本发明专利技术公布了一种基于禁忌搜索平衡性能约束的圆形装填问题的布局方法，属于航天器布局方案设计研究领域。本发明专利技术方法包括，首先采用拟物策略和罚函数法将带平衡性能约束的圆形装填问题转化为无约束的优化问题；然后从任一随机初始布局出发，应用基于自适应步长的梯度法进行极小化优化计算；为了使计算能有效地逃离局部极小点的陷阱且避免迂回搜索，采用了禁忌搜索的策略。在禁忌搜索的过程中，对传统的邻域解、禁忌对象以及当前解接受原则进行了有效的改进。本发明专利技术的优点在于布局具有很高的面积利用率，较快的速度，同时能更好地实现平衡性能约束，并可推广应用于其他布局优化问题的求解。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航天器布局方案设计研究领域，具体涉及一种带平衡性能约束的圆形 装填问题的布局方法。
技术介绍
装填(Packing)问题研究的是多个物体在大空间或容器中互不重叠的放置方式， 要求尽可能地提高空间或容器的利用率。该问题在汽车工业、物流运输、网络通信、航天等 领域都具有广泛的应用。装填问题从布局区域的维数上分，分为二维和三维问题；从布局 区域的形状上分，分为圆形、矩形或任意的多边形区域等；从待布物体的种类上分，又可分 为圆形、矩形或不规则形状等。关于装填问题，目前多数文献是研究二维或三维矩形物体在 矩形容器中的装填布局，而且多为不带性能约束的装填布局问题。本专利技术主要研究带平衡 性能约束的二维圆形装填问题。该问题是一类NP难度问题，且有着深刻的应用背景。在一 个带自旋的返回式航天舱内(见附图说明图1(a))，布置若干仪器、设备等有效部件(称为待布物)， 使得布局满足以下技术要求①待布物之间、待布物与容器之间不干涉(也即互相不嵌 入)；②待布物尽量向航天舱中心聚集；③航天舱的静不平衡量尽可能小。假设各待布物 均为圆柱体，且在航天舱的垂直于舱的中心轴线的圆形隔板上进行布局，则问题就转变为 带平衡性能约束的二维圆形装填问题(以下简称带平衡性能约束的圆形装填问题)，如图 1(b)所示。近年来，一些学者对带平衡性能约束的圆形装填问题进行了研究，并提出了一些 求解算法。滕弘飞等采用模式迭换法和主布模法给出了该约束布局优化问题的启发式算 法；唐飞等提出了一种十进制编码控制参数的自适应遗传算法；钱志勤等通过将人工 设计的个体加入到染色体群体中，提出了人机交互的遗传算法；于洋等M通过增加学习算 子，并构造拟牛顿方向进行局部寻优，提出了基于学习的遗传算法；李宁等提出了基于 带变异算子的粒子群优化算法；周弛等提出了适合粒子群优化的约束处理机制，并通过 与直接搜索法相结合得到了一种混合算法；雷开友和邱玉辉通过对传统的粒子群优化 算法进行多重改进，提出了一种自适应粒子群优化算法；Huang和Chen在拟物算法的 基础上提出了加速搜索过程的改进的拟物算法；王奕首等以散射搜索法为基础，集成两 种局部搜索算法，梯度下降法和Nelder-Mead直接搜索法，提出了改进的散射搜索法。Liu 和Li通过对势能曲面变平法(ELP)进行改进，进而将改进的ELP法与局部搜索的梯 度法和一些启发式的格局更新机制相结合，提出了一种新的全局搜索算法——吸引盘填充 算法。在目前一系列的全局优化方法中，无论是随机算法(如遗传算法、粒子群算法 、散射搜索法_等)，还是各种启发式算法(如模式迭换法、拟物拟人法等)都具 有各自方法本身的局限性。随机算法具有全局搜索且适应面广的优点，但缺乏有效的局部 搜索机制，且收敛速度较慢；启发式算法较之于随机算法，针对性强，但普适性不强；另外， 确定性局部搜索算法(如梯度法、共轭梯度法、拟牛顿法等)也可进行全局优化，其具有搜索速度快、精度高的优点，但却易于陷入局部极小点的陷阱。参考文献滕弘飞，孙守林，葛文海等.转动圆桌平衡摆盘——带平衡性能约束的 Packing 问题·中国科学(A 辑)，1994，24 :754_760.唐飞，滕弘飞.一种改进的遗传算法及其在布局优化中的应用.软件学报， 1999，10 1096-1102.钱志勤，滕弘飞，孙治国.人机交互的遗传算法及其在约束布局优化中的应 用·计算机学报，2001，24:553-559.于洋，查建中，唐晓君.基于学习的遗传算法及其在布局中的应用.计算机学 报，2001，24 1242-1249.李宁，刘飞，孙德宝.基于带变异算子粒子群优化算法的约束布局优化研 究·计算机学报，2004，27:897-903.周驰，高亮，高海兵.基于粒子群优化算法的约束布局优化.控制与决策， 2005,20 36-40.雷开友，邱玉辉.基于自适应粒子群算法的约束布局优化研究.计算机研究与 发展，2006，43 1724-1731. Huang W Q, Chen M. Note on :An improved algorithm for the packing ofunequal circles within a larger containing circle. Computers & IndustrialEngineering, 2006, 50 :338_344·Wang H Q, Huang W Q, Zhang Q A, et al. An improved algorithm for thepacking of unequal circles within a larger containing circle. European Journal ofOperational Research,2002,141 :440-453.王奕首，史彦军，滕弘飞.用改进的散射搜索法求解带平衡约束的圆形 Packing 问题.计算机学报，2009，32 1214-1221.Liu J F, Li G.Basin filling algorithm for the circular packing problem withequilibrium behavioral constraints. Science China Information Sciences,2010, 53:885_895.Hansmann U H E, Wille L T.Global optimization by energy landscape paving. Physical Review Letters,2002,88 :068105.
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是在于针对目前布局方案设计缺乏一种高效的全局优化方法的缺 陷，提出一种，它结合了禁忌搜索 算法，梯度算法，二分法和一些启发式策略。技术方案本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术包含以下步骤(1)将所有η个圆形待布物Ci和圆形容器Ctl都为光滑的弹性实体，按照拟物策略和罚函数法，将带平衡性能约束的圆形装填转化为下面的无约束优化 权利要求一种，其特征在于包含以下步骤(1)将所有n个圆形待布物Ci和圆形容器C0都为光滑的弹性实体，按照拟物策略和罚函数法，将带平衡性能约束的圆形装填转化为下面的无约束优化 <mrow><mi>min</mi><mi>imize</mi><mi>U</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow>&l本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于禁忌搜索平衡性能约束的圆形装填问题的布局方法，其特征在于包含以下步骤：（１）将所有ｎ个圆形待布物Ｃ↓［ｉ］和圆形容器Ｃ↓［０］都为光滑的弹性实体，按照拟物策略和罚函数法，将带平衡性能约束的圆形装填转化为下面的无约束优化：ｍｉｎｉｍｉｚｅＵ（Ｘ）＝＊＊ｄ↓［ｉｊ］↑［２］＋ｌ［（＊ｍ↓［ｉ］ｘ↓［ｉ］）↑［２］＋（＊ｍ↓［ｉ］ｙ↓［ｉ］）↑［２］］这里ｄ↓［ｉｊ］＝ｄ↓［ｊｉ］＝ｍａｘ（０，ｒ↓［ｉ］＋ｒ↓［ｊ］－＊＊＊）是圆形待布物Ｃ↓［ｉ］和Ｃ↓［ｊ］之间的嵌入深度，ｄ↓［ｉ０］＝ｄ↓［０ｉ］＝ｍａｘ（０，ｒ↓［ｉ］＋＊＊＊）是圆形待布物Ｃ↓［ｉ］与圆形容器Ｃ↓［０］之间的嵌入深度；ｒ↓［ｉ］和ｍ↓［ｉ］分别表示圆形待布物Ｃ↓［ｉ］的半径和质量，ｒ↓［０］为圆形容器Ｃ↓［０］的半径；（ｘ↓［ｉ］，ｙ↓［ｉ］）为圆形待布物Ｃ↓［ｉ］的圆心即质心坐标；Ｘ＝（ｘ↓［１］，ｙ↓［１］，ｘ↓［２］，ｙ↓［２］，．．．，ｘ↓［ｎ］，ｙ↓［ｎ］）表示布局的一个方案，也就是一个格局；ｌ为惩罚项系数，是一个小的正数；ｉ，ｊ＝１，２，３，．．．，ｎ，ｉ≠ｊ；（２）随机给出初始布局；（３）基于当前圆形容器Ｃ↓［０］，使用禁忌搜索对当前初始布局进行布局的全局优化；（４）采用二分法对圆形容器的半径ｒ↓［０］进行设置，对于新半径的圆形容器，重新执行改进的禁忌搜索算法进行布局的全局优化，此过程重复执行直到满足二分法的结束条件；（５）输出最优圆形容器的半径ｒ↓［０］和最优布局的图形。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘景发，李刚，刘朝霞，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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