面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空发动机表面直角管路布局的优化领域，具体涉及一种面向曼哈顿 空间的发动机直角管路遗传算法规划方法。
【背景技术】
[0002] 复杂装备如航空发动机通常包含大量的对产品性能与可靠性有着重要影响的管 线，管线敷设需要考虑空间限制与规则约束，手工敷设会导致反复修改且效率低下。与传统 的装配不同，管路敷设的难点更在于管线形状的复杂与不确定性。一台典型的航空发动机 通常包含约200根管路，管路需要敷设在复杂约束回转空间内，同时还需满足各种工程约 束，其过程十分复杂与耗时。为实现管线的自动敷设，不少学者对管路布局问题进行了研 宄，并取得了一定的成果，但由于管路布局约束的复杂性，目前还没有形成一套成熟的理论 和方法。
[0003] 管路布局的确定是一个很复杂的过程，国内外在外部管路敷设领域仍以手工敷 设、调整为主，敷设随意性大，修改不易，敷设周期长，成本高，制约了整个工程的进度。尤其 是近些年来，计算机技术的不断成熟，国内外开始研宄利用计算机来辅助进行管路的敷设 的研宄，虽然取得了一定的成果，但是还是以人机交互方式进行管路敷设，管路避开障碍还 需要人工的干预才能完成，这样还是在一定程度上制约了管路布局设计的发展。
【发明内容】
[0004] 为了解决发动机机匣曲面直角管路的自动敷设问题，本发明提供了一种面向曼哈 顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，在直角管路布局的模式走向上，设计了针对 管路布局问题的定长度个体编码方法；建立了管路长度最短、管道弯头数最少、能量值最少 和成功避开障碍这些目标的合适的评价函数；采用了近似测地线的方法解决了发动机的曲 面管路设计；采用近似测地线求交的方法解决了管路避障问题。该发明提高了管路敷设的 效率，实现发动机直角管路设计的自动化与最优化。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0006] 面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，包括如下步骤：
[0007] S1、在UG模型中通过二次开发技术提取航空发动机布管空间环境信息与管路端 点信息，然后，将提取信息的.txt文件导入Matlab软件，初始化管路布局中的障碍模型，确 定管路敷设的初始参数集后，对参数进行编码；
[0008] S2、根据所设计的编码机制初始化遗传算法种群；
[0009] S3、计算各个目标函数：管路长度、弯头数、能量值；处理约束条件：求解避障惩罚 函数（附件障碍、电气区域等其它不适合布管区域）；
[0010] S4、建立评价函数，评价种群，满足停止准则的，提取其计算结果的.txt文件，通 过二次开发技术返回UG模型中，实现航空发动机直角管路曲面布局方案可视化；
[0011] S5、不满足停止准则，用赌轮选择方法选出若干个体进行繁殖；
[0012] S6、随机配对，按交叉概率进行交叉操作，并生成两个子个体；
[0013] S7、按照变异概率变异二进制串中的某些位；
[0014] S8、执行T = T+1操作，返回步骤S3继续操作，知道迭代结束，找到最优路径为止。
[0015] 其中，所述障碍模型的获取方法为：给定两个点个点的坐标A(pa，0A，zA)和 B(pa，0A，zA)，在发动机的机匣表面上应用近似测地线来代替直线，进而实现曲面布管。
[0016] 其中，所述步骤S4中的采用线性加权的方法建立的评价函数为：
[0017] F(P) = a XL(p) + 0 XB(p)+ S XE(p) +入 X0(p)
[0018] 式中，L(P):代表路径长度；B⑵：管道的弯头数；E⑵：路径的能量值；(UP):罚 函数，代表路径是否通过障碍，障碍指发动机附件、电气区域等其它适合布管或走线的区 域。
[0019] 其中，所述步骤S1中参数编码的方法为：给定路径的起点和终点，并将从起点到 终点经过某一点的路径的走向设定为1，将从起点到终点经过另一点的路径的走向设定为 0,然后进行路径编码。
[0020] 其中，采用近似测地线求交方式来判断管路路径是否与障碍相交，其可进一步分 解为判断2条近似测地线是否相交问题，具体方案为：
[0021] 设发动机表面两个近似测地线@⑦的端点的二维柱坐标分别为（0 A，zA)、 (0 B，ZB)和（0。，Z。)、（ 0 D，ZD)。贝lj引入如下的参数方程表示两近似测地线：
【主权项】
1. 面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，其特征在于，包括如下步 骤： 51、 在UG模型中通过二次开发技术提取航空发动机布管空间环境信息与管路端点信 息，然后，将提取信息的.txt文件导入Matlab软件，初始化管路布局中的障碍模型，确定管 路敷设的初始参数集后，对参数进行编码； 52、 根据所设计的编码机制初始化遗传算法种群； 53、 计算各个目标函数：管路长度、弯头数、能量值；处理约束条件：求解避障惩罚函数 (附件障碍、电气区域等其它不适合布管区域）； 54、 建立评价函数，评价种群，满足停止准则，则提取其计算结果的.txt文件，通过二 次开发技术返回UG模型中，实现航空发动机直角管路曲面布局方案可视化； 55、 不满足停止准则，用赌轮选择方法选出若干个体进行繁殖； 56、 随机配对，按交叉概率进行交叉操作，并生成两个子个体； 57、 按照变异概率变异二进制串中的某些位； 58、 执行T = T+1操作，返回步骤S3继续操作，直到迭代结束，找到最优路径为止。
2. 根据权利要求1所述的面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，其特 征在于，所述障碍模型的获取方法为：给定两个点个点的坐标A(pa，0A，zA)和B(pa，0A， z A)，在发动机的机匣表面上应用近似测地线来代替直线，进而实现曲面布管。
3. 根据权利要求1所述的面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，其特 征在于，所述步骤S4中的评价函数采用线性加权的方法建立，该评价函数为： F(P) = a XL(p)+ 0 XB(p)+ S XE(p)+人XO(p) 式中，L(P):代表路径长度；B⑵：管道的弯头数；E⑵：路径的能量值；(KP):罚函数， 代表路径是否通过障碍，障碍指发动机附件、电气区域等其它适合布管或走线的区域。
4. 根据权利要求1所述的面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，其特 征在于，所述步骤Sl中参数编码的方法为： 给定路径的起点和终点，并将从起点到终点经过某一点的路径的走向设定为1，将从起 点到终点经过另一点的路径的走向设定为〇,然后进行路径编码。
5. 根据权利要求1所述的面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，其特 征在于，采用近似测地线求交方式来判断管路路径是否与障碍相交，其可进一步分解为判 断2条近似测地线是否相交问题。
【专利摘要】本发明公开了一种面向曼哈顿空间的发动机直角管路遗传算法规划方法，其具体步骤如下：在UG模型中通过二次开发技术提取航空发动机模型几何信息，然后，将提取信息的.txt文件导入Matlab软件，通过本技术实现管路路径的自动计算，最后，将计算结果的.txt文件通过二次开发技术返回UG模型中实现航空发动机直角管路曲面布局方案可视化。本发明在直角管路布局的模式走向上，设计了针对管路布局问题的定长度个体编码方法；建立了管路长度最短、管道弯头数最少、能量值最少这些目标的合适评价函数；发动机布管空间障碍物模型采用曲面多边形描述；避障处理采用近似测地线求交的方式。本发明实现了发动机直角管路设计的自动化与最优化。
【IPC分类】G06N3-12, G06F17-50
【公开号】CN104809307
【申请号】CN201510244419
【发明人】柳强, 郭秀, 曹江涛, 张晓雪, 李芳芳
【申请人】辽宁石油化工大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月9日