CN112836300B - 航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法 - Google Patents

航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法，该算法首先将航天器外热流模拟加热回路集束问题建模为装箱模型，将加热回路建模为物品，插头容量建模为箱子容积；应用BFD算法将物品体积大小降序排列，得到遗传算法的初始种群；随机选择遗传算法相关参数，将BFD形成的初始种群应用遗传算法求解，得到一个较优解；通过基于熵指标的强化学习算法进一步优化遗传算法的参数得到最优解；最终输出电装关系对应表。本申请的有益效果是：航天器热试验加热回路自动集束算法采用算法代替人工对所有加热回路优化集束、定义电装关系对应表的工作，从而提高业务自动化水平、优化工序程序和降低成本。

Description

航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法
技术领域
本公开涉及航天器真空热试验技术领域，具体涉及一种航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法。
背景技术
在航天器真空热试验过程中，一般采用红外加热笼作为外热流模拟装置。红外笼加热回路自动集束的输入来自于红外笼热设计的结果，设计时将红外笼划分成若干个同航天器相对应的加热分区，并按照一定的规则对红外加热笼划分加热回路。设计人员在一定的约束条件下对所有的加热回路再进行分组汇集，定义电装关系表，作为对红外笼供电的重要依据。加热回路自动集束方法即采用软件算法代替人工对所有加热回路优化集束、定义电装关系对应表的工作，从而提高业务自动化水平、优化工序程序、降低成本。目前，该领域尚无相关研究。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法。
第一方面，本申请提供一种航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法，包括以下步骤：
建立电装模型和数学优化模型，其中将航天器外热流模拟装置加热回路集束问题建模为装箱模型，加热回路建模为物品，插头容量建模为箱子容积；
利用BFD近似算法将物品体积大小进行降序排列，得到遗传算法的初始种群；
随机选择一组遗传算法的参数，将初始种群利用遗传算法求得一个较优解；
引入基于熵指标的强化学习算法优化遗传算法的参数得到最优解；
输出电装关系表。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述建立电装模型和数学优化模型，具体包括：根据加热回路集束的约束条件，建立数学优化模型，将优化目标数作为适应度函数。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述约束条件，具体包括：所需插头数量、各加热回路空间关系、电缆长度。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述将航天器外热流模拟装置加热回路集束问题建模为装箱模型，具体包括：将将热回路集束问题建模为一维装箱模型。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述将初始种群利用遗传算法求得一个较优解，具体包括：将BFD近似算法与遗传算法结合，在初始种群进化过程中结合BFD近似算法，修正无效染色体为有效染色体。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述引入基于熵指标的强化学习算法优化遗传算法的参数得到最优解，具体包括：将种群的多样性与引入基于熵指标的强化学习算法的运行机制相结合，将种群多样性保持在设定的范围。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述输出电装关系表，具体包括：航天器外热流模拟装置加热回路自动集束的结果，排列加热回路在汇集电缆的针号，定义汇集电缆的名称，输出电缆转接的位置、长度以及使用插头的型号。
本发明的有益效果：本申请提供一种航天器外热流模拟装置加热回路自动集束算法，采用软件算法代替人工对所有加热回路优化集束、定义电装关系对应表的工作，从而提高了集束工作的自动化水平、优化工序程序、降低成本。
附图说明
图1为本申请第一种实施例的原理流程示意图；
图2为本申请第一种实施例中S2步骤中随机左右装箱的原理示意图；
图3为本申请第一种实施例的软件实现流程示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
如图1所示为本申请的第一种实施例的示意图，包括以下步骤：
S1、建立电装模型和数学优化模型，其中将航天器外热流模拟装置加热回路集束问题建模为装箱模型，加热回路建模为物品，插头容量建模为箱子容积。
本步骤具体包括：根据加热回路集束的约束条件，建立数学优化模型，将优化目标数作为适应度函数。其中约束条件，具体包括：所需插头数量、各加热回路空间关系、电缆长度等条件。
本实施例中，满足约束条件的情况下要保证所用插头总数和长度的权重组合尽可能少。本实施例中，将加热回路集束问题建模为一维装箱模型。
在一优选实施方式中，约束条件为：每个回路组合的总容量上限是15，即每个箱子的容量是15。
建立以下装箱问题的数学优化模型：
定义：已知常量C＝{C1，C2，...，Cn}为回路集合，每个回路Ci包含空间位置信息(中心点位置，角度，高度)、回路数、回路所在分区；
变量B＝{B1，B2，...，Bm}为所有箱子插头集合；
变量为当前回路装箱情况；
进一步给出问题目标函数描述：
min m插头总数最少；
min l电缆长度最短；
最终的优化数学模型可以表示为:
目标函数：P＝a*箱子数+(1-a)*b*电缆总长度l；其中，a为目标函数调节系数，b为电缆长度调节系数。
S2、利用BFD近似算法将物品体积大小进行降序排列，得到遗传算法的初始种群。
本实施例中应用的BFD近似算法又称为降序最佳匹配算法。
S3、随机选择一组遗传算法的参数，将初始种群利用遗传算法求得一个较优解。
随机选择遗传算法一组相关参数，将BFD近似算法形成的初始种群利用遗传算法求解，使得进化过程能够借鉴BFD近似算法的思想，修正无效染色体为合理有效的染色体，从而提高遗传算法的运行效率和解的质量，得到一个较优解。具体过程为：将回路数按不同结构分区进行划分并编号，在各个结构的回路数区间内随机取一数值，n个结构形成一个n维的行向量作为染色体编码。在优化过程中，不断调整该数值在区间中的位置，使总距离最短、箱数最少，如图2所示。
例如：结构S＝{S_1，S_2，...，S_(n-1，)，S_n}，其中S_1＝{a_1,a_2,...,a_i}，S_2＝{a_(i+1),a_(i+2),...,a_j}，...，在各个结构的回路数区间内随机取一数值，m_1＝rand(a_1,a_i)，...，最终编码为[m_1,m_2,...,m_n]。遗传算法在进化搜索中基本不利用外部信息，仅以适应度函数为依据，利用种群中每个个体的适应度值来进行搜索。
S4、引入基于熵指标的强化学习算法优化遗传算法的参数得到最优解。
本步骤中通过进一步引入基于熵指标的强化学习算法，解决传统遗传算法早熟收敛和收敛速度慢的问题，基于强化学习的多策略选择遗传算法，能提高种群的多样性，有效避免遗传算法的早熟收敛问题，将种群的多样性和算法的运行机制相结合，从而将种群多样性保持在合适的范围，提高了遗传算法的适应性与泛化能力。
S5、输出电装关系表。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述输出电装关系表，具体包括：航天器外热流模拟装置加热回路自动集束的结果，排列加热回路在汇集电缆的针号，定义汇集电缆的名称，输出电缆转接的位置、长度以及使用插头的型号。
如图3所示为本实施例的软件实现流程图。
本实施例的软件界面操作过程为：
1)导入：用户选择输入Excel文件所在位置；
2)遗传算法参数设置：用户配置遗传算法相关参数，包括遗传代数，种群数量以及权重；
3)优化结果：系统显示装箱完成后的结果，包括最短距离以及最优箱子个数；
4)结构参数：用户输入生成装箱结果文件的相关信息，包括输出插头名称，转接插头名称，附加系数，输出电缆长度，转接电缆长度；
5)数据可视化区域：系统显示最优适应度与平均适应度以及相对应的迭代数量；
6)系统点击运行，显示优化结果并且将优化曲线绘制到数据可视化区域；在主程序中设计了循环运行装箱算法的过程，每次运行前由使用者手动输入不同的参数，运行结束时将有关进化过程的统计结果通过对话框输出；
7)导出：用户选择输出Excel文件所在位置；
8)系统点击退出，则停止当前算法并关闭软件。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.航天器外热流模拟装置加热回路自动集束方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立电装模型和数学优化模型，其中将航天器外热流模拟装置加热回路集束问题建模为装箱模型，加热回路建模为物品，插头容量建模为箱子容积；
具体包括：根据加热回路集束的约束条件，建立数学优化模型，将优化目标数作为适应度函数；其中约束条件，具体包括：所需插头数量、各加热回路空间关系、电缆长度；
最终的优化数学模型可以表示为:
目标函数：P= a*箱子数+(1-a)*b*电缆总长度l；其中，a为目标函数调节系数,b为电缆长度调节系数；
利用BFD近似算法将物品体积大小进行降序排列，得到遗传算法的初始种群；
随机选择一组遗传算法的参数，将初始种群利用遗传算法求得一个较优解；
引入基于熵指标的强化学习算法优化遗传算法的参数得到最优解；
输出电装关系表。
2.根据权利要求1所述的航天器外热流模拟装置加热回路自动集束方法，其特征在于，所述将航天器外热流模拟装置加热回路集束问题建模为装箱模型，具体包括：将热回路集束问题建模为一维装箱模型。
3.根据权利要求2所述的航天器外热流模拟装置加热回路自动集束方法，其特征在于，所述将初始种群利用遗传算法求得一个较优解，具体包括：将BFD近似算法与遗传算法结合，在初始种群进化过程中结合BFD近似算法，修正无效染色体为有效染色体。
4.根据权利要求3所述的航天器外热流模拟装置加热回路自动集束方法，其特征在于，所述引入基于熵指标的强化学习算法优化遗传算法的参数得到最优解，具体包括：将种群的多样性与引入基于熵指标的强化学习算法的运行机制相结合，将种群多样性保持在设定的范围。
5.根据权利要求4所述的航天器外热流模拟装置加热回路自动集束方法，其特征在于，所述输出电装关系表，具体包括：航天器外热流模拟装置加热回路自动集束的结果，排列加热回路在汇集电缆的针号，定义汇集电缆的名称，输出电缆转接的位置、长度以及使用插头的型号。
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外热流模拟对象在线辨识方法比较分析;张军;郭赣;王奕荣;;航天器环境工程(第02期);全文 *

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