机地生成大量的可行布局设计方案，而后可利用其生成对应的温度场性能数据，从而利用深度学习技术进行热布局的优化设计研究。

现有技术提供的一种组件布局随机采样方法为：在一定的布局域中，为了简化模型，将二维布局区域在方向轴上按照单位划分为若干个单元格，同时将每个组件简化为一个单元格，随机生成所有组件的坐标，利用接受-拒绝法来判断该次布局是否合格，获得符合要求的布局样本。缺点是效率低，随机性使得大部分方案不满足约束条件，组件的大小在布局区域中并未体现。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于序列摆放的组件布局随机采样方法。具体技术方案如下：

一种基于序列摆放的组件布局随机采样方法，所述方法包括：

确定布局区域，组件的形状、尺寸和数量以及组件的摆放顺序；

确定第1布局可行域，在第1布局可行域内随机摆放第1个组件，第1布局可行域满足第1个组件不与布局区域的边界发生干涉；

确定第i布局可行域，并在第i布局可行域内随机摆放第i个组件，第i布局可行域满足第i个组件不与第1个到第i-1个组件发生干涉且不与布局区域的边界发生干涉，2≤i≤S，S为组件数量；

依次确定第1至第S布局可行域，并依次摆放第1个至第S个组件，得到一组完全随机且不干涉的布局方案样本。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：将布局区域进行网格划分，离散成N×M的网格并建立坐标系，对组件进行离散化，将组件的实际尺寸转化为网格尺寸进行描述，组件的位置坐标采用网格坐标进行描述。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：定义势能矩阵P：认为某组件所覆盖区域的点集以及与下一个组件确定出的干涉区域点集的势能值为1，其余为0；布局区域对应的势能矩阵的大小为[N+1,M+1]，且矩阵中元素均为0。

在一种可能的设计中，摆放第1个组件时，确定第1布局可行域后，对势能矩阵P₀进行自适应修改：将第1布局可行域内的势能函数值全部设置为0，将第1布局可行域外的区域势能函数值设置为1。

在一种可能的设计中，摆放第i个组件时，考虑全部已摆放的(i-1)个组件所决定的不干涉区域，并修改势能矩阵函数值，得到已经摆放的(i-1)个组件的势能矩阵P_j(j＝1,2,...,i-1)。

在一种可能的设计中，对已经摆放的(i-1)个组件的势能矩阵和势能矩阵P₀进行按位加和，得到第i布局可行域的综合势能矩阵，综合势能矩阵中所有为0的网格点均为第i个组件的可布局位置，确定第i布局可行域。

在一种可能的设计中，组件为矩形结构或者其它多边形结构。

在一种可能的设计中，组件与下一组件的干涉区域通过不适合多边形算法确定。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的基于序列摆放的组件布局随机采样方法，将组件按顺序进行顺次摆放，摆放每个组件时均在该组件与之前摆放的所有组件均不发生干涉的布局可行域内随机放置，不仅考虑到了组件形状尺寸对组件布局的影响，且保证每次随机生成的组件位置均符合不干涉条件，确保获得任意可能的布局。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的基于序列摆放的组件布局随机采样方法流程图；

图2为本发明一实施例提供的摆放第1个组件时布局可行域示意图；

图3为本发明一实施例提供的待布局组件在已布局组件的势能矩阵中的布局不可行域示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

本发明实施例提供了一种基于序列摆放的组件布局随机采样方法，如附图1所示，该方法包括：

确定布局区域，组件的形状、尺寸和数量以及组件的摆放顺序。

确定第1布局可行域，在第1布局可行域内随机摆放第1个组件，第1布局可行域满足第1个组件不与布局区域的边界发生干涉。

确定第i布局可行域，并在第i布局可行域内随机摆放第i个组件，第i布局可行域满足第i个组件不与第1个到第i-1个组件发生干涉且不与布局区域的边界发生干涉，2≤i≤S，S为组件数量。

依次确定第1至第S布局可行域，并依次摆放第1个至第S个组件，得到一组完全随机且不干涉的布局方案样本。

本发明实施例提供的基于序列摆放的组件布局随机采样方法，将组件按顺序进行顺次摆放，摆放每个组件时均在该组件与之前摆放的所有组件均不发生干涉的布局可行域内随机放置，不仅考虑到了组件形状尺寸对组件布局的影响，且保证每次随机生成的组件位置均符合不干涉条件，确保获得任意可能的布局。

以下结合具体实施例，对本发明实施例提供的基于序列摆放的组件布局随机采样方法进行进一步阐述：

S1、生成布局可行域

将布局区域进行网格划分，离散成N×M的网格，建立如图2所示坐标系。按照最小网格尺寸，将所有组件也进行离散，把组件的实际尺寸转化为网格尺寸进行描述，组件的位置坐标也同样采用网格坐标进行描述。

S2、初始化参数值

定义势能矩阵P：认为某组件所覆盖区域的点集以及与下一个组件确定出的干涉区域点集的势能值为1，其余为0。

初始化布局区域的势能矩阵P₀。布局区域的每个网格点对应矩阵中的一个元素，故该势能矩阵的大小为[N+1,M+1]，初始化矩阵中元素均为0，代表布局区域内每个网格点均可以作为组件即将摆放的位置点。

S3、确定摆放第1个组件时的势能矩阵P₀

采用不适合多边形法(non-fit polygon,NFP)的思想，判断两个多边形之间几何位置关系，找出组件刚好和布局区域D不干涉的临界情形。选取组件的中心为参考点，根据该组件大小得到的点集即可得出第1布局可行域Ω_C。以图2的放置的组件C为例，只要组件中心的坐标位于图2虚线区域内的位置，即可保证组件一定位于第1布局可行域内，和布局区域的边界一定不会发生干涉。对第1布局可行域的势能矩阵P₀进行自适应修改：将第1布局可行域Ω_C内(包括边界)的势能函数值全部设置为0，将第1布局可行域Ω_C外的区域，即

中的势能函数值设置为1。

S4、确定摆放第i个组件时其余已摆放组件的势能矩阵P_j(j＜i)

初始化所有组件的势能矩阵P_i(i＝1,2,...,S)。组件的势能矩阵P_i的尺寸和布局区域的势能矩阵保持相同，其中所有元素的势能函数值均初始化为0。此时主要考虑的是确定即将摆放组件与所有已摆放组件的不干涉约束关系。比如，当第1个组件摆放好后，在摆放第2个组件时，既要考虑与布局区域边界的不干涉范围，还要考虑与第1个组件的不干涉范围。如图3所示，当第j个组件摆放后，利用NFP方法来确定第i个组件和第j个组件的临界不干涉情形，找出第i个组件中心坐标的布局不可行域

并将覆盖第j个组件的势能矩阵中的元素数值全部设置为1。

以此类推，在第i个组件摆放之前，考虑全部已摆放的(i-1)个组件所决定的不干涉范围，并修改其势能矩阵函数值，得到最终针对第i个组件的势能矩阵P_j(j＝1,2,...,i-1)。

S5、确定综合势能矩阵

确定待布局第i个组件的综合势能矩阵P_{total_i}：将上述所有已经放置的i-1个组件的势能矩阵进行按位加和，得到第i布局可行域的综合势能矩阵

综合势能矩阵中所有数值P_{total_i}为0的网格点均为第i个组件的可布局位置，从中随机选取其中一个网格点作为第i个组件的布局位置点，并记录下来，即实现了第i个组件的随机摆放。

S6、重复上述步骤S2-S5，随机摆放第i+1个组件

重复上述步骤S2-S5，对第i+1个组件的位置进行随机采样，直至将所有组件全部随机放置到布局区域中

S7、转换为最终的布局采样方案

当S个组件随机摆放完毕后，提取所有组件的网格点坐标，并将其转化为实际尺寸坐标，即可得到一组完全随机的布局方案样本。

综上所述，本发明实施例提供的基于序列摆放的组件布局随机采样方法，通过势能矩阵的描述方式有效刻画组件布局可行域，将布局区域离散成网格点，为每个网格点赋值势能矩阵函数，利用函数值确定每个组件的布局可行域，解决了二维组件布局方案的随机采样难题。将NFP算法融入序列随机布局采样方法的设计中，在每步组件放置之前提前计算出不干涉区域，从而对势能矩阵进行合理赋值，指导组件随机布局，算法简单，操作简便。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于序列摆放的组件布局随机采样方法，其特征在于，所述方法包括：

确定布局区域，组件的形状、尺寸和数量以及组件的摆放顺序；

确定第1布局可行域，在第1布局可行域内随机摆放第1个组件，第1布局可行域满足第1个组件不与布局区域的边界发生干涉；

确定第i布局可行域，并在第i布局可行域内随机摆放第i个组件，第i布局可行域满足第i个组件不与第1个到第i-1个组件发生干涉且不与布局区域的边界发生干涉，2≤i≤S，S为组件数量；

依次确定第1至第S布局可行域，并依次摆放第1个至第S个组件，得到一组完全随机且不干涉的布局方案样本；

其中，所述方法还包括：

将布局区域进行网格划分，离散成N×M的网格并建立坐标系，对组件进行离散化，将组件的实际尺寸转化为网格尺寸进行描述，组件的位置坐标采用网格坐标进行描述；

其中，所述方法还包括：

定义势能矩阵P：认为某组件所覆盖区域的点集以及与下一个组件确定出的干涉区域点集的势能值为1，其余为0，其中，布局区域对应的势能矩阵P₀的大小为[N+1,M+1]，且矩阵中元素均为0；

其中，在摆放第1个组件时，对势能矩阵进行自适应修改，将第1布局可行域内的势能函数值全部设置为0，将第1布局可行域外的区域势能函数值设置为1；

其中，在摆放第i个组件时，考虑全部已摆放的(i-1)个组件所决定的不干涉区域，并修改势能矩阵函数值，得到已经摆放的(i-1)个组件的势能矩阵P_j,j＝1,2,...,i-1，对已经摆放的(i-1)个组件的势能矩阵P_j和布局区域对应的势能矩阵P₀进行按位加和，得到第i布局可行域的综合势能矩阵

综合势能矩阵P_{total_i}中所有为0的网格点均为第i个组件的可布局位置，确定第i布局可行域。

2.根据权利要求1所述的基于序列摆放的组件布局随机采样方法，其特征在于，组件为矩形结构或者其它多边形结构。

3.根据权利要求2所述的基于序列摆放的组件布局随机采样方法，其特征在于，组件与下一组件的干涉区域通过不适合多边形算法确定。

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