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基于启发式策略的气象卫星舱布局算法研究

张国建  
【摘要】:对于给定的一个有限的气象卫星舱布局空间和若干有效载荷,气象卫星舱布局问题研究如何将这些有效载荷合理地放置于布局空间中,并满足必要的条件约束,以达到某种最优指标。作为一类NP难度问题,其研究具有重要的理论价值和现实意义。 本文主要研究一类以提高舱空间利用率或性能约束为目标的气象卫星舱内有效载荷布局优化问题。有效解决这些问题的关键是提出高效的全局优化方法。通过充分利用问题本身的启发式信息来构造有效的启发式策略,并将这些策略融入一些全局优化算法,提出了求解相应问题的启发式算法,实验结果验证了这些启发式算法的有效性。具体研究内容及成果如下: (1)以气象卫星舱圆形隔板上有效载荷布局问题为背景,研究一类不带性能约束的二维圆形容器内圆形Packing问题。模拟退火算法是一种基于Metropolis抽样的随机的全局寻优方法。借鉴拟物思想,建立了问题求解的等价能量模型;通过将启发式格局更新策略和基于梯度下降法的局部搜索策略融入模拟退火算法,提出了求解不带性能约束的二维圆形容器内圆形Packing问题的一种改进的模拟退火算法。对一组共14个有代表性的算例进行了实算,该算法改进了其中10个算例的最优结果。计算结果表明本文所提出的改进算法是求解该问题的一种有效算法。 (2)以气象卫星舱正三角形隔板上有效载荷布局问题为背景,研究一类不带性能约束的二维正三角形容器内圆形Packing问题。针对问题的特点,通过将二分搜索引入改进的模拟退火算法,从而确定正三角形容器的最小边长,提出了求解不带性能约束的二维正三角形容器内圆形Packing问题的一种基于二分搜索的启发式模拟退火算法。对两组共47个有代表性的算例的计算结果显示,该算法改进了其中44个实例的最优结果,从而表明此改进算法是求解该问题的一种有效算法。 (3)以气象卫星中复杂插座板上插孔布局问题为背景,研究一类带作用力约束的二维圆形容器内圆形Packing问题。借鉴拟物思想,建立了问题求解的等价能量模型;对传统禁忌搜索过程中邻域结构、禁忌表、特赦准则等关键参数进行了有效改进,通过将这些改进策略和基于梯度下降法的局部搜索策略融入禁忌搜索算法,提出了求解带作用力约束的二维圆形容器内圆形Packing问题的一种改进的禁忌搜索算法。实验结果表明,该算法改进了目前已有文献中最好的结果,从而验证了算法的有效性。


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