航天器模块划分数值优化方法

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1、2012年2月中国空间科学技术77第1期ChineseSpaceScienceandTechnology航天器模块划分数值优化方法刘永健刘育强石军谭春林(中国空间技术研究院，北京100094)摘要对航天器模块划分主要依靠经验和定性方法的问题，构建了一种通用的模块划分数值优化方法。利用功能分解方法、相关性评价准则、设计矩阵与设计结构矩阵(DesignStructureMatrix，DSM)同步演化的机制获得了基于功能元的数值DSM；基于DSM构建了遵循公理化设计原理的通用优化模型；利用遗传一模拟退火算法获得了可对模块划分方式及数目进行同步优化的模块划分方法；给出了不同

2、于优化目标的评价方法。仿真结果表明，该方法可将航天器划分为一系列内聚度高、耦舍度低的模块。关键词设计结构矩阵遗传算法模拟退火算法模块划分航天器DOI：lO．3780／j．issn．1000—758X．2012．01．0121引言20世纪80年代的太阳峰年卫星和90年代的哈勃望远镜已拉开了模块化技术在航天器研制中应用的序幕，然而模块化设计方法的研究却未跟上实际应用的步伐，制约了模块化航天器的发展。近年来，卫星微型化的高功能密度和对有效载荷的灵活适应性要求、大型空间系统的分次发射和航天器在轨可服务性要求、战术卫星的快速响应和批量化要求等迫切需求更加突显了这种不足。模块化

3、设计包含模块划分和模块设计两部分，其中，模块划分是模块设计的前提与基础。模块划分定性方法因其直观易行，从而得到了广泛的应用。AmieCStryker用抽象语言法结合支配流启发式方法对快速响应卫星进行了模块划分，提出了向量模块度评估方法L13；然而抽象语言法需要定义一套语义清楚、信息完备、高度抽象的功能词汇表，实际操作难度很大。孙杰等利用功能树图结合基于经验的模块集成对航天器模块划分进行了研究，点出了航天器模块化设计的一些关键问题【2]。定性方法一般较为复杂，严重依赖经验，难于重现。模块划分定量研究较少睁“，大多针对单一产品或产品组成部分，如小家电、齿轮箱等，缺乏通用

4、性与适应性；且现有方法应用于复杂产品时会导致巨大的计算量【5]。在航天领域更是缺乏相应的定量方法可供参考。本文将产品模块化理论和现代优化算法相结合，构建一种通用的模块划分数值优化方法，以解决航天器模块划分定量研究的难题。2模块划分数学建模2．1功能分解功能分解的基本思路是用公理化设计(AxiomaticDesign，AD)法将系统分解为不同级别的功能元、完成功能需求向设计参数的转化，然后利用功能分解评价准则构建量化的设计矩阵(Design收稿日期：2011-05—19。收修改穑日期：2011—07—1278中国空间科学技术2012年2月Matrix，DM)，从而完成

5、航天器系统功能分解。(1)功能分解方法AD法具体实施步骤可参考文献E63。本文通过在功能域和物理域之间的映射完成功能分解，映射方法表示为Fr=(Fr。，Fr2，⋯，F_)T=A·D，=[口d]帐。(Dp。，De。，⋯，Dp。)T(1)N口口一≥：{∞l×"OiilI，籼)(2)k‘。。—=—l式中F，为功能需求矩阵；A为设计矩阵；口。为A中任意项；D，为设计参数矩阵；N为分析问题所考虑到的全部视角，文中取值为3，即对应功能视角、几何视角和物理视角；％I。。咖为从视角k来判断，元素i对元素歹的依赖程度，其取值需结合表1～表3的评价准则给出；∞。为视角k在问题分析中所占

6、据的权重，可以采用层次分析法口3通过两两比较进行确定，其值依次为0．49、0．15、0．36。(2)功能分解评价准则在产品设计中，组成模块的前提是各设备存在一定程度的相关性。因此，在航天器功能分解过程中，可以分析各要素的相关性来进行模块选择与划分。模块的一个重要特性是功能独立性。在模块划分时，将那些为实现同一功能的设备聚在一起构成模块，有助于提高模块的功能独立性。功能相关评价准则如表1所示。表1不同设备问的功能相关性相关程度隶属度关系描述很强1．0两设备为同一功能而存在，两者必须成对出现，缺一不可强O．8两设备对应的分功能联系紧密，且相互影响中O．6某设备的存在是为

7、辅助另一设备完成某项功能弱O．4某设备的存在是为另一设备更好地完成某项功能，两设备对应的分功能互补很弱O．2两设备对应的分功能关系较弱或存在功能差异无O某设备的存在不依赖于另一设备或两设备毫不相干设备之间在空间、几何关系上的物理联接、紧固、尺寸、垂直度、平行度和同轴度等关系称为几何相关性。几何相关性大的设备需要划进同一模块。几何相关评价准则如表2嗍所示。物理相关是指设备之间存在着能量流、信息流或物料流的传递等物理关系。能量流是指设备间所传递的驱动力、扭矩、电流、液压力、热量、振动或噪声等，信息流是指设备的光、电等信号的传递，物料流则是指被处理的气体、推进剂、人员