通信和電子系統(tǒng)可靠性最優(yōu)算法分析

1、<p>　　通信和電子系統(tǒng)可靠性最優(yōu)算法分析</p><p>　　【摘要】通信和電子系統(tǒng)工程是一個復雜的系統(tǒng)工程，其中包含著大量的優(yōu)化問題。通信和電子系統(tǒng)的復雜性決定了其優(yōu)化問題的重要性，在復雜的系統(tǒng)中首先保證的應當是系統(tǒng)的可靠性，即通信和電子系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和低誤差性能。在系統(tǒng)不超過給定值的前提下，合理分配各個部件的可靠度，可以獲得盡可能高的系統(tǒng)可靠性。同時在保證可靠性的同時還應當對經(jīng)濟性進行充分的考慮

2、，即保證成本的最低也要保證系統(tǒng)的可靠，因此采用可靠性最優(yōu)的計算思路來優(yōu)化通信系統(tǒng)是較為可行的。通過對可變?nèi)莶罘?、SUMT法及乘子法等優(yōu)化算法進行比較，并進一步采用乘子法對某通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，取得了滿意的結(jié)果，其基本思路與方法也適用于其他許多應用場合。 </p><p>　　【關鍵詞】系統(tǒng)可靠性；成本；可靠性優(yōu)化；系統(tǒng)工程 </p><p>　　1系統(tǒng)可靠性優(yōu)化概念 </p>

3、<p>　　通信和電子系統(tǒng)本身就是一個較為復雜的應用系統(tǒng)，其工程的設計和實現(xiàn)中存在多種復雜的關系和約束條件，因此其優(yōu)化問題就成為了通信和電子系統(tǒng)的重要設計基礎。系統(tǒng)可靠性指的是系統(tǒng)正常工作的概率，它取決于構成該系統(tǒng)部件的可靠性以及系統(tǒng)本身的結(jié)構方式。主備用結(jié)構是提高系統(tǒng)可靠性的一種常用方法。 </p><p>　　圖1就是一個有備用部件的復雜通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型。其中每個方框表示由許多個元器件組成的子

4、系統(tǒng)，N個子系統(tǒng)串聯(lián)組成一個可獨立工作的系統(tǒng)。圖1中用虛線方框表示的一個串聯(lián)系統(tǒng)為主用系統(tǒng)，其余M-1個串聯(lián)系統(tǒng)則為備用系統(tǒng)。顯然，只要這M個系統(tǒng)不同時發(fā)生故障，該通信系統(tǒng)就能正常工作。 </p><p>　　圖1 具有主備用結(jié)構的某通信系統(tǒng)模型 </p><p>　　從管理角度看，對系統(tǒng)的規(guī)劃就是合理的安排各種資源在系統(tǒng)構建中的分配和作用，對于大型的系統(tǒng)工程的實施作用明顯。系統(tǒng)越復雜其對

5、其規(guī)劃的要求就越嚴格。同時在設計中還需要將可靠性作為系統(tǒng)規(guī)劃的前提，即在系統(tǒng)設計時不改變整個系統(tǒng)成本的前提下，實現(xiàn)最為可靠的運行配合，即合理的分配各個零部件的可靠度，保證其在各自功能范圍內(nèi)體現(xiàn)出最佳性能，并保證系統(tǒng)運行的可靠性。這里的可靠性設計還應把經(jīng)濟指標涵蓋在內(nèi)，即從技術角度、經(jīng)濟成本角度出發(fā)實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠與經(jīng)濟性雙贏。 </p><p>　　2通信電子系統(tǒng)的最可靠性 </p><p>

6、;　　通信和電子系統(tǒng)本身就是一個較為復雜的多層次系統(tǒng)，其復雜而精密的特點使其運行的可靠性成為了系統(tǒng)設計和實現(xiàn)的首要條件。通信系統(tǒng)的可靠性主要的標準就是其通信的質(zhì)量，而系統(tǒng)可靠性具體的體現(xiàn)就是在正常工作中錯誤的概率最低，這個指標的實現(xiàn)取決于構成系統(tǒng)的各個部件的可靠性，以及系統(tǒng)本身的結(jié)構方式。 </p><p>　　主要設備結(jié)構的合理是提高可靠性的重要基礎，也是提高可靠性的途徑之一。通信系統(tǒng)的主要作用就是輸入和輸出，

7、在完成這個數(shù)據(jù)處理的過程中，需要多個電氣元件進行參與，即一個主要設備中有多個子系統(tǒng)進行串聯(lián)組成一個工作系統(tǒng)。而主要系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)將構成一個完整的通信系統(tǒng)，可見主要系統(tǒng)的可靠性將決定整個系統(tǒng)的可靠性，即只要主設備或者系統(tǒng)不出現(xiàn)故障該通信系統(tǒng)就正常。 </p><p>　　在一個系統(tǒng)中，設計參數(shù)有兩種，一種為固定參數(shù)即系統(tǒng)需要滿足的基本性能，一種為設計參數(shù)，即待定的某些參數(shù)，固定參數(shù)是必須實現(xiàn)的，而待定參數(shù)則可以看做

8、是優(yōu)化變量，也就是通過設計參數(shù)的改變來影響整個系統(tǒng)運行的效果。此時，各種參數(shù)的變化范圍就會成為影響系統(tǒng)運行的基本條件，可以理解為目標函數(shù)中的設計指標可以構成優(yōu)化變量的約束條件。因此，尋求系統(tǒng)的最佳性能就是對目標函數(shù)的最大或者最小。 </p><p>　　3通信和電子系統(tǒng)的最優(yōu)化算法 </p><p>　　通信電路或者通信網(wǎng)絡技術的實現(xiàn)都是在給定的技術指標前提下進行設計和實現(xiàn)的，對這些參數(shù)產(chǎn)

9、生影響的條件有很多，如幅值、相位、頻率等等。如果電路滿足技術指標就可以看做為合格，否則為不合格。 </p><p>　　盡管初始設計保證所有的系統(tǒng)元件都為標準，即電路滿足使用指標要求，但是因為外部環(huán)境因素的影響，個元件的運行參數(shù)是在一個容差范圍內(nèi)隨機變化的。這種元件的容差就有可能使得批量產(chǎn)品的合格率小于需要。如何在設計中，根據(jù)指定的技術指標要求，確定合理的電路元件的標稱值和容差，使得產(chǎn)品合格率最大而成本最小，這就

10、是優(yōu)化設計的核心問題，這也是可靠性最優(yōu)化計算需要解決的問題。 </p><p>　　在對某通信系統(tǒng)進行優(yōu)化計算中發(fā)現(xiàn)，可變?nèi)莶罘ㄔ诮咏尚袇^(qū)域收斂速度明顯出現(xiàn)大幅下降，大量的時間都將被浪費在可行性修正上，目標函數(shù)的下降較小，只能通過降低收斂精度才能實現(xiàn)收斂的目標。即使這樣最后的結(jié)果也還是會出現(xiàn)某個部件可靠性大于1的不理想狀況。 </p><p>　　實踐中SUMT法和乘子法均能得到滿意的結(jié)

11、果，但是為了確保計算的穩(wěn)定性，前者的懲罰因素增速不能過大，因此相對采用的迭代次數(shù)就會增加，所以采用采用乘子法進行優(yōu)化設計，及時先沿著搜索方向向外推算出最小點所在的區(qū)間，然后在此范圍限定的情況下，二次插值，求得最優(yōu)步長。 </p><p>　　因為某系統(tǒng)價格模型中包含了正切函數(shù)，當完好率接近1的時候，函數(shù)值和導數(shù)值將急劇增加，尤其是導數(shù)值很有可能會溢出。通常采用的控制方法是： </p><p&g

12、t;　?。?）利用隨機格點搜索目標函數(shù)值相對小的域內(nèi)點，進行乘子法的改善點。隨機搜索時都對部件可靠性的上線進行限制，即完好率在0.5-0.6之間。 </p><p>　　（2）利用二點差分的近似計算價格函數(shù)的導數(shù)，以防止其產(chǎn)生溢出效果。根據(jù)目標函數(shù)的梯度和函數(shù)自動調(diào)整差分步長，保證導數(shù)估計值的截斷誤差和舍入值誤差相近似相等。 </p><p>　　利用前面的兩種方式，求得某通信系統(tǒng)的兩種價

13、格模型的最大可靠性問題和最小成本問題。如下式： </p><p>　　將著這些參數(shù)代入到可靠性公式中，就可以得到某通信系統(tǒng)的最優(yōu)化結(jié)果。并根據(jù)具體的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的構成進行合理的修正。 </p><p><b>　　4結(jié)語： </b></p><p>　　通信和電子系統(tǒng)是個復雜的特殊系統(tǒng)，其中包含著大量的優(yōu)化問題，它們都體現(xiàn)著最優(yōu)化方法的思想，即在

14、一定客觀條件制約下，選取最優(yōu)路線（策略、方式、安排），以取得最好效益或?qū)崿F(xiàn)既定目標。最優(yōu)化問題即為兼顧系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)成本的最優(yōu)設計問題。對于復雜的設計問題，初始點的選擇往往十分重要，它不但影響優(yōu)化速度和全局最優(yōu)點的獲得，有時甚至會影響到算法的收斂性。首先，必須根據(jù)設計經(jīng)驗選擇盡可能合理的初始點。其次可采用二階段算法，即在第一階段用一個簡單的算法在較大的空間搜尋，求得一個改進的初始點，第二階段再用比較高效的算法，從這個改進后的初始點出發(fā)

15、，搜索求得問題的最優(yōu)解。另外，選擇算法時也應注意采用對初始點不很敏感的算法。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 李建文.無線通信的電子系統(tǒng)可靠性設計方案優(yōu)化[J].科技風，2010，（18）. </p><p>　　[2] 高山杰.基于最優(yōu)化理論與算法的通信系統(tǒng)功能構建[J].現(xiàn)代電子技術，2010，