1、第 卷第期杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报（自然科学版）年月 （）：基于模型驱动的大型天线系统设计优化方法陈志平，万永伟，李春光，彭祺擘，贾鹏，汪传亮（杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 ；中国航天员科研训练中心，北京 ）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：陈志平（），男，教授，研究方向：光机电一体化、天文技术与方法等。：。摘要：针对传统天线协同设计困难、方案可行性评估成本高、评价关系模糊等难点，引入层次分析方法，建立天线系统模型和层次评估模型，通过系统运行过程仿真和验证分析，支持设计数据的获取与计算，进而对系统设计方案进行优化分析和科学决策。以天线驱动设计方
2、案为例进行验证分析，结果表明，提出方法显著提高了大型天线系统的设计效率，降低了设计优化成本。关键词：；元模型；领域建模语言；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）引言随着人类对宇宙观测活动的不断深入，大型复杂天线系统在深空探测中发挥的作用越来越重要。复杂天线产品涉及机械、电子、光热和材料等诸多学科，学科间耦合愈加紧密，系统规模日益庞大，系统的前期设计工作变得越来越繁琐。随着探测要求的提高，天线口径不断增大，系统通过排列组合形成阵列进行跨区域协同工作，对天线可靠性提出更高的要求。在天线系统的设计和实现过程中，传统复杂天线的研制方法一般是先设计，再根据设计经验和实验结果对系统进行优化，最后组织专家
3、进行评审，是一种事后评价优化的方法，难以在系统方案设计阶段对系统进行优化分析和评价。同时，传统系统方案的设计一般由不同单位或供应商共同参与，由于地域、专业知识的不同，设计方案难于实时更新和汇总，造成系统方案评估成本高、时效性差、系统层级间的影响关系模糊等问题。随着天线系统的日益庞大，系统间的协同设计愈发困难，传统大型天线设计方法难以满足天线系统软硬件日益增长的安全性和可靠性需求。为了提升大型天线系统模型的准确性和设计效率，降低研发成本，本文在天线元模型（，）和 天 线 领 域 建 模 语 言（，）基础上，提出一种基于模型驱动的大型天线系统设计优化方法，引入层次分析算法（，）进行系统模型设计，通
4、过多个视图模型构建评价模型，运用流程仿真获得多个方案的评价结果，对天线系统模型进行分析验证和优化设计。总体设计方案本文提出的基于模型驱动的大型天线系统设计优化方法以系统工程（，）为基础，结合系统工程评估方法，全面规范描述系统设计，明确系统的目标及实现程度，从而更加准确地衡量系统可行性指标。由于不同领域都有各自的领域知识，通用元模型和方法论不能直接构建相应的领域知识库，难以满足个性化需求，因此，本文在通用元模型基础上拓展天线元模型，并结合通用建模方法形成天线领域建模语言用于指导系统模型的设计，天线系统总体设计优化流程如图所示。图天线系统总体设计优化流程首先，借鉴对象管理小组（，）提出的模型驱动架
5、构（，）中 的 元 对 象 机 制（，），在 系 统 建 模 语 言（，）基础上，系统模型建模团队与天线研发团队进行协作，从任务、功能、逻辑等方面构造天线元模型框架；其次，在天线元模型框架的基础上，结合实践经验形成天线领域的建模方法，从需求分析、功能分解、逻辑架构分配、物理架构生成等个方面指导系统建模，并建立天线系统的需求模型、功能模型、架构模型、分析模型；最后，对天线系统设计方案的影响因素、内在关系进行分析，结合层次分析方法将传统权衡分析的经验模型化，建立层次结构模型，并通过系统模型的流程仿真进行评价数据的获取与计算，根据天线系统实际输入，对多个方案进行科学评估，实现对系统各组成模块的优化，
6、得到最优方案。天线系统模型构建 系统架构建模天线系统模型构建以大型可动式抛物柱面天线系统的需求分析、功能分解和架构设计为基础。在明确系统架构后，进一步细化分解系统功能，并将方案阶段输出的设计任务书作为系统详细设计的输入源，依据不同的颗粒度，将各分系统单元细化到不同的组成层次。以机械结构单元为例，建立详细设计方案，并对组成部件分配直径、尺寸、材料、密度、价格、总成本等技术性能指标，机械结构单元设计模型如图所示。图机械结构单元设计模型杭州电子科技大学学报（自然科学版）年对系统分解过程中的各参数指标进行整理和定义，确定其唯一标识符号和基本单位组成，形成天线系统专用性能指标库，如图所示。机械结构单元参
7、数指标包括主面、副面、最大旋转速度加速度、天线锁定位置、谐振频率、低速性能、方位轨道、天线俯仰角天线方位角、保精转动速度加速度等。在性能指标库基础上，建立与之相匹配的约束分析模型，在导入初始技术指标的条件下，自动完成系统约束的分析计算。通过天线元模型框架和 构建出天线机械结构单元模型，并在系统模型中建立参数化分析模块，为系统模型的优化设计提供数据基础。图机械结构单元部分性能指标库 层次评估模型设计层次评估模型依据层次分析算法，其设计过程分为个步骤。（）建立层次结构模型。将系统方案评估的目标、影响因素、评估准则及其评估对象间的相互关系进行分组，每组作为一个层级，按照细分程度划分为最高层、中间层和
8、最低层，系统的层次结构如图所示。最高层表示层次分析模型所要达到的最终目标；中间层由准则层和指标层组成，表示采用某种方法、措施和技术，实现总目标所必须完成的中间环节；最底层是方案层，表示所选用的实现途径、详细方案等，通常有多个方案可选。图层次结构模型（）构造判断矩阵。为减少定性描述造成的系统误差，采用判断矩阵实现对权重值的分析计算。成对比较矩阵是无量纲的比值，表示相邻两层因素间相对重要性的权重，假定高层的影响因素与低第期陈志平，等：基于模型驱动的大型天线系统设计优化方法层中的因素，存在关联，则 表示相对而言，与相对重要性的数值比率，通常取，及它们的倒数，目的是为了提高计算准确性，减小人为误差。（
9、）求解矩阵。通过专家评审，获得矩阵，并建立其求解方程组，（）（）式中，为特征向量，为特征根。对矩阵每列元素进行正交单位化，得到：，（）将处理后的矩阵元素按行相加，得到向量组?，?，（）正交化后，计算得到特征向量，?，（）最后得到最大特征根 ，（）（）（）层次排序及一致性检验。采用特征向量作为下层对上层的权向量，为影响因素个数，为特征向量，通过的衡量矩阵的不一致程度，单排序一致性指标 计算如下：（）当 时，说明完全一致，越大，误差越大。一致性比率 表示误差允许范围，为随机一致性指标，其计算公式如下：（）其中，如表所示由该层级的影响因素个数对应一个定值，当.时，误差在允许范围内；否则必须重新构造矩
10、阵来排除干扰。表随机一致性指标 .（）总层次排序及一致性检验。总层次排序是最低层到最高层的排序值，如层个影响因素，对总目标的权重排序为，。层个影响因素对上层的影响因素的单排序为，（，）。则层对层总排序为：（）杭州电子科技大学学报（自然科学版）年总排序的一致性检验如下：（）式中，为层第个影响因素的单排序一致性指标，为层第个影响因素的随机一致性指标，为最低层第个影响因素对目标层的权重值。当 .时，具有满意的一致性。否则需要重新调整排除干扰。依据总排序权值大小选出最优方案，实现多参数条件下方案的优化设计。评估优化模型设计评估分析模型分为数据预处理、分析计算和结果显示等模块。数据预处理模块负责数据处理
11、，由确定层级数、确定指标类型数、确定方案层数、定义数据符号及位置等组成，具有获取目标层、方案层、信息层、构造矩阵等功能。前个子模块定义了系统评估分析所需的变量及其组成类型，定义数据符号及其位置则是编码实现的过程。分析计算模块由求解矩阵、最大特征值、最大特征值对应特征向量、单排序及其一致性校验、总排序及其一致性校验、计算公式和计算编码等组成，如图所示。中间个子模块定义了分析计算的步骤和变量，计算公式子模块建立数学模型，计算编码子模块则是对整个计算过程进行编码，将天线系统模型与评估模型进行关联，并对计算结果进行存储。图分析计算子模块结果显示模块由结果存储和人机显示界面组成。结果存储子模块将计算完成
12、的数据进行存储，并建立起与人机界面数据传输的通道；人机显示子模块搭建显示界面，对计算结果进行整理和展示。驱动方案优化设计 方案分析在构建完成的天线系统模型基础上，依据天线机械结构设计需求对天线驱动装置进行详细设计，主要包括种方案，方案 为液压驱动方案，由液压缸、滚轮、夹紧装置等组成，通过液压装置驱动反射体，带动滚轮沿夹紧导轨滚动；方案 为索牵引驱动方案，由卷扬机、钢丝绳、滚筒等组成，索牵引驱动装置通过卷扬机提供牵引力使钢丝绳受力，拉动反射体沿圆弧导轨运动；方案为齿轮驱动方案，由齿轮、齿条、弧形轨道等组成，齿轮驱动装置通过驱动电机来驱动齿轮沿弧形轨道运行。在评估优化模型基础上，确定方案评估的目标
13、是从上述个方案中选出最优方案。综合考虑种方案对天线系统的影响，为了简化计算，选择安全性、经济性、技术先进性做为一级指标，故障分析、危险第期陈志平，等：基于模型驱动的大型天线系统设计优化方法分析、工程成本、建设周期、最大转速、最大加速度、低速性能和谐振频率等做为二级指标，一级指标与下属二级指标的关系及详细说明如表所示。表系统评价指标一级指标二级指标指标含义安全性故障分析分析记录所有可能存在的故障状态，建立应对措施。危险分析分析设备安装、运行过程可能存在的危险行为，确定规避和修复指南。经济性工程成本设备的实验、建筑、购置、安装费用的总和建设周期设备设计、安装、调试的总时间技术先进性最大转速设备允许
14、的最大俯仰转速最大加速度设备允许的最大俯仰加速度低速性能设备在低速状态下，不滑坡谐振频率设备在不同俯仰角度下的频谱响应特性 案例评估首先，依据 建立的种驱动方案的详细设计模型，通过参数模型将驱动方案与评价指标、评价指标与评估优化模型进行集成，实现驱动方案与评估模型间设计信息的传递；然后，对驱动方案的设计参数进行赋值，并将各设计模块的设计信息进行汇总；最后，组织专家对系统进行打分，得到最终的比选结果。通过系统模型流程仿真分析实现对参数指标的分析计算，并将计算结果以系统模型的形式进行反馈，实现驱动方案各指标的分析计算。模型集成后，进行案例评估。首先，输入设计数据，计算分析各参数指标，以模型的形式封
15、装计算结果；然后，设计模型权限，设计人员只能调整初始参数，不能更改系统模型，且调整初始指标后，系统模型自动更新计算结果；最后，采取线上评审的方式，将系统模型加密发送给评审人员，评审人员在评估模型中赋值，完成后回传系统模型。该过程中，驱动方案参数指标权重的确定主要依据专家的评价，通过对回传后的信息进行处理，最终得到天线驱动方案的比选结果。种天线驱动方案的专家评估结果如表所示。表驱动方案比选结果方案类别安全性权重经济性权重技术成熟性权重系统方案总排序权值 从表可以看出，方案 的安全性权重值最好，方案的经济性收益权重最大，且技术成熟性也较高，综合评价得分最高，故方案为最优方案。结束语本文提出一种基于
16、 的天线系统设计优化方法。在天线元模型框架和 建模语言基础上，优化天线建模流程，减少了建模工作量；应用 算法建立层次评估模型，改进设计方案的优化分析和科学决策，优化了评审流程，缩短了评审周期；引入层次分析法对天线驱动方案进行分析，解决了传统评审流程指标不清晰、迭代慢等问题。但是，由于缺乏天线系统详细设计数据的支持，本文侧重于方案的优选，需要进一步补充数据，继续完善驱动方案的设计优化。杭州电子科技大学学报（自然科学版）年参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：陈志平，万永伟，何昱辉，等基于 的大型天线系统设计方法杭州：杭州电子科技大学学报（自然科学版），（）：凌曦基于 的大型抛物柱面天线系统设计关键问题研究杭州：杭州电子科技大学，：，（）：刘云飞基于多智能体的作战单元元模型设计南京：南京大学，（.，；.，）：，：；第期陈志平，等：基于模型驱动的大型天线系统设计优化方法
