基于分布估計的人機結(jié)合演化設(shè)計方法研究.pdf

1、衛(wèi)星艙空間布局設(shè)計對縮短衛(wèi)星設(shè)計周期、節(jié)約成本、提高性能等方面有著重要作用，是衛(wèi)星總體設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。該問題在數(shù)學上屬于混合(離散與連續(xù))組合最優(yōu)化問題和NP-難(NP-hard)或NP-完全(NP-complete)問題，在工程上屬于方案設(shè)計和復雜工程系統(tǒng)問題，其求解面臨的主要困難是既要解決數(shù)學上的組合爆炸問題，又要解決工程系統(tǒng)復雜性問題。 本論文以委托項目”航天器布局優(yōu)化設(shè)計平臺研究與開發(fā)”為應用背景，在國家自然科學基金

2、資助下，研究該類布局空間結(jié)構(gòu)本質(zhì)，研究統(tǒng)計學習技術(shù)以及人機結(jié)合設(shè)計策略在演化計算中的應用，用于一類以改善衛(wèi)星艙質(zhì)量特性為目標的空間布局設(shè)計問題的求解。 本文主要工作包括以下幾個方面： 1.給出一種基于主元分析(Principle Components Analysis，簡稱PCA)的分布估計算法(PCA-EDA)。分布估計算法(Estimation of Distribution Algorithms，簡稱EDAs)是一

3、類比較新的演化算法，用以解決遺傳算法求解變量耦合問題時算法運行效率不高的問題。PCA-EDA算法將主元分析的變量相關(guān)性分析功能與高斯分布概率模型相結(jié)合，在獲得概率模型的學習精度與效率的相對平衡的同時，實現(xiàn)了設(shè)計變量間內(nèi)在關(guān)聯(lián)關(guān)系的學習及演化，可有效解決變量耦合問題；同時提出自適應控制主元變量的方差收斂的機制，解決分布估計算法的早熟問題。函數(shù)優(yōu)化算例及布局仿真實驗表明，PCA-EDA算法求解性能優(yōu)于遺傳算法及常規(guī)分布估計算法。 2

4、.給出一種多階段貪心聚類機制，用于PCA-EDA算法，利用貪心期望最大化算法實現(xiàn)解群體自適應的聚類操作，實現(xiàn)算法對問題解空間的空間結(jié)構(gòu)分析，以有效改進PCA-EDA算法對復雜布局問題的綜合求解性能。本文對裝填布局問題的空間結(jié)構(gòu)進行了分析，指出其具有的一些復雜特點。在此基礎(chǔ)上，提出利用高斯混合模型( GaussianMixture Model，簡稱GMM)，將基于聚類的空間結(jié)構(gòu)分析技術(shù)引入到PCA-EDA算法中，具有三方面的作用：(1)實

5、現(xiàn)解空間的分解，將高性能解聚集的區(qū)域更精確地提取出來，這對于設(shè)計者深入了解設(shè)計問題，對于提高算法求解的效率都有明顯的促進作用；(2)用多個高斯分布來更精確地逼近多峰值解空間，使基于單高斯分布的線性EDA算法非線性化，更適合求解具有復雜空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題；(3)本質(zhì)上實現(xiàn)了一種具有多個獨立群體的演化算法，有助于保持群體多樣化。 3.給出一種針對PCA-EDA算法的人機結(jié)合策略，最終形成基于分布估計的人機結(jié)合演化設(shè)計方法。本文從設(shè)計

6、知識提取的層面，深入分析了PCA-EDA算法的內(nèi)在運行機制，實現(xiàn)利用變量相關(guān)關(guān)系的學習將原問題分解為若干子問題，并分析了主元變量方差與載入系數(shù)矩陣在原始變量相關(guān)性分析中的應用，以及變量相關(guān)性與搜索空間的形態(tài)之間的關(guān)系。通過對布局仿真實驗的求解表明，應用該策略可使設(shè)計者能以更有效的方式將設(shè)計思想傳遞給算法。此外，為解決人機結(jié)合過程中如何有效獲取關(guān)鍵信息的問題，在對可視化技術(shù)以及演化算法可視化進行綜述的基礎(chǔ)上，本文從構(gòu)成演化算法結(jié)構(gòu)要素特征

7、的可視化以及問題的解空間結(jié)構(gòu)可視化兩個方面，提出幾種新的演化算法可視化交互界面，用于人機結(jié)合演化設(shè)計方法的多層面多角度可視化。 綜上所述，本文分別從變量相關(guān)性分析，可視化及定性與定量分析相結(jié)合、解空間結(jié)構(gòu)分析三個方面展開研究，并結(jié)合演化計算的特點，充分利用概率統(tǒng)計及機器學習領(lǐng)域中相關(guān)技術(shù)，使三方面的研究內(nèi)容既能各有側(cè)重，又能有機統(tǒng)一，最終實現(xiàn)一種基于分布估計的人機結(jié)合的演化設(shè)計方法。通過對返回式衛(wèi)星艙和通訊衛(wèi)星艙的布局優(yōu)化設(shè)計的