[发明专利]一种基于蚁群劳动分工的卫星舱布局方法

说明书

本发明提出了一种基于蚁群劳动分工的卫星舱布局方法，步骤为：建立卫星舱布局的数学模型，将卫星舱布局由多目标带约束优化问题转化为单目标无约束优化问题；建立蚁群劳动分工与卫星舱布局之间的映射关系，提出基于蚁群劳动分工的布局方法；设计固定、平移、交换和跳跃四种占位动作，定义环境刺激和响应阈值，根据蚁群劳动分工的刺激‑响应原理设计待布物的空间位置占据方式；结合刺激‑响应原理和卫星舱布局的特点，设计环境刺激和响应阈值的更新规则、并行占位动作执行方式、不同格局变换策略下的格局更新准则。本发明继承了蚁群劳动分工的柔性特点，布局方案利用率高，完全满足卫星舱的平衡性能约束，可推广应用于其他装填、下料等布局问题。

技术领域

本发明涉及航天器布局设计的技术领域，尤其涉及一种基于蚁群劳动分工的卫星舱布局方法，适用于带平衡性能约束的圆形装填问题的布局。

背景技术

日常生活和生产中存在大量的布局问题，如在货物运输、机械设计、大规模集成电路设计等领域，需要将一些小型的对象，如货品、零件、集成块等，装入一个大的容器，如车厢、包装箱或电路板等中，要求装载的对象数目最多。这种高利用率具有广阔的工程背景，相关应用涉及到140多个行业。在实际生产中，合理的布局方案可有效节省材料，降低生产成本。以卫星舱布局设计为例，布局方案质量的优劣将直接影响到卫星在轨运行时的动力学性能、控制性能、使用寿命甚至总体方案的成败。

布局问题的一般描述为：给定一个布局空间和若干布局物体，按照一定的要求，将布局物体最优地排放在布局空间中。称布局物体为待布物，布局空间为容器，典型的布局问题通常要求待布物之间、待布物与容器之间无干涉，并尽量提高容器利用率。除了上述无干涉约束，卫星舱布局还要求整个系统的静不平衡量尽可能小，以减小卫星舱自旋时产生的磨损、震动、发热、噪音等。从计算复杂性理论看，卫星舱布局属于NP完全问题。对于这类问题，目前缺乏高效寻找最优解的算法，现有的优化方法以随机算法和启发式算法为主。随机算法收敛速度慢，而启发式算法普适性不强，且二者都容易陷入局部最优。

任何固体材料都占据着一定的空间。从空间的角度来看，一个卫星舱布局方案就是不同的设备在卫星舱容器内占据着不同的空间。因此，卫星舱布局可以看成是一个空间分配问题，即将卫星舱容器空间合理有效地分配给给定的设备。在蚁群中，不同的个体执行不同的任务，这种现象叫做劳动分工。蚁群劳动分工的显著特点是任务分配柔性，即在动态环境下能以自组织的方式快速有效地实现任务分配，从而满足族群需要，是蚁群生态成功的重要保障。蚁群劳动分工的任务分配对卫星舱布局的空间分配求解具有启发意义。更重要的是，蚁群劳动分工的快速、柔性、高效的分配方式能够有效克服已有方法收敛速度慢、普适性不强和容易陷入局部最优的不足。

发明内容

针对现有优化方法收敛速度慢，适应性差，容易陷入局部最优的技术问题，本发明提出一种基于蚁群劳动分工的卫星舱布局方法，将卫星舱布局抽象为空间分配问题，并借鉴蚁群劳动分工的任务分配来实现卫星舱布局的空间分配，该方法继承了蚁群劳动分工的柔性特点，在动态环境下得到的布局方案利用率高，且完全满足卫星舱的平衡性能约束，并可推广应用于其他装填、下料等布局问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于蚁群劳动分工的卫星舱布局方法，其步骤如下：

步骤一：在传统布局问题数学模型的基础上，建立卫星舱布局的数学模型，通过平移策略和干涉策略，将卫星舱布局由多目标带约束优化问题转化为单目标无约束优化问题；

步骤二：从空间的角度出发，建立蚁群劳动分工与卫星舱布局之间的映射关系，将卫星舱布局抽象为空间分配问题，提出基于蚁群劳动分工的布局方法；

步骤三：设计固定、平移、交换和跳跃四种占位动作，根据占位动作的特点定义环境刺激，根据待布物的特点定义响应阈值，根据蚁群劳动分工的刺激-响应原理设计待布物的空间位置占据方式；结合刺激-响应原理和卫星舱布局的特点，设计环境刺激和响应阈值的更新规则、并行占位动作执行方式、不同格局变换策略下的格局更新准则；