基于CPS的航电系统综合优化.pptx

基于CPS的航电系统综合优化 1 综合航电系统 综合航电系统发展 IMA-DIMA-Networked IMA 2 3 信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS） 2006，美国科学院，《美国竞争力计划》，CPS重要研究项目 2007，美国，CPS作为八大关键信息技术首位 2008，波音公司副总裁，“在波音公司，CPS 将无处不在” 2010，国家863计划，“信息物理融合系统发展战略论坛” 信息物理系统 CPS是目前公认的航电系统综合与优化的必由之路 4 研究背景 问题：如何基于CPS进行航电系统综合与优化设计？ 针对航电系统总体以及分系统，探索基于CPS进行综合与优化设计的机理和方法 大飞机重大专项“民航空地网络关键技术研究”（2013.1-2013.12） 自然基金项目“基于认知无线电的宽带航空数据链基础理论研究”（NSF 1）CPS没有严格的定义 2）CPS没有统一的建模和优化方法 3）CPS如何在航电系统有效应用不清楚 难点： 任务： 二、航电系统建模与优化方法 5 6 约束条件： 唯一性约束： 资源约束： 其他约束： 数学模型 7 重量： 具有分层优先级的目标函数： ① 安全性、可靠性相关量：计算模块负载等 ② 有效性相关量：重量、功耗、初装成本等 多目标优化问题 8 设3个目标函数： 可靠性指标 ——计算模块负载： 有效性指标 ——重量： ——初装成本： 目标函数按优先级非增排序为： 设约束条件构成的初始解空间为 优化设计示例 带宽容的分层排序法解多目标优化问题: 在解空间内依优先级次序求解单目标优化问题 以一宽容量（松弛量）扩展最优解集，作为下一步的解空间 9 参考方案 最优设计 归一化指标 参考方案 最优设计 计算模块负载 258.01 208 1 0.81 重量 204 264 1 1.29 初装成本 2494 3294 1 1.32 最优设计物理系统 最优设计信息系统 CPM：核心处理模块 RDC：远程数据中心 10 归一化指标 DIMA最优设计2 IMA最优设计 计算模块负载 0.90 1.19 重量 1.15 1.11 初装成本 1.16 1.05 IMA与DIMA性能比较 ZHANG Chao, XIAO Jialuo. Modeling and Optimization in Distributed Integrated Modular Avionics[C]. 2013 IEEE/AIAA 32nd Digital Avionics Systems Conference (2013 IEEE/AIAA 32nd DASC), Syracuse, NY, USA, Oct. 2013. （EI Source） 张超，肖佳洛，一种分布式综合模块化航电（DIMA）系统建模与优化装置，申请中国专利，2013年12月. IMA计算模块负载比DIMA差 重量和初装成本差异相对较小： DIMA分布式结构引入更多CPM和RDC设备重量和成本，IMA所有外设引线向电子舱汇集引入额外的线缆重量和成本 [1] [2] 综合航电CPS模型 11 Locations Devices 物理系统 信息系统 Processing resource Consumption of processing resource 安全性作为约束的优化方法 安全性约束变量 共享模块的安全性约束 错误管理的安全性约束 复用模块的安全性约束 目标函数可以是其它指标 (重量、成本、功耗等) 12 粒子群优化 13 Combined optimization problem For each particle i, do this process. After nparticle steps, the optimization result is gBest. pBest: local best known position gBest: global best known position 安全性作为目标函数的优化 以安全性作为优化的目标函数 约束条件是其它信息和物理指标 采用多学科优化方法 CPM, RDC … 对于每个“学科”优化方程如下 14 协同优化算法 15 优化结果 16 优化结果 约束函数:安全性 目标函数: 成本 优化方法: PSO 最低成本是4000万. 成本 失效概率: 优化结果 17 约束函数: 信息物理指标 目标函数: 安全性 优化方法: 分解协调多学科优化 优化结果: 失效概率 3.6e-15. 演示验证 (Matlab GUI) 18 19 演示验证 (Matlab GUI) 20 演示验证 (Matlab GUI) 21