机载任务电子系统总体布局优化设计
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摘 要： 在机载任务电子系统结构总体设计中应用系统布局优化设计方法，主要包括舱外天线布局优化和舱室系统布局优化两方面内容，优化方法涉及到多学科优化算法、改进的遗传算法等。该方法对于任务电子系统结构总体设计能够起到系统理论指导作用，通过该方法能够有效提升任务电子系统综合性能。
关键词： 机载任务电子系统； 布局优化； 多学科优化； 优化设计
中图分类号： TN971+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 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
机载任务电子系统是安装在飞机平台上执行某种任务的综合电子信息系统，涵盖预警机、反潜机、巡逻机、电子战飞机等特种飞机，任务电子系统在飞机上的安装设计的好坏直接影响着任务电子系统的作战使用效率。任务电子系统结构总体设计的主要工作包括系统构型设计、布局设计、结构安装设计以及环境适应性设计等方面。大系统总体设计的方法主要包括系统遗传?进化法、系统工程程序法、系统分析法、系统分解?集成法、黑箱辨识法、经验法、反馈协调法、系统优化法、模型验证法等[1]。本文重点论证系统优化法在机载任务电子系统结构总体设计中的应用。
特种飞机主要由载机和任务电子系统两部分组成，任务电子系统根据需求可包括雷达、敌我识别、通信、电子侦察、通信侦察、指控、信息综合显示和监控等组成。
任务电子系统在飞机上的安装设计，关键是要解决在飞机上安装任务电子系统设备所引起的一系列问题：一是任务电子系统设备在飞机上的安装问题，即“机械接口”的问题。这些设备的安装涉及飞机的气动外形（天线）、内部布置、安装部位的结构强度等。二是电学方面的问题。一方面是供电问题，任务电子系统设备既需要增加更大的电源供应，又需要新的电源品种；另一方面是复杂的电磁兼容问题，即“电接口”。三是热力学方面的问题。新增的设备用电带来发热量增加以及传热、散热问题，需要采取多种散热冷却方式。
总之，在一架成熟的基本飞机上安装任务电子系统设备，破坏了基本飞机原有的设计平衡。改装的目的就是要在安装任务电子系统设备、改变飞机用途的条件下，寻求新的设计平衡。任务电子系统结构总体优化设计就是采用多学科多目标优化的设计思路来满足新的设计平衡。
机载任务电子系统设备在载机上的布置安装主要分为机舱内和机舱外两部分[2]。结构总体布局优化内容主要针对舱外天线布局优化和舱室系统布局优化设计。
1.1 舱外天线布局优化
任务电子系统对载机气动影响最大的是在机身外安装的大型天线以及天线罩，无论哪种天线安装方式都会对飞机的气动性能产生影响，而不同的天线布局形式会有不同的天线探测性能，在舱外天线布局优化时需要同时考虑气动特性和天线电磁场特性，这是一个典型的多学科优化问题[3]，场耦合关系如图1所示。
图1 各场耦合关系
以气动特性和电磁特性为设计目标，以预警任务系统布局参数为设计变量，进行多目标优化设计，得到舱外天线最佳布局方案。
以雷达天线布局优化为例，设计变量[x，][y]为雷达天线安装位置坐标，[h，][Φ]为雷达天线尺寸参数，设计目标[f1]为气动特性，[f2]为电磁特性，雷达天线设计参数如图2所示，优化设计流程如图3所示。
图2 雷达天线设计参数
图3 优化设计流程
[Findx，y，h，Φmaxf1，f2xmin≤x≤xmaxs.t.ymin≤y≤ymaxhmin≤h≤hmaxΦmin≤Φ≤Φmax] （1）
式中：[xmin，][xmax]为雷达天线前后位置范围；[ymin，][ymax]为雷达天线高度范围；[hmin，][hmax]为雷达天线罩短轴范围；[Φmin，][Φmax]为雷达天线罩直径范围。
此方法可扩展到全机天线布局优化设计。
运用流体仿真软件分析雷达天线罩尺寸、位置、支架形式对气动的影响，同时运用电磁分析软件分析全机电磁特性，经过优化，提出最佳天线布局方案。
以天线布局位置参数为优化变量，以方向图的畸变最小和飞机操稳性变化最小两个目标作为优化目标，优化算法采用多目标优化算法（MDO）进行优化。
1.2 舱室系统布局优化
任务电子系统的舱内布局应充分考虑载机平台的舱内空间特性和全机重量重心、任务电子系统使用维护、人机工效特性分布等情况，通过先进的优化算法，优化任务电子系统在舱内的布置，提高任务电子系统设备的维护性，方便战勤人员的操作，使战勤人员能在尽可能舒适的环境中高效地工作。
舱室布局优化流程如下：
（1） 系统功能使用布局设计要求和系统人机工效布局设计要求
规划系统使用功能和系统人机工效特性设计初始布局，作为布局优化的起始值和约束范围。
（2） 进行系统舱室布局优化设计
近年来，全局随机最优化方法如退火演化算法[4]和改进的遗传算法[5]等得到了广泛的研究和应用。它们在求解传统的基于梯度优化方法难以解决的复杂优化问题中显示了优良的求解特性。本文利用改进的遗传算法来求解特种飞机舱室优化布置设计问题。
图4为舱室布局优化设计流程图。图5为某特种飞机舱室布局三维示意图，根据系统功能要求将舱室分为三个区域，即前设备区（分为左前机柜区和右前机柜区）、中操作员区（分为左操作员区和右操作员区）、后设备区（分为左后机柜区和右后机柜区）。
图6为人员操作空间要求示意图，图7为图5的简化模型示意图，将各个设备区简化为一个固定的空间区域，并假设各个设备区重量重心在形心，对各个设备区域的相对位置进行优化调整。左前机柜区长[a1，]宽[b1，]重[m1；]右前机柜区长[a4，]宽[b4，]重[m4；]左操作员区长[a2，]宽[b2，]重[m2；]右操作员区长[a5，]宽[b5，]重[m5；]左后机柜区长[a3，]宽[b3，]重[m3；]右后机柜区长[a6，]宽[b6，]重[m6。]以设备区间隔距离[xi]为设计变量，以布局重心[xm]与要求重心[xd]之间的距离最小、人员操作空间[xi]之和平均值最大为设计目标进行布局优化，公式（2）为该舱室布局优化模型。
[Findxi， i=1，2，…，6Minxm-xdMax16xi6s.t.Lmin≤xi≤Lmax， i=1，2，…，6] （2）
图4 舱室布局优化设计流程图
图5 某特种飞机舱室布局三维示意图
图6 人员操作空间要求示意图
该多目标优化数学模型采用基于Pareto前沿的改进的遗传算法（NSGA?Ⅱ）来解决。NSGA?Ⅱ算法的基本思想为[6]：首先，随机产生规模为[N]的初始种群，非劣（Pareto）前沿分级后通过遗传算法的选择、交叉、变异3个基本操作得到第一代子代种群；其次，从第二代开始，将父代种群与子代种群合并，进行快速Pareto前沿分级，同时对每个Pareto前沿分级层中的个体进行小生境密度计算，根据Pareto前沿关系以及个体的小生境密度选择合适的个体组成新的父代种群；最后，通过遗传算法的基本操作产生新的子代种群，以此类推，直到满足程序结束的条件。
图7 该种舱室布局优化简化模型示意图
图8为布局优化迭代图，从图中可得出最优结果集，即人员操作空间优化结果为890～920 mm，重心距离优化结果为0～60 mm。证明该方法可以使得两个目标同时相对最优。
图8 布局优化迭代图
2 结 论
本文针对机载任务电子系统提出布局优化设计方法作为总体设计的一个重要内容，舱外天线布局采用气动电磁多学科优化策略，舱内设备布局采用人机工效、重量重心等多目标优化策略，通过这些设计能够得出各方面指标相对最优的结果。
参考文献
[1] 彭成荣.航天器总体设计[M].北京：中国科学技术出版社，2010.
[2] 王红.机载电子设备总体布局设计探讨[J].电子机械工程，2007（4）：6?9.
[3] 段宝岩.电子装备机电耦合理论、方法及应用[M].北京：科学出版社，2011.
[4] 李俊华，陈宾康，应文烨，等.退火演化算法在舰艇舱室优化布置设计中的应用[J].武汉交通科技大学学报，2000（4）：360?362.
[5] 李云，龚昌奇.改进的遗传算法在游艇舱室布局优化设计中的应用[J].船海工程，2010（1）：34?37.
[6] 李莉，潘丰.基于遗传算法的多目标进化算法综述[C]//2007中国控制与决策学术年会.沈阳：《控制与决策》编辑部，2007：89?92.