平流层飞艇总体多目标优化设计与决策

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1、第４６卷第５期航空计算技术Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．５２０１６年９月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＳｅｐ．２０１６平流层飞艇总体多目标优化设计与决策陈川，陈佳慧，胡宇群（南京航空航天大学民航／飞行学院，江苏南京２１１１００）摘要：将多目标优化与多属性决策相结合应用于平流层飞艇总体多目标优化中。建立平流层飞艇多目标优化模型，实现优化模型参数化建模，采用多目标进化算法ＮＳＧＡ－Ⅱ得到Ｐａｒｅｔｏ最优解集，构成多属性决策矩阵，采用模糊熵权ＴＯＰＳＩＳ（Ｍ－ＴＯＰＳＩＳ）法对Ｐａｒｅｔｏ非劣解进行排序，获得最佳设计方案。最终结果验证了ＮＳＧＡ－Ⅱ平流层飞

2、艇多目标优化中的有效性。关键词：平流层飞艇；多目标优化；多属性决策；ＮＳＧＡ－Ⅱ；Ｐａｒｅｔｏ前沿中图分类号：Ｖ２７４文献标识码：Ａ文章编号：１６７１-６５４Ｘ（２０１６）０５-００７７-０５Multi-objectivePerformanceOptimizationandDecisionofStratopshereAirshipＣＨＥＮＣｈｕａｎ，ＣＨＥＮＪｉａ-ｈｕｉ，ＨＵＹｕ-ｑｕｎ（CollegeofCivilAviation，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing２１１１００，Cihna）A

3、bstract：Ａｍｕｌｔｉ-ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅａｉｒｓｈｉｐｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｍｕｌｔｉ-ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｕｌｔ-ｉａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｅｃｉｓｉｏｎｍａｋｉｎｇ．Ａｍｕｌｔｉ-ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｐａ－ｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｍｏｄｅｌｆｏｒｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅａｉｒｓｈｉｐｄｅｓｉｇｎｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．ＮＳＧＡ-Ⅱｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｆｏｒｍｕｌｔｉ-ｏｂ－ｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉ

4、ｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｍｕｌｔｉ-ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｅｃｉｓｉｏｎｍａｔｒｉｘｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＰａｒｅｔｏｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕ－ｔｉｏｎｓｓｅｔｓｏｌｖｅｄｆｒｏｍｍｕｌｔｉ-ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄＮＳＧＡ-Ⅱ．Ｔｈｅｍｏｄｉｆｉｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｏｒｄｅｒｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅｂｙｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｔｏｉｄｅａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ（Ｍ-ＴＯＰＳＩＳ）ｉｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｒａｎｋｔｈｅＰａｒｅｔｏｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｂｅｓｔＰａｒｅｔｏｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｄｅｍｏ

5、ｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮＳＧＡ-ⅡｍｅｔｈｏｄａｎｄＭ-ＴＯＰＳＩＳｄｅｃｉｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｉｎｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Keywords：ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅａｉｒｓｈｉｐ；ｍｕｌｔｉ-ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉ-ａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｅｃｉｓｉｏｎ；ＮＳＧＡ-Ⅱ；ｐａｒｅｔｏｆｒｏｎｔ引言力及结构强度等问题更为突出。单一减阻或者减重容易导致飞艇的力学性能改变，难以权衡飞艇的各项性平流层是指大气层２０～５５ｋｍ区间的大气层，平能优化，

6、比如单纯减小飞艇阻力，要求飞艇外形长细比流层整层空气几乎没有垂直运动，气流相对平稳，天气增大，这样却会导致飞艇最小环向应力增加。因此需晴朗，适宜部署空中监视预警平台、通信中继及环境监要综合考虑多种因素的影响，以重量、气动及结构等为测等任务。平流层飞行器是指飞行在平流层底层（２０优化目标对飞艇总体设计进行优化。～３０ｋｍ）的飞行器，大多数为依靠净升力的长航时飞近年来，国内外学者针对平流层飞艇的优化问题行器，包括高空气球、平流层飞艇等。相对于高空气进行了研究。平流层飞艇优化问题最初是单一外形减球，平流层飞艇具有持续推进动力以实现可控飞行。阻优化，郭雪岩、王权保等建立飞艇参

7、数化外形，以飞此外，平流层飞艇还具有飞行高度高、生存能力强、覆艇体积为约束条件对飞艇外形进行优化，使飞艇的阻盖范围大等突出优点，具有极高的科技应用价值。［１－２］力系数明显降低。以最小化平流层飞艇结构质量由于平流层的大气密度远低于海平面大气密度，为优化目标，梁浩全应用改进响应面协同优化（ＣＯ-相比于普通对流层飞行器，为了提供足够的净升力，需ＲＳ）方法，建立飞艇多系统耦合模型，验证了飞艇设计要平流层飞艇有更大的气囊体积，气囊体积增大导致环节ＭＤＯ模型的合理性和ＣＯ-ＲＳ算法在平流层飞艇质量、阻力随之增大，从而平流层飞艇的自重、气动阻收稿日期：２０１６－