鐘奇 潘維 王玉瑩 蘇生
(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094)
航天器熱模型修正可以視為關(guān)于優(yōu)化或擬合的反問題,是航天器熱控領(lǐng)域中一個(gè)古老的話題。自1967年Toussaint提出用最小化分析-試驗(yàn)?zāi)芰科胶鈿埐钸M(jìn)行模型修正以來,業(yè)界一直在進(jìn)行相關(guān)研究。從國外來看,一開始的方法主要有最小二乘法、卡爾曼濾波法[1];隨著計(jì)算機(jī)能力的迅猛提升,出現(xiàn)了大量基于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)的修正方法[2-3]。一般而言,參數(shù)敏感性分析是修正的前序環(huán)節(jié),因此,圍繞參數(shù)采樣方法及敏感性分析的具體應(yīng)用也有大量研究[4-5]。期間,還有一些旨在實(shí)現(xiàn)修正過程自動(dòng)化的工具開發(fā)研究[6-7]。近年,涌現(xiàn)出了兩種航天器熱模型新修正方法的研究:遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)[8-10]和Broyden類的準(zhǔn)牛頓法[11]。
從1990年代開始,國內(nèi)也開展了大量關(guān)于航天器熱模型修正方法或應(yīng)用技術(shù)的研究[12]。這些研究有的采用trial-and-error式步驟對具體問題進(jìn)行特性研究[13-14],多數(shù)屬于單次單因子(one-factor-at-a-time)式的假設(shè)分析(what-if)類的低效的手工試算;有的專注于探討縮并不確定參數(shù)的數(shù)量[15-16];有的探討分層修正等策略問題[16]。就修正算法而言,以最小二乘法[15-16]和Monte-Carlo統(tǒng)計(jì)分析[17-19]為主。近年,文獻(xiàn)[20]針對某熱工系統(tǒng)開展了運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和控制參數(shù)優(yōu)化的研究,文獻(xiàn)[21]采用遺傳算法研究了熱傳導(dǎo)反問題,這些問題與航天器熱模型修正問題共性不多。文獻(xiàn)[22]針對航天器瞬態(tài)熱模型,給出了采用遺傳算法進(jìn)行修正的應(yīng)用結(jié)果,但對實(shí)現(xiàn)過程描述不多。因此,對于航天器熱模型修正的兩種國外新方法,國內(nèi)的研究接近空白。
由于航天器熱模型修正的復(fù)雜性和難度,相關(guān)修正技術(shù)在工程實(shí)用中至今尚遠(yuǎn)未成熟,現(xiàn)實(shí)中的大部分修正中,航天器熱控工程師不得不將手工調(diào)整參數(shù)作為優(yōu)先選擇[9],繁瑣而低效,因此,業(yè)界對熱模型自動(dòng)修正的需求一直是迫切的。正因?yàn)樾枨笃惹卸夹g(shù)還不成熟,所以航天器熱模型修正問題雖然古老,但至今仍是航天器熱控領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。
本文對采用遺傳算法和Broyden類的準(zhǔn)牛頓法這兩種新方法用于熱模型修正的原理、應(yīng)用效果進(jìn)行分析。溫度和不確定參數(shù)能被修正的準(zhǔn)確度均是應(yīng)用效果分析的關(guān)注重點(diǎn)。之后進(jìn)一步延伸分析以往國內(nèi)熱模型修正研究中關(guān)注不多的不確定參數(shù)可解性問題,探討部分修正理念。
遺傳算法是一種模仿生物種群代際遺傳進(jìn)化的啟發(fā)式隨機(jī)搜索通用算法。熱模型修正的目標(biāo)是尋找那些使分析和試驗(yàn)測量的溫度差異盡可能小的不確定參數(shù),這是一個(gè)對參數(shù)的搜索優(yōu)化問題。假定一個(gè)熱模型包含有線性熱導(dǎo)GL、輻射熱導(dǎo)GR、熱容MC共r個(gè)不確定參數(shù),采用遺傳算法,將一個(gè)參數(shù)的一個(gè)可能解視為一個(gè)基因,一組不確定參數(shù)可能解的組合即為一個(gè)染色體(同時(shí)又稱為個(gè)體)。為便于理解,采用自然編碼,圖1即為一個(gè)染色體示例,基因所處位序?yàn)榛蛭弧R唤M結(jié)構(gòu)相同、值不同的染色體集合即構(gòu)成一個(gè)種群。

圖1 染色體示例Fig.1 Example of a chromosome
首先定義適應(yīng)函數(shù)表達(dá)式為[8]
(1)
(2)
式中:T表示溫度,TP為分析溫度,Tm為測量溫度;i表示節(jié)點(diǎn)號,i=[1,I];k表示瞬時(shí)時(shí)刻,k=[1,K];j表示工況號,j=[1,J]。
確定適應(yīng)度收斂判據(jù)及最大迭代次數(shù)后,按照如下步驟[23-27]進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。
(1)隨機(jī)產(chǎn)生S組染色體作為初始種群并按照適應(yīng)函數(shù)計(jì)算適應(yīng)度,S即為種群規(guī)模。
(2)根據(jù)對每個(gè)染色體的適應(yīng)度評價(jià)結(jié)果,選擇一定數(shù)量的染色體進(jìn)行復(fù)制、交叉、變異操作,形成新一代種群。復(fù)制的原則是讓適應(yīng)度高的染色體有更大的概率得以保留;單純的復(fù)制雖然使得新一代種群中高適應(yīng)度個(gè)體保留比例高,但它們與上一代完全一致,因此還需要進(jìn)行交叉操作,交叉是對群體中任意兩個(gè)染色體,按照一定概率交換二者的部分基因;因?yàn)槌跏嫉姆N群可能沒有包含解決問題的所有必要信息,為防止后代一直包含這種先天缺陷,因此還需要讓交叉后的個(gè)體在某些基因上按照一定概率發(fā)生突變。
(3)返回步驟(2),直到:①適應(yīng)度滿足收斂準(zhǔn)則,此時(shí)種群中適應(yīng)度最佳的個(gè)體包含的參數(shù)即為“符合收斂判據(jù)”意義下的最優(yōu)參數(shù),指定其為問題的最終解,計(jì)算結(jié)束?;颌诘_(dá)到設(shè)定的最大次數(shù)仍不能收斂,計(jì)算退出。
可以看到,GA算法中需要反復(fù)計(jì)算適應(yīng)度,對于熱模型而言,通常意味著需要反復(fù)用新一代的參數(shù)計(jì)算溫度,即利用求解器反復(fù)計(jì)算熱網(wǎng)絡(luò)模型的溫度。GA算法的另一個(gè)特征是,不同的初始種群得到的結(jié)果會(huì)有差異,因此一般需要進(jìn)行多次嘗試。
文獻(xiàn)[9]展示了采用GA方法對一個(gè)搭載于空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置熱模型的修正。該模型總節(jié)點(diǎn)47個(gè),其中溫度待求節(jié)點(diǎn)28個(gè)(21個(gè)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)+7個(gè)算術(shù)節(jié)點(diǎn))、熱沉節(jié)點(diǎn)(即溫度的一類邊界)19個(gè)。不確定參數(shù)117個(gè),包括42個(gè)GL、54個(gè)GR、21個(gè)MC。計(jì)算時(shí)刻數(shù):低溫工況11個(gè),高溫工況10個(gè)。以虛擬試驗(yàn)和真實(shí)試驗(yàn)為對象進(jìn)行了兩類修正,如表1所示。
工況G1~G5為虛擬試驗(yàn)修正,即將標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)取值下的分析結(jié)果視為“虛擬試驗(yàn)”結(jié)果,然后隨機(jī)改變117個(gè)參數(shù)中的80%,改變幅度在±100%內(nèi),將此狀態(tài)作為分析模型,用 “虛擬試驗(yàn)”溫度作為真值來修正分析模型。為了研究“試驗(yàn)”中有測量溫度的測點(diǎn)數(shù)的不同對修正的影響,以及修正時(shí)選定的不確定參數(shù)數(shù)量對修正的影響,人為設(shè)定了5種工況。
工況G6為針對真實(shí)熱平衡試驗(yàn)的修正。該修正前分析與真實(shí)試驗(yàn)平均偏差2.37 ℃,單個(gè)節(jié)點(diǎn)在某時(shí)刻上最大偏差6.43 ℃。

表1 GA修正案例Table 1 Cases of correlation using GA
從表1可見,除工況G4之外的修正都能在有“試驗(yàn)測量溫度”的節(jié)點(diǎn)上滿足分析與試驗(yàn)溫度偏差不超過0.5 ℃。文獻(xiàn)[9]亦因此宣稱GA可以用于中小規(guī)模問題。但可以看到,該研究的參數(shù)修正效果很不成功,該文也提到,GA修正出的參數(shù)可能會(huì)喪失物理真實(shí)性。
Broyden類的準(zhǔn)牛頓法需要從非線性方程組的牛頓迭代法說起,以如下非線性方程組為例,牛頓迭代法的過程為[28]
(3)
式中:x、y為待求未知量,在初始近似值(x0,y0)附近作泰勒展開取線性部分為
(4)
用矩陣形式表達(dá)即
(5)
左邊第一個(gè)矩陣即為雅科比矩陣,滿足矩陣可逆的前提下,按矩陣求逆法有為
(6)
即
(7)
由此得到新一輪近似值,如此反復(fù)迭代直至前后兩次誤差小于容差。
一個(gè)含有W個(gè)不確定參數(shù)pw(w表示序號,w=[1,W]、I個(gè)未知溫度量Ti的熱網(wǎng)絡(luò)方程組,可以視為隱函數(shù)表達(dá)的pw到Ti的映射
(8)
多數(shù)修正方法是尋求上述方程組的解與測量溫度差值盡量小,Broyden類的準(zhǔn)牛頓法則直接求解下述方程組。
(9)
采用牛頓迭代法,用矩陣形式表達(dá)的話,按照式(7)的推導(dǎo)過程,則有[11]
(10)
通常I≠W,所以式(10)與式(7)有區(qū)別:式(7)中的雅科比矩陣是方陣,其逆矩陣是標(biāo)準(zhǔn)定義逆矩陣,而式(10)中的雅科比矩陣不是方陣,其逆矩陣是廣義逆矩陣,式(10)僅為一個(gè)特解[29]。
可以看出,在式(10)的每次迭代中,都需要計(jì)算每一個(gè)Fi的值,也就要求計(jì)算隱函數(shù)fi的值,這意味著每次迭代時(shí)用熱網(wǎng)絡(luò)方程求解器計(jì)算出溫度不可避免。雅科比矩陣元素的偏導(dǎo)值計(jì)算同樣沒法通過顯式解析式得到,Broyden發(fā)明了基于前一步結(jié)果來近似雅科比矩陣的方法,這正是Broyden類的準(zhǔn)牛頓法的最明顯特征。該方法要求熱模型是參數(shù)的單調(diào)且可微函數(shù),航天器熱控系統(tǒng)經(jīng)常用到的自動(dòng)控溫加熱并不符合這一要求,需要在分析模型將控溫邏輯轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的加熱方式。
文獻(xiàn)[11]針對兩個(gè)模型進(jìn)行了修正。第一個(gè)是虛擬試驗(yàn)修正,模型包含4個(gè)未知節(jié)點(diǎn)、1個(gè)邊界節(jié)點(diǎn);可變參數(shù)為6個(gè)GL,6個(gè)GL按標(biāo)稱值計(jì)算得到的結(jié)果作為虛擬試驗(yàn)數(shù)據(jù),然后改變6個(gè)GL值的計(jì)算結(jié)果作為分析值,待修正參數(shù)按3種不同數(shù)量進(jìn)行了3個(gè)修正,如表2所示(見表中B1~B3)。


表2 Broyden類的準(zhǔn)牛頓法修正案例Table 2 Cases of correlation using quasi-Newton algorithm of Broyden class
文獻(xiàn)[30]同時(shí)采用Broyden類的準(zhǔn)牛頓方法和GA算法,對文獻(xiàn)[8]的算例進(jìn)行了修正對比。為便于比較,不再采用偏差總方根、而統(tǒng)一用偏差均方根進(jìn)行評價(jià),結(jié)果是都能達(dá)到均方根<1 K,對于均方根<10-4K的收斂判據(jù),Broyden類的準(zhǔn)牛頓法能達(dá)到,而GA無法收斂。文獻(xiàn)[30]最后列舉了采用Broyden類的準(zhǔn)牛頓方法應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大的真實(shí)修正結(jié)果,如表3所示。

表3 Broyden類的準(zhǔn)牛頓法大模型修正案例Table 3 Examples of correlation for large model using quasi-Newton algorithm of the Broyden class
表2、3的案例表明,Broyden類的準(zhǔn)牛頓方法能取得較好的溫度修正結(jié)果,包括GA算法不能收斂的一些情況。不過其參數(shù)修正效果是未知的。
以上案例表明,拋開不確定參數(shù)的修正效果、僅衡量溫度偏差的話,GA算法和Broyden類的準(zhǔn)牛頓法應(yīng)用于熱模型修正,目前表現(xiàn)是有一定可行性的。不過,熱模型修正的最高目標(biāo)是獲取不確定參數(shù)的精確值,以進(jìn)行后續(xù)的精確預(yù)示。一個(gè)在軌運(yùn)行或地面熱平衡試驗(yàn)中的真實(shí)航天器,影響其溫度分布的每一個(gè)參數(shù)在某一時(shí)刻本應(yīng)只有一個(gè)值,理論上應(yīng)當(dāng)可以反向計(jì)算出這些參數(shù)的值?,F(xiàn)實(shí)中達(dá)到完美修正的困難何在呢?
第一個(gè)困難是不確定參數(shù)的識(shí)別充分性:截至目前,所有用虛擬試驗(yàn)來進(jìn)行的修正研究中,是將已知參數(shù)真值的結(jié)果作為“試驗(yàn)”結(jié)果,然后人為制造參數(shù)偏離作為分析狀態(tài),然后尋找能滿足分析溫度結(jié)果與“試驗(yàn)”溫度一致的參數(shù)值。這相當(dāng)于事先已識(shí)別出所有的不確定參數(shù),這與實(shí)際的修正存在重大差異:實(shí)際的修正中不可能保證不確定參數(shù)全部被識(shí)別。很顯然,未被識(shí)別的不確定參數(shù)一定是不能被修正到真值的。這一點(diǎn)直接引發(fā)了工程上向現(xiàn)實(shí)的第一個(gè)妥協(xié):通過參數(shù)分析,篩選掉不敏感參數(shù),認(rèn)為識(shí)別了所有敏感參數(shù)。
第二個(gè)影響修正精確度的因素是溫度比較點(diǎn)的有限性:測點(diǎn)總是有限的,滿足修正目標(biāo)的最多是統(tǒng)計(jì)點(diǎn)上的溫度偏差,只能證明溫度偏差在有限點(diǎn)上滿足某個(gè)判據(jù),并不足以證明無測點(diǎn)部位溫度偏差也滿足判據(jù),自然更不能證明修正后所有參數(shù)的精確性以及任意部位的溫度預(yù)示的精確性,這也是文獻(xiàn)[31]的觀點(diǎn)。
第三個(gè)重要因素是以往熱模型修正中普遍忽視的關(guān)于參數(shù)的定解狀態(tài)。表1~3中的修正工況按定解狀態(tài)分成了欠定解、定解和過定解3種狀態(tài),其含義是:欠定解(Underdetermined)為不確定參數(shù)個(gè)數(shù)>溫度測點(diǎn)數(shù);定解(Derdetermined)為不確定參數(shù)個(gè)數(shù)=溫度測點(diǎn)數(shù);過定解(Overdetermined)為不確定參數(shù)個(gè)數(shù)<溫度測點(diǎn)數(shù)。理論上,欠定解問題有無窮多解;定解問題有唯一解;而過定解無解。以下考慮實(shí)際的熱模型的定解狀態(tài)。
(1)一般的航天器熱模型都屬于欠定解系統(tǒng),理論上解就不唯一。表1~3中的定解狀態(tài)不過是分析者“認(rèn)為”的狀態(tài),實(shí)際的熱網(wǎng)絡(luò)方程中,節(jié)點(diǎn)熱容、外熱流、大量的接觸熱導(dǎo)類的線性熱導(dǎo)、非線性的輻射熱導(dǎo)等參數(shù),都有不確定性,所以,不確定參數(shù)一定是多于模型節(jié)點(diǎn)數(shù)的,更是多于測點(diǎn)數(shù)的。對于接觸熱導(dǎo),工程上通常認(rèn)為同類接觸狀態(tài)的接觸換熱系數(shù)相同,比如對使用導(dǎo)熱脂的接觸面都采用一個(gè)換熱系數(shù),由此減少一些不確定參數(shù)數(shù)量。但實(shí)際上這類假設(shè)不嚴(yán)格成立:由于緊固點(diǎn)數(shù)量、接觸面積的不同,接觸面的安裝預(yù)應(yīng)力有差異,使用同一種導(dǎo)熱填料的不同接觸面上,接觸換熱系數(shù)事實(shí)上有差異,每個(gè)接觸熱導(dǎo)都應(yīng)是獨(dú)立的不確定參數(shù)。即使承認(rèn)這些近似假設(shè),一般的熱模型的不確定參數(shù)往往仍是多于測點(diǎn)數(shù)的。熱模型方程組因此屬于數(shù)學(xué)上的一致方程,在數(shù)學(xué)上[29]已經(jīng)證明,一致方程存在多解,理論上要獲取參數(shù)的唯一精確解是不可能的,前述式(10)的方法獲取的只是一個(gè)特解而已。需要再增加約束條件,方能得到最小范數(shù)(最短距離)之類意義上的唯一解。
(2)工程上對修正參數(shù)數(shù)量的壓縮往往將欠定解問題變成理論上無解的過定解問題:要修正過多的不確定參數(shù)不現(xiàn)實(shí),因此一般分析者會(huì)人為附加若干假設(shè)(比如認(rèn)為外熱流、熱容是準(zhǔn)確的),結(jié)合經(jīng)驗(yàn)或參數(shù)分析結(jié)果,一般最終會(huì)選定遠(yuǎn)少于測點(diǎn)數(shù)的參數(shù)進(jìn)行修正,尤其是對于整星、整器的系統(tǒng)級模型修正,這樣,將事實(shí)上無唯一解的欠定解問題變成了操作中的過定解問題,也即數(shù)學(xué)上的非一致方程,非一致方程意味著方程組中存在相互間矛盾的方程,因此只能有最小二乘解之類的近似解[29]。無法做到溫度收斂到0偏差,最多達(dá)到溫度偏差小于某一數(shù)值,自然更不能得到參數(shù)的解。
綜上,熱模型修正的最高目標(biāo)是試圖得到不確定參數(shù)的“確定”(相對修正前應(yīng)更精準(zhǔn)、更確定)值,但參數(shù)精確值又不可得。對于這個(gè)悖論,工程上理性的態(tài)度是:①熱模型修正目標(biāo)只能限于滿足在所選評價(jià)點(diǎn)上的溫度偏差盡量小,不應(yīng)寄望參數(shù)達(dá)到真值;②用于評價(jià)的測點(diǎn)數(shù)、工況數(shù)、時(shí)刻點(diǎn)(瞬態(tài)工況)越多,參數(shù)接近真值的概率越大,后續(xù)預(yù)示的可信度越高;③對于修正得到的參數(shù)值,盡量成組一起使用。因?yàn)樾拚玫降膮?shù)很可能喪失了物理真實(shí)性,因此不應(yīng)單個(gè)使用;④盡量遵循在修正和預(yù)示中保持影響參數(shù)值的狀態(tài)一致,比如,通過修正得到了某個(gè)設(shè)備安裝面的接觸熱導(dǎo),應(yīng)當(dāng)在修正后未曾對該設(shè)備進(jìn)行再次拆裝,方能將該值用于預(yù)示。
以信息系統(tǒng)的視角來看,熱網(wǎng)絡(luò)模型是一個(gè)以熱耗、熱沉溫度、構(gòu)型等條件為輸入,飛行或試驗(yàn)測量溫度為輸出的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的熱模型修正用確定的非顯式函數(shù)來描述輸入-輸出映射關(guān)系,各種確定、不確定參數(shù)影響著映射關(guān)系,熱模型修正是一個(gè)通過不斷用“正確”輸出(測量溫度)來評價(jià)“相對不正確”輸出(分析溫度)、并調(diào)整影響分析輸出的不確定參數(shù)的過程。這一過程非常類似人工智能(Artificial Intelligence, AI)領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)過程,因此,如果拋開熱模型的函數(shù)關(guān)系、放棄對參數(shù)確定值的期望,將熱模型視為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將獲得參數(shù)值這一修正目標(biāo)降級為獲得各層神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度(或權(quán)重系數(shù)),應(yīng)當(dāng)是可行的。因?yàn)樾拚慕K極目的是準(zhǔn)確預(yù)示,通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)也是建立輸入輸出之間的精確描述模型,只是傳統(tǒng)修正中可以判斷參數(shù)的物理合理性,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的連接強(qiáng)度沒有物理意義,無法在物理上判斷其真實(shí)性而已,但這并不妨礙預(yù)示這一終極目的。事實(shí)上,已經(jīng)有學(xué)者開展了這方面的探索研究,該研究采用“虛擬試驗(yàn)”結(jié)果(即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)分析結(jié)果)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),采用了1層中間層(隱含層)[32],該研究結(jié)論是這種方法有可行性。
近年,AI技術(shù)在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)入了迅猛發(fā)展期,其中尤以AlphaGo為突破性的代表,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)模型的研究有很大進(jìn)展[33]。結(jié)合AI有關(guān)的最新技術(shù),利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱模型修正(主要是預(yù)示),也許會(huì)有更多突破、成為航天器熱分析領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前,利用真實(shí)而非虛擬的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模型修正的案例還不多,諸多問題還值得進(jìn)一步探索,比如隱含層數(shù)量影響如何,是否有效果更好的網(wǎng)絡(luò)模型等問題。
本文總結(jié)了近年出現(xiàn)的遺傳算法和Broyden類的準(zhǔn)牛頓法兩種熱模型修正新技術(shù)的方法,并分析了相關(guān)應(yīng)用案例中關(guān)于溫度和不確定參數(shù)的修正效果。對文獻(xiàn)信息的綜合分析表明,兩種方法在滿足溫度偏差最小化這一評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下是可行的,值得進(jìn)一步研究。目前的應(yīng)用案例中,參數(shù)并不能全部被修正到精確值。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),實(shí)際的航天器熱模型一般均為欠定解系統(tǒng),或者會(huì)被人為轉(zhuǎn)換為過定解系統(tǒng),這兩種系統(tǒng)的修正都不可能獲得精確的參數(shù)反解值。因此,工程中必須成套使用通過修正獲得的參數(shù),并遵循在修正和預(yù)示中保持參數(shù)嚴(yán)格一致的原則。結(jié)合AI技術(shù)的進(jìn)步,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、用于模型修正是可能的,有望成為今后的一個(gè)研究熱點(diǎn)。