機載任務電子系統總體布局優化設計

魏強+李雨

摘 要： 在機載任務電子系統結構總體設計中應用系統布局優化設計方法，主要包括艙外天線布局優化和艙室系統布局優化兩方面內容，優化方法涉及到多學科優化算法、改進的遺傳算法等。該方法對于任務電子系統結構總體設計能夠起到系統理論指導作用，通過該方法能夠有效提升任務電子系統綜合性能。

關鍵詞： 機載任務電子系統； 布局優化； 多學科優化； 優化設計

中圖分類號： TN971+.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

機載任務電子系統是安裝在飛機平臺上執行某種任務的綜合電子信息系統，涵蓋預警機、反潛機、巡邏機、電子戰飛機等特種飛機，任務電子系統在飛機上的安裝設計的好壞直接影響著任務電子系統的作戰使用效率。任務電子系統結構總體設計的主要工作包括系統構型設計、布局設計、結構安裝設計以及環境適應性設計等方面。大系統總體設計的方法主要包括系統遺傳?進化法、系統工程程序法、系統分析法、系統分解?集成法、黑箱辨識法、經驗法、反饋協調法、系統優化法、模型驗證法等[1]。本文重點論證系統優化法在機載任務電子系統結構總體設計中的應用。

特種飛機主要由載機和任務電子系統兩部分組成，任務電子系統根據需求可包括雷達、敵我識別、通信、電子偵察、通信偵察、指控、信息綜合顯示和監控等組成。

任務電子系統在飛機上的安裝設計，關鍵是要解決在飛機上安裝任務電子系統設備所引起的一系列問題：一是任務電子系統設備在飛機上的安裝問題，即“機械接口”的問題。這些設備的安裝涉及飛機的氣動外形（天線）、內部布置、安裝部位的結構強度等。二是電學方面的問題。一方面是供電問題，任務電子系統設備既需要增加更大的電源供應，又需要新的電源品種；另一方面是復雜的電磁兼容問題，即“電接口”。三是熱力學方面的問題。新增的設備用電帶來發熱量增加以及傳熱、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電子系統設備，破壞了基本飛機原有的設計平衡。改裝的目的就是要在安裝任務電子系統設備、改變飛機用途的條件下，尋求新的設計平衡。任務電子系統結構總體優化設計就是采用多學科多目標優化的設計思路來滿足新的設計平衡。

1 結構總體布局優化設計

機載任務電子系統設備在載機上的布置安裝主要分為機艙內和機艙外兩部分[2]。結構總體布局優化內容主要針對艙外天線布局優化和艙室系統布局優化設計。

1.1 艙外天線布局優化

任務電子系統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科優化問題[3]，場耦合關系如圖1所示。

圖1 各場耦合關系

以氣動特性和電磁特性為設計目標，以預警任務系統布局參數為設計變量，進行多目標優化設計，得到艙外天線最佳布局方案。

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

圖2 雷達天線設計參數

圖3 優化設計流程

[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化設計。

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，經過優化，提出最佳天線布局方案。

以天線布局位置參數為優化變量，以方向圖的畸變最小和飛機操穩性變化最小兩個目標作為優化目標，優化算法采用多目標優化算法（MDO）進行優化。

1.2 艙室系統布局優化

任務電子系統的艙內布局應充分考慮載機平臺的艙內空間特性和全機重量重心、任務電子系統使用維護、人機工效特性分布等情況，通過先進的優化算法，優化任務電子系統在艙內的布置，提高任務電子系統設備的維護性，方便戰勤人員的操作，使戰勤人員能在盡可能舒適的環境中高效地工作。

艙室布局優化流程如下：

（1） 系統功能使用布局設計要求和系統人機工效布局設計要求

規劃系統使用功能和系統人機工效特性設計初始布局，作為布局優化的起始值和約束范圍。

（2） 進行系統艙室布局優化設計

近年來，全局隨機最優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用。它們在求解傳統的基于梯度優化方法難以解決的復雜優化問題中顯示了優良的求解特性。本文利用改進的遺傳算法來求解特種飛機艙室優化布置設計問題。

圖4為艙室布局優化設計流程圖。圖5為某特種飛機艙室布局三維示意圖，根據系統功能要求將艙室分為三個區域，即前設備區（分為左前機柜區和右前機柜區）、中操作員區（分為左操作員區和右操作員區）、后設備區（分為左后機柜區和右后機柜區）。

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，將各個設備區簡化為一個固定的空間區域，并假設各個設備區重量重心在形心，對各個設備區域的相對位置進行優化調整。左前機柜區長[a1，]寬[b1，]重[m1；]右前機柜區長[a4，]寬[b4，]重[m4；]左操作員區長[a2，]寬[b2，]重[m2；]右操作員區長[a5，]寬[b5，]重[m5；]左后機柜區長[a3，]寬[b3，]重[m3；]右后機柜區長[a6，]寬[b6，]重[m6。]以設備區間隔距離[xi]為設計變量，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計目標進行布局優化，公式（2）為該艙室布局優化模型。

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

圖4 艙室布局優化設計流程圖

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

該多目標優化數學模型采用基于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，隨機產生規模為[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Pareto前沿關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生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結束的條件。

圖7 該種艙室布局優化簡化模型示意圖

圖8為布局優化迭代圖，從圖中可得出最優結果集，即人員操作空間優化結果為890～920 mm，重心距離優化結果為0～60 mm。證明該方法可以使得兩個目標同時相對最優。

圖8 布局優化迭代圖

2 結 論

本文針對機載任務電子系統提出布局優化設計方法作為總體設計的一個重要內容，艙外天線布局采用氣動電磁多學科優化策略，艙內設備布局采用人機工效、重量重心等多目標優化策略，通過這些設計能夠得出各方面指標相對最優的結果。

參考文獻

[1] 彭成榮.航天器總體設計[M].北京：中國科學技術出版社，2010.

[2] 王紅.機載電子設備總體布局設計探討[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、方法及應用[M].北京：科學出版社，2011.

[4] 李俊華，陳賓康，應文燁，等.退火演化算法在艦艇艙室優化布置設計中的應用[J].武漢交通科技大學學報，2000（4）：360?362.

[5] 李云，龔昌奇.改進的遺傳算法在游艇艙室布局優化設計中的應用[J].船海工程，2010（1）：34?37.

[6] 李莉，潘豐.基于遺傳算法的多目標進化算法綜述[C]//2007中國控制與決策學術年會.沈陽：《控制與決策》編輯部，2007：89?92.

圖3 優化設計流程

[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化設計。

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，經過優化，提出最佳天線布局方案。

以天線布局位置參數為優化變量，以方向圖的畸變最小和飛機操穩性變化最小兩個目標作為優化目標，優化算法采用多目標優化算法（MDO）進行優化。

1.2 艙室系統布局優化

任務電子系統的艙內布局應充分考慮載機平臺的艙內空間特性和全機重量重心、任務電子系統使用維護、人機工效特性分布等情況，通過先進的優化算法，優化任務電子系統在艙內的布置，提高任務電子系統設備的維護性，方便戰勤人員的操作，使戰勤人員能在盡可能舒適的環境中高效地工作。

艙室布局優化流程如下：

（1） 系統功能使用布局設計要求和系統人機工效布局設計要求

規劃系統使用功能和系統人機工效特性設計初始布局，作為布局優化的起始值和約束范圍。

（2） 進行系統艙室布局優化設計

近年來，全局隨機最優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用。它們在求解傳統的基于梯度優化方法難以解決的復雜優化問題中顯示了優良的求解特性。本文利用改進的遺傳算法來求解特種飛機艙室優化布置設計問題。

圖4為艙室布局優化設計流程圖。圖5為某特種飛機艙室布局三維示意圖，根據系統功能要求將艙室分為三個區域，即前設備區（分為左前機柜區和右前機柜區）、中操作員區（分為左操作員區和右操作員區）、后設備區（分為左后機柜區和右后機柜區）。

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，將各個設備區簡化為一個固定的空間區域，并假設各個設備區重量重心在形心，對各個設備區域的相對位置進行優化調整。左前機柜區長[a1，]寬[b1，]重[m1；]右前機柜區長[a4，]寬[b4，]重[m4；]左操作員區長[a2，]寬[b2，]重[m2；]右操作員區長[a5，]寬[b5，]重[m5；]左后機柜區長[a3，]寬[b3，]重[m3；]右后機柜區長[a6，]寬[b6，]重[m6。]以設備區間隔距離[xi]為設計變量，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計目標進行布局優化，公式（2）為該艙室布局優化模型。

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

圖4 艙室布局優化設計流程圖

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

該多目標優化數學模型采用基于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，隨機產生規模為[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Pareto前沿關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生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結束的條件。

圖7 該種艙室布局優化簡化模型示意圖

圖8為布局優化迭代圖，從圖中可得出最優結果集，即人員操作空間優化結果為890～920 mm，重心距離優化結果為0～60 mm。證明該方法可以使得兩個目標同時相對最優。

圖8 布局優化迭代圖

2 結 論

本文針對機載任務電子系統提出布局優化設計方法作為總體設計的一個重要內容，艙外天線布局采用氣動電磁多學科優化策略，艙內設備布局采用人機工效、重量重心等多目標優化策略，通過這些設計能夠得出各方面指標相對最優的結果。

參考文獻

[1] 彭成榮.航天器總體設計[M].北京：中國科學技術出版社，2010.

[2] 王紅.機載電子設備總體布局設計探討[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、方法及應用[M].北京：科學出版社，2011.

[4] 李俊華，陳賓康，應文燁，等.退火演化算法在艦艇艙室優化布置設計中的應用[J].武漢交通科技大學學報，2000（4）：360?362.

[5] 李云，龔昌奇.改進的遺傳算法在游艇艙室布局優化設計中的應用[J].船海工程，2010（1）：34?37.

[6] 李莉，潘豐.基于遺傳算法的多目標進化算法綜述[C]//2007中國控制與決策學術年會.沈陽：《控制與決策》編輯部，2007：89?92.

圖3 優化設計流程

[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化設計。

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，經過優化，提出最佳天線布局方案。

以天線布局位置參數為優化變量，以方向圖的畸變最小和飛機操穩性變化最小兩個目標作為優化目標，優化算法采用多目標優化算法（MDO）進行優化。

1.2 艙室系統布局優化

任務電子系統的艙內布局應充分考慮載機平臺的艙內空間特性和全機重量重心、任務電子系統使用維護、人機工效特性分布等情況，通過先進的優化算法，優化任務電子系統在艙內的布置，提高任務電子系統設備的維護性，方便戰勤人員的操作，使戰勤人員能在盡可能舒適的環境中高效地工作。

艙室布局優化流程如下：

（1） 系統功能使用布局設計要求和系統人機工效布局設計要求

規劃系統使用功能和系統人機工效特性設計初始布局，作為布局優化的起始值和約束范圍。

（2） 進行系統艙室布局優化設計

近年來，全局隨機最優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用。它們在求解傳統的基于梯度優化方法難以解決的復雜優化問題中顯示了優良的求解特性。本文利用改進的遺傳算法來求解特種飛機艙室優化布置設計問題。

圖4為艙室布局優化設計流程圖。圖5為某特種飛機艙室布局三維示意圖，根據系統功能要求將艙室分為三個區域，即前設備區（分為左前機柜區和右前機柜區）、中操作員區（分為左操作員區和右操作員區）、后設備區（分為左后機柜區和右后機柜區）。

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，將各個設備區簡化為一個固定的空間區域，并假設各個設備區重量重心在形心，對各個設備區域的相對位置進行優化調整。左前機柜區長[a1，]寬[b1，]重[m1；]右前機柜區長[a4，]寬[b4，]重[m4；]左操作員區長[a2，]寬[b2，]重[m2；]右操作員區長[a5，]寬[b5，]重[m5；]左后機柜區長[a3，]寬[b3，]重[m3；]右后機柜區長[a6，]寬[b6，]重[m6。]以設備區間隔距離[xi]為設計變量，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計目標進行布局優化，公式（2）為該艙室布局優化模型。

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

圖4 艙室布局優化設計流程圖

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

該多目標優化數學模型采用基于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，隨機產生規模為[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Pareto前沿關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生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結束的條件。

圖7 該種艙室布局優化簡化模型示意圖

圖8為布局優化迭代圖，從圖中可得出最優結果集，即人員操作空間優化結果為890～920 mm，重心距離優化結果為0～60 mm。證明該方法可以使得兩個目標同時相對最優。

圖8 布局優化迭代圖

2 結 論

本文針對機載任務電子系統提出布局優化設計方法作為總體設計的一個重要內容，艙外天線布局采用氣動電磁多學科優化策略，艙內設備布局采用人機工效、重量重心等多目標優化策略，通過這些設計能夠得出各方面指標相對最優的結果。

參考文獻

[1] 彭成榮.航天器總體設計[M].北京：中國科學技術出版社，2010.

[2] 王紅.機載電子設備總體布局設計探討[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、方法及應用[M].北京：科學出版社，2011.

[4] 李俊華，陳賓康，應文燁，等.退火演化算法在艦艇艙室優化布置設計中的應用[J].武漢交通科技大學學報，2000（4）：360?362.

[5] 李云，龔昌奇.改進的遺傳算法在游艇艙室布局優化設計中的應用[J].船海工程，2010（1）：34?37.

[6] 李莉，潘豐.基于遺傳算法的多目標進化算法綜述[C]//2007中國控制與決策學術年會.沈陽：《控制與決策》編輯部，2007：89?92.