職稱論文發(fā)表期刊推薦《科技管理研究》雜志創(chuàng)刊于1981 年，是經(jīng)國家科技部、國家新聞出版總署批準出版，向國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性學(xué)術(shù)期刊，月刊。由廣東省科學(xué)學(xué)與科技管理研究會主辦，并與中國科技指標(biāo)研究會 合辦。國際標(biāo)準刊號:ISSN 1000-7695 國內(nèi)統(tǒng)一刊號:CN 44-1223/G3 郵發(fā)代號：46-120。
　　摘 要： 在機載任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計中應(yīng)用系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計方法，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、改進的遺傳算法等。該方法對于任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計能夠起到系統(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

　　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

　　機載任務(wù)電子系統(tǒng)是安裝在飛機平臺上執(zhí)行某種任務(wù)的綜合電子信息系統(tǒng)，涵蓋預(yù)警機、反潛機、巡邏機、電子戰(zhàn)飛機等特種飛機，任務(wù)電子系統(tǒng)在飛機上的安裝設(shè)計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)計的主要工作包括系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計、布局設(shè)計、結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計以及環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計等方面。大系統(tǒng)總體設(shè)計的方法主要包括系統(tǒng)遺傳?進化法、系統(tǒng)工程程序法、系統(tǒng)分析法、系統(tǒng)分解?集成法、黑箱辨識法、經(jīng)驗法、反饋協(xié)調(diào)法、系統(tǒng)優(yōu)化法、模型驗證法等[1]。本文重點論證系統(tǒng)優(yōu)化法在機載任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計中的應(yīng)用。

　　特種飛機主要由載機和任務(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、敵我識別、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)在飛機上的安裝設(shè)計，關(guān)鍵是要解決在飛機上安裝任務(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)備在飛機上的安裝問題，即“機械接口”的問題。這些設(shè)備的安裝涉及飛機的氣動外形(天線)、內(nèi)部布置、安裝部位的結(jié)構(gòu)強度等。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上安裝任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備，破壞了基本飛機原有的設(shè)計平衡。改裝的目的就是要在安裝任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備、改變飛機用途的條件下，尋求新的設(shè)計平衡。任務(wù)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體優(yōu)化設(shè)計就是采用多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計思路來滿足新的設(shè)計平衡。

　　1 結(jié)構(gòu)總體布局優(yōu)化設(shè)計

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

　　1.1 艙外天線布局優(yōu)化

　　任務(wù)電子系統(tǒng)對載機氣動影響最大的是在機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對飛機的氣動性能產(chǎn)生影響，而不同的天線布局形式會有不同的天線探測性能，在艙外天線布局優(yōu)化時需要同時考慮氣動特性和天線電磁場特性，這是一個典型的多學(xué)科優(yōu)化問題[3]，場耦合關(guān)系如圖1所示。

　　圖1 各場耦合關(guān)系

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

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

　　圖2 雷達天線設(shè)計參數(shù)

　　圖3 優(yōu)化設(shè)計流程

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

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

　　此方法可擴展到全機天線布局優(yōu)化設(shè)計。

　　運用流體仿真軟件分析雷達天線罩尺寸、位置、支架形式對氣動的影響，同時運用電磁分析軟件分析全機電磁特性，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操穩(wěn)性變化最小兩個目標(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)充分考慮載機平臺的艙內(nèi)空間特性和全機重量重心、任務(wù)電子系統(tǒng)使用維護、人機工效特性分布等情況，通過先進的優(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)計要求和系統(tǒng)人機工效布局設(shè)計要求

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

　　(2) 進行系統(tǒng)艙室布局優(yōu)化設(shè)計

　　近年來，全局隨機最優(yōu)化方法如退火演化算法[4]和改進的遺傳算法[5]等得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它們在求解傳統(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。本文利用改進的遺傳算法來求解特種飛機艙室優(yōu)化布置設(shè)計問題。

　　圖4為艙室布局優(yōu)化設(shè)計流程圖。圖5為某特種飛機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區(qū)域，即前設(shè)備區(qū)(分為左前機柜區(qū)和右前機柜區(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)(分為左后機柜區(qū)和右后機柜區(qū))。

　　圖6為人員操作空間要求示意圖，圖7為圖5的簡化模型示意圖，將各個設(shè)備區(qū)簡化為一個固定的空間區(qū)域，并假設(shè)各個設(shè)備區(qū)重量重心在形心，對各個設(shè)備區(qū)域的相對位置進行優(yōu)化調(diào)整。左前機柜區(qū)長[a1，]寬[b1，]重[m1;]右前機柜區(qū)長[a4，]寬[b4，]重[m4;]左操作員區(qū)長[a2，]寬 [b2，]重[m2;]右操作員區(qū)長[a5，]寬[b5，]重[m5;]左后機柜區(qū)長[a3，]寬[b3，]重[m3;]右后機柜區(qū)長[a6，]寬 [b6，]重[m6。]以設(shè)備區(qū)間隔距離[xi]為設(shè)計變量，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)計目標(biāo)進行布局優(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)計流程圖

　　圖5 某特種飛機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，隨機產(chǎn)生規(guī)模為 [N]的初始種群，非劣(Pareto)前沿分級后通過遺傳算法的選擇、交叉、變異3個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，進行快速Pareto前沿分級，同時對每個Pareto前沿分級層中的個體進行小生境密度計算，根據(jù)Pareto前沿關(guān)系以及個體的小生境密度選擇合適的個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目標(biāo)同時相對最優(yōu)。

　　圖8 布局優(yōu)化迭代圖

　　2 結(jié) 論

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

　　參考文獻

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

　　[3] 段寶巖.電子裝備機電耦合理論、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)計中的應(yīng)用[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報，2000(4)：360?362.

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